Подключение шину 1 wire к s7. Монтаж линии датчиков (1-wire)
Цифровые датчики температуры и относительной влажности и автономные регистраторы температуры и относительной влажности, а так же все модули расширения, подключаются к линии датчиков 1-wire прибора ГИГРОТЕРМОН параллельно, используя 3 провода: «DQ» (шина данных 1-wire), «GND» (общий) и «+5В» (питание). Однако для надежности необходимо использовать все контакты разъема 6P6C (RJ12). Внимание: важно, чтобы контакты «DQ» (1-wire) и «GND 1-wire» (контакты 3 и 4 на рис. ниже) были одной витой парой, например, зеленый и бело-зеленый. Внешний вид разъема 6Р6С, а также назначение контактов и рекомендуемая расцветка проводов см. рис. ниже.
Для надежности связи прибора с датчиками и достижения максимальной протяженности линии датчиков 1-wire цифровые датчики и модули расширения рекомендуется подключать по схеме «гирлянда»: кабель от прибора ГИГРОТЕРМОН должен подходить к первому датчику (или модулю расширения), от первого ко второму и т.п., чтобы все датчики и модули были на одной линии, без ответвлений. См. рис. ниже.
Рекомендуемая максимальная протяженность линии 1-wire при использовании кабеля «витая пара» категории 5Е – не более 100 метров. Если фактическая длина кабеля более 100 метров, рекомендуется разбить линию на две малые с использованием дополнительного прибора ГИГРОТЕРМОН. Для удобства подключения и монтажа, все модули расширения и цифровые датчики и адаптеры для цифровых автономных регистраторов имеют не менее 2-х разъемов 6P6C (RJ12) – вход/выход 1-wire.
Внешний вид платы цифрового датчика 1w-2/3
Внешний вид модуля расширения дискретных датчиков «1wio2»
Внешний вид платы модуля расширения унифицированных (аналоговых) сигналов «HIHx2»
Таблица 1. Результаты испытаний линии связи регистраторов температуры (и относительной влажности) на максимальную протяженность,
при которой наблюдается устойчивая связь регистраторов с прибором Гигротермон
| Длина кабеля, м. | Тип регистраторов температуры и влажности / наличие связи (да / нет) | |
| Регистраторы температуры DS1921G-F5, DS1921Z-F5 |
Регистраторы температуры и относительной влажности DS1923-F5, DS1922L-F5 | |
| 350 | да (с подтяжкой 5В) | |
| нет (без подтяжки 5В) | ||
| 300 | да (с подтяжкой 5В) | |
| нет (без подтяжки 5В) | ||
| 250 | да (с подтяжкой 5В) | нет (с подтяжкой 5В) |
| нет (без подтяжки 5В) | нет (без подтяжки 5В) | |
| 200 | да (с подтяжкой 5В) | да (с подтяжкой 5В) |
| нет (без подтяжки 5В) | нет (без подтяжки 5В) | |
| 150 | да (с подтяжкой 5В) | да (с подтяжкой 5В) |
| да | да (без подтяжки 5В) | |
| 100 | да (с подтяжкой 5В) | да (с подтяжкой 5В) |
| да | да (без подтяжки 5В) | |
|
||
Таблица 2. Результаты испытаний линии связи комбинированных датчиков** 2RJ11-HIH5031E-DS18S20
на максимальную протяженность, при которой наблюдается устойчивая связь с прибором Гигротермон
| Длина кабеля, м. | Измеряемый параметр / наличие связи (да / нет) | |
| Температура | Относительная влажность | |
| 100 | да (без подтяжки) | да (без подтяжки) |
| 125 | да (с подтяжкой) | да (с подтяжкой) |
| 150 | да (с подтяжкой) | да (с подтяжкой) |
| 175 | да (с подтяжкой) | да (с подтяжкой) |
| 200 | да (с подтяжкой) | нет (с подтяжкой) |
| 300 | да (с подтяжкой) | нет (с подтяжкой) |
**) В испытаниях использовано 10 комплектов комбинированных (температура + влажность) датчиков 2RJ11-HIH5031E-DS18S20, подключенных одновременно в конце линии.
Данные получены в "идеальных" лабораторных условиях с использованием кабеля NIKOLAN NKL 4200A-GY F/UTP 4 пары кат.5e, 24 AWG. Поэтому, в реальных производственных условиях значения длин могут отличаться в меньшую сторону из-за присутствия электромагнитных помех или использования другого типа используемого кабеля.
Система "Бенукс" позволяет собрать в один общий центр управления и мониторинга оборудование, которое казалось-бы ничего общего не имеет между собой. Благодаря тому, что все датчики и модули управления заводятся в одном общем справочнике устройств, дальнейшее их использование в программе единообразно и значительно упрощается для пользователя, не зависимо от типа оборудования и протоколов.
В настоящее время Бенукс поддерживает следующие разновидности оборудования:
Оборудование с доступом по WiFi на базе модуля ESP8266
В последнее время широкую популярность получили недорогие малогабаритные модули с доступом
по Wi-Fi на базе чипа ESP8266, который представляет собой 32-битный контроллер со схемой обвязки. Помимо большого
разнообразия аппаратных модификаций этого модуля, существует и много вариантов прошивок для контроллера.
Система Бенукс поддерживает прошивку от "homes-smart", в которой обмен происходит по Http-протоколу.
Есть модули со встроенной внутренней антенной, есть модули с подключением внешней антенны. Небольшие
габариты модулей позволяют их легко встраивать в другие блоки или аппаратуру, а так-же в интерьер
жилища или офиса. В системе Бенукс используются модули с прошивкой от
homes-smart.ru
Одним из удачных законченных решений является оборудование интернет-магазина
radioseti.ru
в котором датчики и модули управления размещены в корпусах и готовы к использованию.
