1-wire单总线的基本原理

### 1-Wire单总线的基本原理 #### 概述 1-Wire单总线技术是由Maxim全资子公司Dallas开发的一项专有技术。与传统的串行数据通信方式（如SPI、I2C、MICROWIRE）相比，1-Wire采用了单根信号线，既用作时钟信号线也作为数据传输线，并且数据可以在该线上双向传输。这种设计的优势在于能有效减少对微控制器I/O端口的需求，简化系统结构并降低生产成本，同时也便于总线的扩展和维护。 1-Wire单总线适用于单一主机控制系统，该系统可以控制一个或多个从机设备。根据从机数量的不同，系统可分为单节点系统或多节点系统。在单节点系统中，只有一个从机设备连接到总线上；而在多节点系统中，则有多个从机设备连接到总线上。 为了更全面地介绍1-Wire单总线系统，我们将从以下三个方面进行探讨：硬件结构、命令序列和信号方式及信号类型与时序。 #### 硬件结构 1-Wire单总线硬件结构非常简单，只包含一根数据线，主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连接到这根数据线上。这种设计允许设备在不发送数据时释放数据总线，使得其他设备可以使用总线进行通信。 单总线端口通常采用漏极开路形式，其内部等效电路如下图所示。为了确保在设备不使用总线时保持高电平状态，1-Wire总线需要一个外部上拉电阻，通常建议使用大约5KΩ的电阻值。这样一来，当没有数据传输时，单总线处于高电平状态。如果需要中断当前的数据传输过程但又希望能够在稍后继续，则总线必须保持在高电平状态。只有当总线保持低电平超过480μs时，总线上的所有器件将复位。此外，在寄生电源模式下工作时，为了保证1-Wire器件在某些工作状态下（如温度转换期间、EEPROM写入等）能够获得足够的电源电流，必须在总线上提供强上拉电路。 #### 命令序列 1-Wire单总线的命令序列主要包括以下几个步骤： 1. **初始化**：此步骤由主机发起的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。复位脉冲和应答脉冲的具体时间要求将在后面详细介绍。 2. **ROM命令**：在主机检测到应答脉冲后，可以发出ROM命令。这些命令与各个从机设备的唯一64位ROM代码相关联，允许主机在多节点系统中指定操作某个特定的从机设备。ROM命令还包括检测总线上从机的数量和类型，或者是否有设备处于报警状态等功能。 3. **功能命令**：功能命令是在ROM命令之后发出的，用于实现特定的功能，比如读取温度数据等。 每次访问1-Wire器件时，必须严格遵循这一命令序列。如果序列发生错误，从机将不会响应主机。不过，对于搜索ROM命令和报警搜索命令而言，主机在执行这两条命令之后，可以直接返回初始化步骤，无需再执行功能命令。 ##### 初始化 初始化过程由主机发出的复位脉冲开始，从机响应复位脉冲后发出应答脉冲。这个应答脉冲让主机知道总线上有从机设备并且已经准备好接收指令。 ##### ROM命令 ROM命令与各从机设备的唯一64位ROM代码相关，主要用于识别和指定操作特定的从机设备。下面是几种常见的ROM命令及其应用场景： - **搜索ROM [F0h]**：用于查找总线上所有从机设备的ROM代码。在系统启动初期，主机必须通过该命令确定总线上从机的数量和类型。 - **读ROM [33h]**：适用于单节点系统，允许主机直接读取从机的64位ROM代码，无需执行搜索ROM过程。在多节点系统中使用该命令会导致数据冲突。 - **匹配ROM [55h]**：用于指定操作某个具体的从机设备。主机发出该命令并跟随64位ROM代码，只有与代码完全匹配的从机才会响应随后的功能命令。 - **跳越ROM [CCh]**：适用于单节点系统，允许主机同时访问总线上的所有从机设备。如果在多节点系统中使用该命令并跟随读暂存器命令，则会导致数据冲突。 - **报警搜索 [ECh]**：仅少数1-Wire器件支持，用于查找设置了报警标志的从机设备。 #### 信号方式及信号类型与时序 1-Wire单总线中的信号方式与时序对于正确通信至关重要。接下来将详细介绍复位脉冲、应答脉冲以及位传输等方面的要求和细节。 - **复位脉冲**：由主机发起，用于开始一次新的通信过程。复位脉冲的持续时间应足够长，以确保所有从机都能检测到信号的变化。 - **应答脉冲**：从机在检测到复位脉冲后发出，表示已准备好接收后续命令。应答脉冲的时序非常重要，必须在规定的时间窗口内完成。 - **位传输**：数据位的传输遵循特定的时序要求。主机首先发送一个位周期的低电平，然后释放总线使其回到高电平状态。从机根据需要拉低总线，以发送“0”位或保持高电平以发送“1”位。 通过以上介绍可以看出，1-Wire单总线技术在设计上注重简化系统架构、降低成本，并且具备良好的扩展性和维护性，非常适合于多种应用场景，尤其是需要节约I/O资源的场合。