利用單總線傳輸數據與電源

1 概述

為滿足通信或測試的需求，常常在計算機（通常是PC機）上掛接多個傳感器或模塊，計算機與傳感器或模塊之間的信息交換一般選擇由數據線和電源線組成的多總線方式（如I2C）來實現，此外，還需要地線、參考線等。而如果沿著電纜線也能夠傳送電源的話，那么就可替代外部電源來為系統供電。一種巧妙的、從數據線上“盜電”的方法使大多數新型通信系統能夠在單總線上雙向傳送數據，并同時為遠端器件供電，這就是所謂的單總線微網。單總線系統是利用電容、二極管構成的音波整流器來為單總線器件（如識別芯片、讀/寫存儲器、可尋址開關、數字溫度傳感器等）供電。這種方式省去了額外的連線和遠端電源，同時有效降低了系統成本。更有意義是，單總線上掛接的器件具有唯一的序列號和自定時控制器，因此簡化了系統設計。

2 單總線微網

單總線微網是允許PC機或微控制器通過雙絞線與單總線器件通訊的網絡，通常為漏極開路I/O和主/從多點結構。并在數據線的靠近主機端接一個上拉電阻至5V電源，整個網絡由三部分組成。分別為主機與控制軟件、連接線與相連接器、單總線器件。圖1所示是用單總線溫度傳感器DS18B20構成的單總線微網原理圖。任何標準的微控制器，如時鐘頻率不低于1.8MHz的8051或采用115.2kbps通用異步收發器（UART）的PC機都可以作為微網的主機。該電路利用時隙的長短表示二進制的“1”或“0”，在數據速率為14.4kbps(115.2/8=14.4)時，PC機可以在7ms內查找到總線上的某個節點開始接收數據。

DS0621-SDK專業軟件開發系統內部帶有TMEX軟件（相關資料可從Maxim公司網站獲得），微網通訊協議采用CMOS/TTL邏輯電平，其中“0”電平不高于0.8V、“1”電平不低于2.2V，工作電壓范圍為2.8～6V，由單總線器件內部的二極管和電容從數據線上“盜電”提供。數據傳輸模式半雙工方式，位流（包括數據與回波）將在一對雙絞線上傳輸，雙絞線可選用廉價、通用的5類、低容性負載的非屏蔽電話線。DS9097 COM端口適配器用于RS232微網的接口。

在微網上傳送的數據通常與時隙相對應，例如，在給某單總線器件寫邏輯“1”時，主機將保持總線為低電平、且保持低電平的時間不超過15μs；在寫邏輯“0”時，主機需保持總線為低電平的時間至少為60μs，以便在最霈的條件下不產生誤碼，由于每個單總線器件均由內置振蕩提供時鐘，因此，系統不需要提供額外時鐘。圖2是通過由內置半波整流器從數據總線獲得工作電壓的電路原理圖，當數據總線被上拉至高電平時，半波整流器的二極管導通，并為800pF的電容充電。當器件為主機發送信號（邏輯“1”或邏輯“0”）時，數據線被拉至低電平，在此期間，電容上存儲的電荷將用于為芯片內部的振蕩器及控制電路供電，直到數據線恢復到2.8V以上時，整流二極管再次導通為電容被充能量。在微網系統啟動工作時，主機首先將總線置為低電平保持480μs以使系統復位；接下來主機將查詢總線上各個從機發出的在線脈沖，如圖3所示，復位脈沖后面跟隨的在線脈沖表明DS18B20已準備就諸，可以接收或發送數據。此后，主機通過呼叫從機地址及發送器件所屬家庭的特定指令即可實現主機與從機間的數據傳送。圖4是以溫度傳感器DS18B20為例說明傳送信息的時隙圖，在執行寫，主機將數據線從高電平拉至低電平，同時寫時隙被初始化，每次寫操作時間不得低于60μs，而且兩次寫操作之間應有1μs的恢復時間。DS18B30在數據線為低電平后的15μs至60μs之間從數據線上讀取數據，如果在此期間數據線為高電平，則DS18V20被寫入“1”；如果數據線與低電平，則DS18B20被寫入“0”。因此，寫“1”時，主機將數據線置低，并在15μs內釋放數據線，以使其恢復至高電平。寫“0”時，主機則將數據線置為低電平，并保持至少60μs。主機從DS18B20讀取數據的時隙與寫操作相似，可參考圖4。

單總線器件的識別碼存儲在光刻ROM內，唯一的48位序列號表示其節點地址。共有248個不同的序列號，因此，LAN上不會出現重復的節點地址，這也是微網系統優于其他現有標準網絡的一個主要特點。單總線器件的識別碼除了48位序列號外，還包括8位家庭碼和8位CRC校驗碼，8位家庭碼表示器件所屬的產品類別，如：NVRAM、EEPROM、溫度傳感器、時鐘芯片等，位于64位識別的第一字節；CRC校驗碼位于最后一個字節，是前端7個字節所包含數據的CRC校驗碼，主機根據CRC校驗碼判斷所讀取的從機址是否正確。

3 典型應用

由一臺PC機和DS9097COM端口適配器、單片DS2401硅序列號即可構成一個最簡單的微網系統，DS2401適用于身份識別和狀態檢測，如用于監測開關的通斷等。當DS2401通過一個開關連接到總線上時（圖5），主機便可利用TMEX中的查詢指令來呼叫并讀取DS2401的序列號。如果開關斷開，器件未連接到總，主機將無法得到DS2401的應答。利用這種簡單的查詢技術可確定某一實體是否存在。并可在安全監控系統中用于監測門、窗的狀態（關閉或打開）。同樣，如果把DS2401接到總線的最遠端，則可監測單部系統的完整性。如果總線上掛接有內置存儲器的單總線器件（如用內置1kb EPROM的DS2502替代DS2401），那么主機還可以讀取到有關實體的一些附加數據，這就是所謂的電子標簽識別系統，利用該系統可進行庫存管理、證件識別、人事檔案管理等。并可針對不同的自動識別應用把這些電子標簽制作成不同的外形和封裝，如不銹鋼封裝、可焊接封裝的信息鈕（iBUTTON）或密匙戒指等。

微網總線長度可達300米，總線上允許掛接數百個電子標簽，當然，實際應用中所能掛單總線器件數與主機完成一次全部在線器件的讀取操作所需要的時間有關，同時也受雙絞線物理尺寸的限制。例如，在包含有500個單總線器件的微網上，用PC機的一個CPM端口適配器執行一次查詢指令需要12秒。因為讀取時間由UART控制，因此，微處理器的時鐘速率不影響查詢時間。

IBUTTON器件可以由所建子目錄下的文件格式化，子目錄允許隨機存取文件或更改文件，且不影響其他記錄。包含存儲器的單總線芯片可存儲一些標準信息，如職員姓名、身份證號碼等，如果存儲器容量為64k，則僅用1/4的空間即可存儲等效于一張名片信息量和一張黑白身份證照片。留出的存儲空間可用來存儲醫療記錄、信用信息、保密等級等內容，這引起信息為識別系統提供了安全可靠的保證。

總之，單總線微網是一種低成本、易安裝、可實現多點通信的網絡標準。該系統一般采用PC機或微控制器作為主機，并利用兼價的雙絞線傳送數據和電源。另外，單總線器件具有唯一的序列號，它們可以始掛接在總線上，它可以脫離總線而像身份識別標簽或密匙戒指那樣被帶走。然后在需要主機讀取數據時通過專用接口組件與總線連接。由此可見，單總線微網可為倉庫管理、自動識別系統、安全防范等系統應用提供一種簡單有效的實現方案。