В номенклатуре датчики температуры, влажности, протечки воды. Для управления оборудованием существуют
модули в корпусах для монтажа на DIN-рейку. Начальная настройка модулей производится через ВЭБ-интерфейс,
а затем в программе Бенукс это оборудование заводится в справочник устройств и используется в программе
наравне с оборудованием других протоколов и технологий.
Основой сети 1-Wire является так называемый "мастер линии" - адаптер
Что значит "облегчённый"? - При малом количестве датчиков и небольшой длине микросети в качестве адаптера можно использовать очень простенькие схемы из нескольких деталей. В интернете можно найти несколько вариантов таких схем. Схема одного из них приведена: Этот адаптер используется для подключения около 3 устройств при длине линии не более 5 метров.
Если же организация 1-Wire-системы на базе персонального компьютера связана с особыми трудностями (большая длина линии, большое количество ведомых устройств, плохое качество кабеля или сложная топология, много помех и т.п.), то наиболее оптимально использование интеллектуального адаптера для COM-порта типа LINK. Он реализован на базе микропроцессора. При этом устройство полностью эмулирует со стороны последовательного порта работу популярного адаптера DS9097U производства Dallas Semiconductor и, таким образом, поддерживает все разработанное ранее для персональных компьютеров программное обеспечение. Но главное, что благодаря собственным интеллектуальным ресурсам этот адаптер реализует льготный режим работы однопроводных устройств на проблемных 1-Wire-линиях, в условиях сложной помеховой обстановки. LINK многократно улучшает механизм активной подтяжки на линии, что позволяет действительно получать идеальные сигналы обмена при длинах кабеля до 300 метров и числе сопровождаемых однопроводных компонентов до 250 шт, а использование процессором такого адаптера специальных алгоритмов цифровой фильтрации многократно улучшает устойчивость обслуживаемой 1-Wire-линии к электромагнитным помехам, шумам и отражениям сигналов.
Примечание: если USB-адаптер подключается к компьютеру через USB-расширитель, то обычно количество ошибок 1-Wire увеличивается, поэтому такое подключение нежелательно.
Конструктивно микросхема может устанавливаться в стандартную телефонную
розетку со схемой стабилизатора внешнего питания.
Приводим внешний вид модуля в сборе.
Конструктивно микросхема может устанавливаться в стандартную телефонную розетку со схемой стабилизатора внешнего питания. Приводим внешний вид модуля в сборе.
схема подключения к цифровому модулю внешних герконовых датчиков или датчиков типа "сухой контакт" показана
схема подключения к цифровому модулю цепи для управления оборудованием показана
В системе Бенукс может применяться восьмиканальная микросхема DS2408 в качестве как цифрового ввода, так и управления оборудованием. Причём часть каналов может использоваться для ввода, а часть для вывода.
Датчик питания 220V.
Один из вариантов применения цифрового универсального модуля - контроль наличия напряжения. Для этого стандартный модуль дополняется оптроном типа АОТ166А и двумя резисторами на 110 Ком. Благодаря тому, что используемый оптрон имеет широкий диапазон входного тока, на вход полученного модуля допускается подавать напряжение от 12 до 380 Вольт. А наличие двух встречно включенных светодиодов внутри оптрона позволяет подавать напряжение любой полярности, а значит как переменного тока, так и постоянного. На фото показан модуль, используемый в качестве датчика наличия 220В. Кроме примера, показанного на фото, описываемый модуль можно использовать и в других применениях, например как датчик наличия питания на электромагнитном клапане или задвижке и т.д.
Схема подключения внешнего сигнала к модулю показана
Стоит отметить, что если в описанном модуле использовать
двухканальную
микросхему DS2406P и два оптрона, то такой модуль можно использовать для
контроля двух различных напряжений.
Видеокоммутаторы
с интерфейсом 1-Wire изготавливается на основе микросхем DS2406, DS2406P, DS2408 и DS2413.
В настоящее время система "Бенукс" обслуживает следующие типы видеокоммутаторов:
Двухканальный
на основе DS2406. В таком коммутаторе микросхема управляет одним
реле с переключающимися контактами. Таким образом, на выход коммутатора подаётся видеосигнал либо
с одного видеовхода, либо с другого.
Четырёхканальный
на основе DS2406P или DS2413. В таком коммутаторе сигналы
с двухканальной микросхемы поступают на двоичный дешифратор, который управляет четырьмя
электромеханическими реле. В зависимости от двоичного кода на выходе микросхемы DS2406P,
включается один из четырёх видеоканалов.
Розетка с интерфейсом 1-Wire
Для управления всевозможными бытовыми электроприборами имеется типовая розетка 220 вольт в
пластиковом корпусе. Внутри корпуса размещается плата с микросхемой DS2413P и интегральный
стабилизатор для её питания. Микросхема управляет силовым симистором со схемой опторазвязки.
Симистор крепится на радиаторе, что позволяет управлять нагрузками до 1000 ватт.
Кроме силовой розетки, наружу корпуса выведены два гнезда RJ для подключения микросети 1-Wire.
Светодиодный индикатор сигнализирует о включенной розетке. Вместо микросхемы DS2413P можно
использовать DS2406(DS2406P), которая так-же позволяет управлять внешними устройствами, но имеет
иное расположение выводов на корпусе.
Ниже по тексту имеется ссылка на схему этого устройства.
Безкорпусные сборки управления нагрузкой 220В с 1-Wire
Для промышленного использования в системах управления рекомендуем использовать безкорпусные
модули, коммутирующие нагрузки 220в. Для примера приводим модуль с электромагнитным реле.
Датчик движения с интерфейсом 1-Wire
Это устройство представляет собой типовой датчик движения SRP100 с дополнительной встроенной платой.
На плате расположена микросхема DS2406P и интегральный стабилизатор для её питания.
На один канал микросхемы заведён сигнал от датчика движения, а на второй канал - концевик,
срабатывающий при открывании корпуса датчика движения. Питание датчика движения выполняется от
микросети 1-Wire.
Для того, чтобы не ограничивать пользователя использованием только датчика SRP100 и чтобы пользователь мог
по своему усмотрению выбрать датчик движения из множества вариантов исходя из своих требований,
используется специальный модуль для подключения любых датчиков движения с подобным интерфейсом.
То есть, пользователь отдельно приобретает понравившийся ему датчик движения и подключает его
к этому модулю. Единственное ограничение: чтобы датчик позволял запитывать его от
напряжения +12В и тип выходного сигнала этого датчика должен быть типа "сухой контакт"
или подобный. Модуль изготовлен на основе универсального двухканального цифрового
ввода-вывода с дополнительным встроенным стабилизатором питания +12В. На выходную колодку
этого модуля выводятся два цифровых канала и питание +12В.
Пример подключения двухканального цифрового модуля к датчику движения SRP-100
Датчик протечки воды с интерфейсом 1-Wire
Это устройство представляет собой транзисторный ключ, срабатывающий от малых токов, возникающих при попадании воды на контакты сенсорной платы. Сигнал от транзисторного ключа поступает на микросхему DS2406, а затем обрабатывается системой "Бенукс".
Датчик освещённости и влажности
Этот модуль собран на основе микросхемы DS2438. В качестве датчика освещённости используется фотодиод ФД256, а измерителем влажности является дактчик HIH-4000-004 фирмы Honeywell Inc.
Модуль аналоговых сигналов на основе DS2438
Основное назначение этого модуля - завести типовой аналоговый сигнал (0-10В) в персональный
компьютер для цифровой обработки. Источником такого сигнала может быть датчик влажности, датчик
давления (водяного, атмосферного и т.д.), датчик усилия, потребляемого тока и т.д., т.е.
любой датчик, у которого выходной сигнал имеет диаппозон от 0 до 10 вольт.
Этот модуль собран на основе микросхемы DS2438. Особенность этой микросхемы в том, что в ней
имеется два входа для аналоговых сигналов. На первый вход подаётся сигнал от 0 до +10 вольт.
На второй вход может подаваться двуполярный сигнал от -250 милливольт до +250 милливольт.
Для увеличения надо кликнуть на картинке.
Модуль-приёмник ИК-команд с передачей сигнала в 1-Wire
Это устройство даёт возможность управлять восемью устройствами на расстоянии, с помощью ИК пульта.
Сигналами с ИК пульта одна из восьми DS2401 подключается непосредственно к сети 1-WIRE.
ПК с системой БЕНУКС обнаруживает активность на шине DS2401 и подает команды на включение
или выключение устройств, а так же выполнение команд по заданному сценарию.
Система Бенукс определяет микросхему DS2401 как тип iButton, поэтому допускается использование
микросхем DS* с такими "групповыми" номерами: 01,04,06,08,09,11,12,20,35,45,55.
Тем кто любит попаять. Девайс так же можно модернизировать и сделать автономное устройство,
которое управляет всевозможными бытовыми электроприборами. Для этого вместо микросхем DS2401
нужно установить, согласно схеме, силовой каскад из симистров или реле. Тогда у Вас получится
устройство, которое управляет восемью устройствами с ИК пульта.
Примечание:
Этот модуль является отдельной разработкой одного из пользователей системы "Бенукс",
по всем вопросам обращайтесь на E-mail [email protected]
Примечания.
Во всех представленных выше устройствах микросхемы DS2406, DS2406P и DS2408 могут могут работать
либо как цифровой датчик, либо как устройство управления, в зависимости от электрической схемы
подключения. Микросхема DS2413 в системе Бенукс не используется как цифровой датчик, потому что
не поддерживает команду 1-Wire "поиск активных". Эта микросхема используется только для
устройства управления.
Схемотехника большинства устройств заимствована с сайта Московской фирмы ЭлИн.
Производители оборудования с протоколом 1-Wire
Большой выбор датчиков и устройств с 1-Wire в Интернет-магазине
www.radioseti.ru
Кроме того, в этом же магазине можно приобрести модули ESP8266 с доступом по Wi-Fi.
Более подробно о таких модулях ethernet usb (может быть использован для адаптера 1-Wire)
Миникомпьютеры серии eBox
AMD LX800
Технология достаточно старая и широко употребляемая
Изначально, выведена на рынок компанией Dallas - Все помнят таблетки для домофонов iButton- это оно
Устройство соединяется с контроллером по одному проводу (кроме общего) - отсюда название. Большое преимущество в том, что каждый чип имеет свой адрес, что позволяет термометры соединять просто параллельно
Я провел массу экспериментов с данным стандартом. Изначально, предполагая очень широко использовать его для управления Умным Домом
Хуже всего, если для управления 1-wire шиной не использовать никаких специализированных контроллеров (подключение напрямую к PIN у Arduino устройств) - в этом случае, проблемы возникают уже при длине кабеля более 3-х метров
Для моих целей такое расстояние не подходило, поэтому я использовал I2C to 1-wire мост DS2482-100
Стоимость чипа на Aliexpress менее 100 руб, чип имеет аппаратный драйвер шины с режимом strong-pullup, что в разы увеличивает надежность работы системы.
Альтернативные решения, как правило, используют USB контроллеры шины 1-Wire на основе DS2490 но это подразумевает использование компьютера в составе контура управления. По опыту, надежность комплексного решения, включающего в себя PC, операционную систему, ПО, сетевую инфраструктуру, в любом случае ниже решения, локализованного в пределах одного контроллера. Поэтому ответственные задачи регулирования я реализовывал таким образом, что это регулирование происходит автономно, контроллером.
У себя я использую шлейф длиной около 150 м.
Термометры опрашиваются, относительно, устойчиво, что позволило предельно дешево и управляемо реализовать систему управления теплыми полами. Но сбои в считывании значений датчиков присутствуют. (В особенности, когда задействовано диммирование освещения или работает приточная вентиляция с фазовой регулировкой мощности нагревательного элемента)
Контроллер опрашивает датчики циклично, поэтому, единичные сбои не влияют на функционирование.
Кроме термометров, я пробовал использовать самую разнообразную перефирию, вооружившись Datasheet - ами написав множество процедур для управления следующими чипами и устройствами на их базе:
Если коротко - себя это не оправдало
Основная проблема - все же не очень хорошая помехозащищенность
Борьба с помехами в сети 1-Wire
Это, пожалуй, самое непростое в данной технологии. Описываю свой опыт:
- Шину 1-Wire прокладывайте на расстоянии от высоковольтных проводов, трансформаторов LED освещения и проводов LED освешения (провода дают сильную помеху за счет того, что сила тока велика и используется ШИМ модулирование)
- Не надо использовать экранированную витую пару. Я проложил STP 5-й категории, но при попытке заземлить экран - связь полностью теряется. Предполагаю, что это связано с увеличением емкости проводника.
- По отзывам, невитая пара (самый дешевый двужильный провод) дает лучший результат.
- Хороший опыт - подтягивать дальний конец провода через резистор 3-4 КОм к стабилизированному фильтрованному источнику питания 5Вольт.
- Отводы от шины в 2-3 метра, в целом, не ухудшают качества работы системы, но прилично упрощают монтаж.
Для одного из проектов по автоматизации потребовалось сделать устройство, которое является подчинённым 1-Wire устройством, принимает команды от мастера и выставляет на своих выходах значение аналогового сигнала в диапазоне от 0 до 10В.
Проанализировав линейку стандартных микросхем 1-Wire от Maxim, стало ясно, что нет микросхемы, которая позволит реализовать подобный функционал.
Потому было принято решение реализовывать 1-Wire slave на микроконтроллере. Надеюсь, данный материал будет интересен и полезен людям, которые делают «умный дом» своими руками, т.к. 1-Wire достаточно популярная шина в подобных проектах. В качестве камня был выбран МК Cortex M0+ ATSAMD20G16 от Atmel, но о реализации в коде расскажем во второй части. Забегая немного вперед, скажу что в третьей части цикла пойдет речь о реализации собственного семейства устройств для линуксовой библиотеки OWFS (One Wire File System). А сегодня расскажем о некоторых аппаратных решениях, к которым мы пришли в процессе разработки.
Речь в основном пойдет о том как подключить ногу микроконтроллера к 1-Wire шине с минимальным вредом для здоровья. Будем двигаться от простого к сложному.
Преобразование уровней
Самый простой вариант - двунаправленный преобразователь уровня на транзисторе. Для него потребуется где-то брать 5В со стороны шины 1-Wire.
Первый вариант - делать 5В на своем устройстве (помимо 3.3В) для «запитки» шины. Как следствие, усложнение схемотехники.
Второй вариант - прокладывать шину 1-Wire в три провода . Третьим проводом идёт линия питания +5В. Из проблем - лишний провод, просадка напряжения на длинном проводе.
Согласование уровней
Если очень не хочется использовать +5В можно разделить сигнальную линию на 2 составляющих (вход и выход)
Важно учесть, что при такой схеме линии со стороны контроллера получаются инверсными.
В качестве бонуса, разделение линии данных на 2 части позволяет несколько упростить дальнейшую отладку софта, т.к. позволяет видеть осциллографом отдельно выходящие от нас сигналы (линия 1-Wire Tx ), не смешанные с сигналами других устройств на шине.
Повышаем устойчивость
Для того что бы сделать прием данных по 1-Wire более уверенным необходимо сделать крутые фронты импульсов со стороны микроконтроллера. Для этого воспользуемся компаратором от TI LMV331 , который обеспечит более точный и резкий переход между логическими «0» и «1», а так же гистерезис 160mV. Еще заменим выходной би-полярный транзистор BC547 на полевой IRLML6346 и поставим защитный TVS диод ESD5Z6 на 6В.
Для данной схемы компаратор потребуется запитать от 5В. Где их можно взять было сказано выше.
Развязанный 1-Wire
Для обеспечения электрической развязки шины 1-Wire и внутренней электроники устройства воспользуемся изолированным транслятором уровней ADuM1201 , и изолированным DC/DC конвертор TES 1-1211 . Как и в предыдущем случае, линию данных 1-Wire делим на 2 линии: 1W_Rx и 1W_Tx.
DC/DC конвертор с 12 на 5 вольт взят для примера, можно использовать аналогичный 3.3/5.
Остальная схемотехника
Для полноты картины покажем схемотехнику подключения микроконтроллера, а так же выходных аналоговых каналов 0-10В.
Т.к. протокол 1-Wire требует наличие уникального адреса для каждого устройства на шине, на плату ставим 1-Wire UID от Maxim DS2411 . Будучи для неё мастером шины будем считывать её UID и использовать его в качестве собственного адреса. У DS2411 код семейства 0x01 (family code - старший байт UID’а). Мы же на сайте OWFS выберем незанятый код семейства для нашего нового устройства и будем подменять первый байт.
Как уже было сказано, во второй части приступим к программной реализации протокола 1-Wire Slave.
Информационное взаимодействие с "таблетками"?логгерами iButton и любая их поддержка осуществляется посредством т.н. 1-Wire-интерфейса, разработанного в конце 90?х годов фирмой Dallas Semiconductor, которая с 2001 году является частью компании Maxim Integrated. Этот интерфейс регламентирован разработчиками для применения в четырех основных сферах?приложениях:
- обслуживание устройств, упакованных в специальные корпуса can F# (ранее MicroCAN), для решения задач идентификации, аутентификации, авторизации, защиты информации, контроля доступа, обеспечения электронных платежей, переноса или преобразования информации (технология iButton),
- программирование встроенной памяти интегральных компонентов,
- идентификация элементов оборудования и защита доступа к ресурсам электронной аппаратуры,
- элементы и системы автоматизации (технология 1-Wire-сетей).
Первое из этих направлений, связанное в том числе с обслуживанием "таблеток"?логгеров iButton, очень широко распространено в мире, как и сами устройства iButton (подробнее см. здесь). Второе с успехом обеспечивает возможность легкой перестройки функций полупроводниковых компонентов, производимых компанией Maxim Integrated и имеющих малое количество внешних выводов. Третье позволяет обеспечить недорогую, но достаточно эффективную идентификацию и надежную защиту самого разнообразного оборудования. Что касается четвертого применения, то реализация локальных распределенных систем на базе 1-Wire-сетей является оптимальным для многих практических задач автоматизации.
Так в чем же особенность этого сетевого стандарта? Ведь в качестве среды для передачи информации по 1-Wire-магистрали чаще всего возможно использование обычного телефонного кабеля и, следовательно, скорость обмена в этом случае невелика. Однако если внимательно проанализировать большинство реальных объектов, требующих автоматизации, то больше чем для 60% из них предельная скорость обслуживания в 16,3 Кбит/с будет более чем удовлетворительной. А другие преимущества 1-Wire-технологии, такие как:
- простое и оригинальное решение адресуемости абонентов,
- несложный протокол,
- простая структура магистрали,
- малое потребление компонентов,
- легкое изменение конфигурации сети,
- значительная протяженность магистрали,
- исключительная дешевизна всей технологии в целом,
Основные принципы
1-Wire-net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи 1-Wire-магистраль, состоящую из шины данных (DATA) и возвратной шины (RET). Таким образом, для реализации среды обмена этой сети могут быть применены доступные кабели, содержащие неэкранированную витую пару той или иной категории, и даже обычный телефонный шнур. Такие кабели при их прокладке не требуют наличия какого?либо специального оборудования, а ограничение максимальной протяжённость кабеля 1-Wire-магистрали регламентировано разработчиками на уровне 300 м.
Основой архитектуры 1-Wire-сетей является топология общей шины, когда каждый из абонентов подключён непосредственно к единой магистрали, без каких?либо каскадных соединений или ветвлений. При этом в качестве базовой используется структура сети с одним ведущим или мастером и многочисленными ведомыми абонентами (подробнее см. здесь).
Конфигурация любой 1-Wire-сети может произвольно меняться в процессе её работы, не создавая помех дальнейшей эксплуатации и работоспособности всей системы в целом, если при этих изменениях соблюдаются принципы организации 1-Wire-интерфейса. Эта возможность достигается благодаря присутствию в протоколе 1-Wire-интерфейса специальной команды поиска ведомых устройств (Поиск ПЗУ), которая позволяет быстро определить новых участников информационного обмена. Стандартная скорость отработки такой команды составляет ~75 узлов сети в секунду.
[Каждый из 1-Wire-компонентов имеет уникальный номер (адрес), как и денежные знаки] Благодаря наличию в составе любого устройства, снабженного 1-Wire-интерфейсом, индивидуального адреса, столь же уникального, как и номер денежной купюры (отсутствие совпадения адресов для компонентов, когда?либо выпускаемых Maxim Integrated, гарантируется самой фирмой?производителем), такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом каждый из 1-Wire-компонентов сразу готов к использованию в составе 1-Wire-сети, без каких?либо дополнительных аппаратно?программных модификаций.
1-Wire-компоненты являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми лежит управление длительностью импульсных сигналов, предаваемых по 1-Wire-магистрали, и их измерение. Передача сигналов для 1-Wire-интерфейса - асинхронная и полудуплексная, а вся информация, циркулирующая в сети, воспринимается абонентами либо как команды, либо как данные. Команды сети генерируются мастером и обеспечивают различные варианты поиска и адресации ведомых устройств, определяют активность на 1-Wire-магистрали даже без непосредственной адресации отдельных абонентов, управляют обменом данными в сети и т.д.
[Схема порта мастера 1-Wire-сети] Стандартная скорость работы 1-Wire-сети, изначально нормированная на уровне 16,3 Кбит/с, была выбрана, во?первых, исходя из обеспечения максимальной надёжности передачи данных на большие расстояния, и, во?вторых, с учётом быстродействия наиболее широко распространённых типов универсальных микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться при реализации ведущих устройств 1-Wire-сети. Эта скорость обмена может быть снижена до любой возможной, благодаря введению принудительной задержки при передаче по магистрали отдельных битов данных (т.е. растягиванию временных слотов протокола). Однако увеличение скорости обмена в 1-Wire-сети с длиной кабеля магистрали более 1 м выше значения 16,3 Кбит/с приводит к сбоям и ошибкам. Если же протяженность 1-Wire-магистрали не превышает 0,5 м, то скорость обмена может быть значительно увеличена за счёт перехода на специальный режим ускоренной передачи (Overdrive ? до 125 Кбит/с), который допускается для отдельных типов 1-Wire-компонентов. Как правило, такой режим обмена аппаратно реализован для 1-Wire-компонентов, имеющих большой объём встроенной памяти, предназначенных для эксплуатации в составе небольшой, но качественной и не перегруженной другими устройствами 1-Wire-сети. Типичным примером таких компонентов являются микросхемы семейства iButton.
[Вид оболочки пакета OneWireViewer (для боле подробного просмотра щелкните левой кнопкой мыши)] Пожалуй, особенно привлекательным качеством 1-Wire-технологии является исключительная простота настройки, отладки и обслуживания сети практически любой конфигурации, построенной по этому стандарту. Действительно, для начала работы достаточно любого персонального компьютера, недорогого адаптера 1-Wire-интерфейса, а также свободно распространяемого компанией Maxim Integrated тестового программного пакета разработчика OneWireViewer. При наличии этого небольшого числа составляющих организация функционирования 1-Wire-сети практически любой сложности, построенной на базе стандартных 1-Wire-компонентов, реализуется буквально в течении нескольких минут. Возможности, предоставляемые программным пакетом OneWireViewer, позволяют с максимальным комфортом для разработчика идентифицировать любой 1-Wire-компонент, подключённый к 1-Wire-магистрали, ведомой компьютером через адаптер, и проверить в полном объёме правильность его функционирования в составе конфигурируемой 1-Wire-сети. Организация ведущих
Компания Maxim Integrated выпускает несколько видов адаптеров, которые позволяют наделить любой персональный компьютер функциями мастера 1-Wire-сети. К ним относятся адаптеры семейства DS9097U для COM?порта и адаптеры семейства DS9490R для USB?порта. А адаптер типа DS9481R обеспечивает возможность реализации на базе компьютера мастера 1-Wire-сети по спецификации USB 2.0. Эти устройства имеют различные функциональные возможности и конструктивные особенности, что обеспечивает разработчику максимальную свободу выбора при конструировании.
Часто в качестве ведущего 1-Wire-сети выступает не компьютер, а простейший универсальный микроконтроллер. Для организации его сопряжения с 1-Wire-магистралью используются различные программно?аппаратные методы. От простейшего, когда управляющая программа контроллера полностью реализует протокол 1-Wire-интерфейса на одном из своих функциональных двунаправленных выводов, связанных с шиной данных 1-Wire-магистрали, до вариантов, позволяющих высвободить значительные ресурсы контроллера, благодаря использованию специализированных микросхем поддержки взаимодействия с 1-Wire-сетью. Такие микросхемы подключаются к процессору, играющему роль ведущего 1-Wire-сети, через периферийные узлы ввода/вывода, входящие в состав любого универсального микроконтроллера. Например, драйвера семейства DS2482 позволяют управлять 1-Wire-сетью, используя популярный микроконтроллерный интерфейс I2C. Если же мастер 1-Wire-сети должен быть организован на базе типового узла последовательного интерфейса UART микроконтроллера, используется микросхема DS2480В. Эта микросхема, также как микросхемы DS2482 и DS2483, реализует так называемый программируемый механизм активной подтяжки шины данных 1-Wire-магистрали. Использование активной подтяжки гарантирует качественную передачу сигналов в проблемных 1-Wire-сетях с протяжённой магистралью. Также применение активной подтяжки обеспечивает увеличение нагрузочной способности ведущего по количеству обслуживаемых им ведомых абонентов сети. Кстати, адаптеры семейства DS9097U для COM?порта персонального компьютера, также построены именно на базе микросхемы DS2480В. Более того, учитывая особенности современных операционных сред Windows, именно использование микросхемы?драйвера DS2480В, которая по своей сути является управляемым по последовательному интерфейсу цифровым автоматом, способным взять на себя значительную часть функций по реализации сетевого протокола, и обеспечивает полномасштабное обслуживание 1-Wire-сети в реальном масштабе времени.
Ведомые 1-Wire-компоненты
[Кристалл 1-Wire в корпусе MicroCAN] [Так выглядят кристаллы 1-Wire-компонентов] Ведомые 1-Wire-компоненты, содержащие в составе своей схемы узел 1-Wire-интерфейса, выпускаются в двух различных видах. Либо в корпусах MicroCAN, похожих внешне на дисковый металлический аккумулятор, либо в обычных корпусах для монтажа на печатную плату. Футляр MicroCAN полый внутри. Он выполняет функцию защиты содержащегося в нём полупроводникового кристалла микросхемы с узлом 1-Wire-интерфейса, который соединён с внешним миром лишь через две, изолированные друг от друга, половинки металлического корпуса, являющиеся, по существу, контактными площадками для подключения 1-Wire-магистрали. В подобных “таблеточных” корпусах поставляются устройства iButton. Компоненты, которые предназначены для использования в составе 1-Wire-сетей, упаковываются в пластиковые корпуса, используемые для изготовления транзисторов и интегральных схем. Такой подход объясняется тем, что в отличие от устройств iButton компоненты, специально ориентированные для применения в составе 1-Wire-сетей, часто имеют более двух выводов. Помимо выводов, которые требуются для обмена данными по 1-Wire-магистрали, они располагают дополнительными выводами, необходимыми для обеспечения их питания и организации внешних цепей, связывающих такие устройства с объектами автоматизации, например, датчиками или исполнительными устройствами.
К наиболее простым ведомым 1-Wire-компонентам относятся кремниевый серийный номер DS2401 (или модифицированный вариант этого устройства с внешним питанием DS2411) и электронный ключ DS2413P, управляемый по 1-Wire-интерфейсу. Первое из этих устройств часто используется в качестве электронной метки, которая позволяет идентифицировать состояние, например, механического переключателя, коммутирующего шину данных 1-Wire-магистрали. С помощью DS2413P можно дистанционно осуществить простейшие функции переключения внешнего оборудования, изменяя состояние управляемого ключа относительно возвратной шины 1-Wire-магистрали (в настоящее время ключ DS2405 уже не поставляется, поскольку доступна более функционально совершенная замена – DS2413P).
[Термометры с 1-Wire-интерфейсом применяют во многих лабораториях мира] Однако наиболее популярными ведомыми 1-Wire-компонентами, на базе которых реализовано, пожалуй, наибольшее количество практических приложений, безусловно, являются цифровые термометры типа DS18S20 (более известные до 2001 года под обозначением уже давно снятого с производства устройства DS1820, успевшего стать международным брендом). Преимущества этих цифровых термометров с точки зрения организации магистрали, по сравнению с любыми другими интегральными температурными сенсорами, а также неплохие метрологические характеристики и хорошая помехоустойчивость, уже на протяжении двух десятков лет неизменно выводят их на первое место при построении многоточечных систем температурного контроля в диапазоне от –55°С до +125°С. Такие сенсоры позволяют не только осуществлять непосредственный мониторинг температуры в режиме реального времени, но и благодаря наличию встроенной энергонезависимой памяти температурных уставок, могут обеспечивать [Внешний вид популярнейших цифровых термометров семейства DS18#2# от Maxim Integrated] приоритетную оперативную сигнализацию в 1-Wire-сети о факте выхода контролируемого параметра за пределы заданных значений. Также поставляются более совершенные термометры DS18В20, у которых скорость преобразования определяется разрядностью результата, программируемой непосредственно по 1-Wire-интерфейсу. Цифровой код, считываемый с такого термометра, является прямым результатом измеренного значения температуры и не нуждается в дополнительных преобразованиях. Некалиброванная, но в тоже время более дешёвая версия микросхемы DS18B20 под обозначением DS1822 представляется оптимальным решением для разработчиков недорогих многоточечных систем контроля температурных процессов.
До 2010 года компания Maxim Integrated также поставляла целый спектр дискретных микросхем, оснащённых 1-Wire-интерфейсом и реализующих функции отдельных элементов систем автоматизации. Среди них: четырехканальный 16?разрядный АЦП типа DS2450, двухканальный счетчик, совмещённый с буферной памятью, типа DS2423, цифровой потенциометр на 256 градаций типа DS2890, узлы часов реального времени и календаря типа DS2415 и типа DS2417, причём последнее устройство через особый вывод прерывания, обеспечивало управление по времени переключением внешнего оборудования. Однако, как показал десятилетний опыт развития 1-Wire-сетей, для реальных объектов автоматизации, 1-Wire-компоненты, исполняющие отдельные функции, [Микросистемы, содержащие множество функциональных узлов, обеспечивают эффективную поддержку управления питанием многих портативных устройств] менее востребованы по сравнению с устройствами ориентированными на реализацию сразу нескольких функций на одном кристалле. Такие решения получили название 1-Wire-микросистем. Наиболее характерным представителем 1-Wire-микросистемы является микросхема DS2438, которая помимо узла 1-Wire-интерфейса также содержит узлы: цифрового термометра, АЦП с недифференциальным входом, токовый АЦП с дифференциальным входом, программируемый таймер, Flash?память, набор регистров для хранения данных общего назначения. Весь этот арсенал в составе одного 1-Wire-компонента позволяет легко решить, например, задачу по эффективному обслуживанию и сопровождению энергетических элементов питания различных типов. В настоящее время компания Maxim Integrated выпускает более эффективные 1-Wire-микросистемы: DS2760, DS2775, DS2776, DS2777, DS2781 и т.п.
[Сдвоенный ключ DS2406 – самый универсальный и востребованный элемент 1-Wire-сетей] Тем не менее наиболее незаменимыми «кирпичиками», лежащими в основе фундамента 1-Wire-сетей автоматизации, оказались универсальные сдвоенные адресуемые транзисторные ключи типа DS2406P. На базе этих устройств может быть реализована масса применений и, прежде всего, узлы контроля логических состояний (уровней) и схемы обслуживания датчиков «сухого контакта», а также разнообразные ключевые схемы. Таким образом, именно благодаря использованию этих компонентов осуществляется сбор дискретной информации с территориально рассредоточенных датчиков (мониторов дверей, контакторов положения арматуры, любых сенсоров, имеющих выход ДА/НЕТ, как?то: датчики положения, прохода, присутствия, пожарной и охранной сигнализации и т.д.).
[Универсальный двунаправленный порт DS2408 значительно расширяет возможности 1-Wire-сетей] Однако при всём многообразии 1-Wire-компонентов, все?таки наиболее универсальным из них является уникальная микросхема DS2408. Это двунаправленный восьмиразрядный свободно поразрядно программируемый по 1-Wire-магистрали порт ввода/вывода, который позволяет реализовать любой интерфейс между всяким цифровым устройством и 1-Wire-сетью. Использование порта DS2408 позволяет посредством 1-Wire-интерфейса обеспечить простое и гибкое управление вводом/выводом по 8 независимым каналам. Таким образом, на базе этого устройства возможна организация привода светодинамических или жидкокристаллических индикаторов и дисплеев различных видов, осуществление сканирования матричных клавиатур и дискретных датчиков самых различных типов.
Если же эксплуатация 1-Wire-сети или любого иного электронного оборудования, имеющего минимум выводов для реализации обмена данными, требует обеспечения хранения дополнительных объёмов информации, в распоряжении разработчика имеются специальные 1-Wire-компоненты, содержащие только лишь узлы ЕPROM (DS2502/ DS2505/ DS2506) или EЕPROM (DS2431/ DS2432/ DS2433/ DS28E02/ DS28E04/ DS28EC20) различных объёмов. Причём некоторые из этих микросхем имеют специальные узлы механизма шифрования SHA, что позволяет довольно просто обеспечить достаточно высокий уровень криптографической защиты данных, как при их передаче, так и при их хранении. "Таблетки" iButton и 1-Wire-сеть
[На базе устройств iButton также возможно построение 1-Wire-сетей] Целый ряд компонентов семейства iButton в корпусах MicroCAN также может быть использован в составе 1-Wire-сетей в качестве ведомых абонентов, которые решают специфические задачи идентификации, преобразования, накопления, хранения и переноса информации. Например, для реализации процедуры идентификации в системах промышленной автоматизации обычно достаточно применения распространённых носимых электронных меток DS1990A. Более сложное устройство DS1904 позволяет синхронизовать работу узлов часов/календаря микропроцессорных систем. [Устройство ТЕРМОХРОН DS1921 является удобным защищённым автономным логгером] А многоточечный температурный контроль может быть выполнен сетью из нескольких “таблеток” DS1920. Если же использовать “таблетки”-логгеры DS1921/DS1922/DS1923/DS1925 или иначе устройства ТЕРМОХРОН и устройства ГИГРОХРОН, каждое из которых регистрирует или температурные значения, или значения температуры и относительной влажности, измеренные через определённые, заранее заданные, промежутки времени и сохраняет полученную информацию в собственной энергонезависимой памяти, легко построить территориально распределённую систему мониторинга микроклимата любой сложности.
Для решения проблемы переноса данных, накопленных территориально удалённой автономной 1-Wire-системой, к стационарному персональному компьютеру удобны различные типы микросхем памяти из семейства iButton, которые в этом случае играют роль так называемых «транспортных таблеток». К подобным устройствам относятся, прежде всего, устройства энергонезависимой памяти, включающие в состав своей конструкции литиевый элемент питания. Это целый ряд “таблеток”: DS1992L (1 Кбит), DS1993L (4 Кбита), DS1995L (16 Кбит), DS1996L (64 Кбита). Кроме того, для целей транспорта информации могут быть использованы устройства с памятью типа EEPROM модификаций DS1971(32 байта), DS1972(128 байт), DS1973(512 байт) и DS1977(32 Кбайта). «Транспортные таблетки» входящие в состав семейства микросхем iButton EPROM?памяти? DS1982 (1 Кбит), DS1985 (16 Кбит), DS1986 (64 Кбита), ? удобны для заполнения памяти микропроцессорных систем (например, калибровочными константами или начальными установочными значениями).
Для сопряжения устройств в корпусах MicroCAN с шинами 1-Wire-магистрали используют специальные защелки типа DS9100 или DS9098P, или же более простые зажимы типа DS9094. Однако следует учитывать, что при организации 1-Wire-сети на базе “таблеток” iButton с помощью таких приспособлений теряется весь смысл в суперзащитных свойствах их корпуса. Поскольку подобные варианты включения этих “таблеток” в состав абонентов 1-Wire-сети делают соединение в любом случае уязвимым для внешних воздействий (воды, пыли, грязи, инея и т.д.). Поэтому вопрос об организации защищённых от внешних воздействий 1-Wire-сетей, реализованных на базе устройств iButton, требует особого подхода.
Магистраль и топология 1-Wire-сети
Большую роль при построении 1-Wire-сетей играет исполнение 1-Wire-магистрали. Как правило, протяжённые 1-Wire-магистрали имеют структуру, состоящую из трёх основных проводников: DATA ? шина данных, RET (GND) – возвратная шина или земляной провод, EXT_POWER – внешнее питание не только обслуживаемых ведомых абонентов, но и внешних относительно них цепей датчиков и органов управления. В зависимости от технологии прокладки кабеля, способа его сопряжения с ведомыми абонентами, особенностей используемых приёмов монтажа и качества применяемых материалов, в соответствии с нижеследующей Таблицей, различают четыре основных варианта организации 1-Wire-сетей, каждый из которых подразумевает использование особой технологии и аксессуаров при реализации магистрали.
| Классификация 1-Wire-сети | Протяжённость кабеля магистрали | Количество ведомых абонентов | Тип используемого кабеля | Топология | Мастер 1-Wire-сети |
| Миниатюрная | До 5 м | До 10 шт | Любой | Свободная | Любой ведущий с пассивной подтяжкой (резистор к питанию) |
| Короткая | До 30 м | До 50 шт | 4-х проводный телефонный | Общая шина с патчами до 0,5 м | Адаптеры на базе дискретных компонентов DS9097E, DS1410E |
| Средняя | До 100 м | До 100 шт | Витая пара 3 категории | Строгая общая шина | Активная подтяжка (DS2480В, DS2482, DS2483 или специальное схемное решение (MAX6314)) |
| Длинная | До 300 м | До 250 шт | Витая пара 5 категории или IEEE1394 (Firewire) | Общая шина без разрыва ствола | Link или программная модификация временных слотов 1-Wire-протокола |
[Адаптер LinkUSB – наиболее эффективный привод для проблемных 1-Wire-сетей] Если же организация 1-Wire-сети на базе персонального компьютера связана с особыми трудностями (большая протяжённость кабеля магистрали, большое количество ведомых абонентов, плохое качество кабеля или сложная топология, много помех и т.д.), то наиболее оптимально использование интеллектуального адаптера для COM-порта типа Link или его аналога для USB-порта адаптера LinkUSB. Основой любого из таких адаптеров является микропроцессор, оснащённый специализированной программой управления. При этом все устройства, реализованные по технологии Link, полностью эмулируют со стороны последовательного порта работу популярного адаптера DS9097U производства Maxim Integrated. Поэтому всё программное обеспечение, ранее разработанное для поддержки адаптеров DS9097U, также подходит для взаимодействия с любым из адаптеров Link. Но главное, что благодаря собственным интеллектуальным ресурсам адаптеры Link и LinkUSB обеспечивают льготный режим работы ведомых абонентов в составе проблемных 1-Wire-сетей, в условиях сложной помеховой обстановки. Адаптеры Link и LinkUSB многократно улучшают механизм активной подтяжки шины данных 1-Wire-магистрали, что позволяет действительно получать идеальные сигналы обмена при длинах кабеля до 300 метров и числе ведомых абонентов до 250 шт. Кроме того, использование процессором Link?адаптера специальных алгоритмов цифровой фильтрации многократно улучшает устойчивость обслуживаемой им 1-Wire-сети к электромагнитным помехам, шумам и отражениям сигналов.