Что такое 1-Wire?
Однопроводной интерфейс 1-Wire, разработанный в конце 90-х годов фирмой Dallas Semiconductor Corp., регламентирован разработчиками для применения в 3-х основных сферах-приложениях:
- приборы в специальных корпусах MicroCAN для решения проблем идентификации, переноса или преобразования информации (технология iButton),
- программирование встроенной памяти интегральных компонентов,
- системы автоматизации (технология сетей
- 1-Wire-сетей).
Если первое применение широко известно на мировом рынке, и уже давно пользуется заслуженной популярностью, а второе с успехом обеспечивает возможность легкой перестройки функций полупроводниковых компонентов с малым количеством внешних выводов, производимых фирмой Dallas Semiconductor Corp., то системы автоматизации на базе 1-Wire-шины ещё не получили должного признания. Ранее такая ситуация определялась, крайне ограниченным набором компонентов для организации применений в области автоматизации. Но, в последнее время появляется все больше сообщений и конкретных примеров использования 1-Wire-интерфейса в самых различных областях, все больше разработчиков проявляют интерес к этой технологии, что связанно, прежде всего, со значительным расширением номенклатуры однопроводных компонентов.
Так в чем же особенность этого сетевого стандарта? Ведь в качестве среды для передачи информации по однопроводной линии чаще всего возможно использование обычного телефонного кабеля и, следовательно, скорость обмена в этом случае не велика. Но, если внимательно проанализировать большинство объектов требующих автоматизации, то более чем для 60% из них предельная скорость обслуживания в 15,4 кБит/сек будет более чем удовлетворительной. А другие преимущества 1-Wire, такие как:
- простое и оригинальное решение адресуемости абонентов,
- несложный протокол,
- простая структура линии связи,
- малое потребление компонентов,
- легкое изменение конфигурации сети,
- значительная протяженность линий связи,
- исключительная дешевизна всей технологии в целом,
…говорят о необходимости обратить самое пристальное внимание на этот эффективный инструмент для решения задач комплексной автоматизации в самых различных областях деятельности.
Основные принципы
1-Wire-net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных и один возвратный (или земляной) провод. 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 провод. Такие кабели при их прокладке не требуют наличия какого-либо специального оборудования, а ограничение максимальной длины однопроводной линии регламентировано разработчиками на уровне 300м.
Основой архитектуры 1-Wire-сетей, является топология общей шины, когда каждое из устройств подключено 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. Хотя существует ряд специфических приемов организации работы однопроводных систем в режиме мультимастера.
Конфигурация любой 1-Wire-сети может произвольно меняться в процессе ее работы, не создавая помех дальнейшей эксплуатации и работоспособности всей системы в целом, если при этих изменениях соблюдаются основные принципы организации однопроводной шины. 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.
Благодаря наличию в составе любого устройства, снабженного сетевой версией 1-Wire-интерфейса, уникального индивидуального адреса (отсутствие совпадения адресов для приборов, когда-либо выпускаемых Dallas Semiconductor Corp., гарантируется самой фирмой-производителем), такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом, каждый из однопроводных приборов сразу готов к использованию в составе 1-Wire-сети, без каких-либо дополнительных аппаратно-программных модификаций. Однопроводные компоненты являются самотактируемыми полупроводниковыми устройствами, в основе обмена информацией между которыми, лежит управление изменением длительности временных интервалов импульсных сигналов в однопроводной среде 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 линии даже без непосредственной адресации отдельных компонентов, управляют обменом данными в сети и т.д.
Стандартная скорость работы 1-Wire-сети, которая составляет 15,4Кбит/сек, была выбрана, во-первых, с учетом обеспечения максимальной надежности передачи данных на большие расстояния, и, во-вторых, с учетом быстродействия наиболее широко распространенных типов микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться при реализации ведущих устройств однопроводной шины. Это значение скорости обмена может быть уменьшено до любого возможного значения благодаря введению принудительной задержки между передачей в линию отдельных битов данных (растягиванию временных слотов протокола). Или увеличено за счет перехода на специальный ускоренный режим обмена (скорость Overdrive — до 125Кбит/сек), который допускается для отдельных типов однопроводных компонентов на небольшой по расстоянию, качественной, не перегруженной другими приборами линии связи.
При реализации однопроводного интерфейса используются стандартные КМОП/ТТЛ логические уровни сигналов, а питание большинства однопроводных компонентов может осуществляться от внешнего источника с рабочим напряжением в диапазоне от 2,8В до 6,0В. Альтернативой использованию внешнего питания служит, так называемый, механизм «паразитного питания», действие которого заключается в использовании каждым из ведомых компонентов 1-Wire-линии электрической энергии импульсов, передаваемых по шине данных, которая аккумулируется специальной, встроенной в прибор емкостью. Кроме того, отдельные компоненты однопроводных сетей могут использовать режим питания по шине данных, когда энергия к приемнику поступает непосредственно от мастера по линии связи, при этом обмен информацией в сети принудительно прекращается.
Пожалуй, особенно привлекательным качеством технологии 1-Wire 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-линии, а также свободно распространяемой фирмой Dallas Semiconductor Corp. программы iButton Viewer. При наличии этого небольшого числа составляющих контроль и управление сетью практически любой сложности, построенной на базе стандартных однопроводных компонентов, организуется буквально в течение нескольких минут. Программа iButton Viewer, в этом случае, позволяет с максимальным комфортом для разработчика идентифицировать любое из ведомых однопроводных устройств на линии и проверить в полном объеме правильность его функционирования в составе конфигурируемой сети.
Организация ведущих
Отдельные виды адаптеров, которые позволяют наделить любой персональный компьютер возможностью обслуживать в качестве мастера 1-Wire-сеть, выпускаются самой фирмой Dallas Semiconductor Corp. К ним относятся адаптеры для параллельного порта типа DS1410E, для COM-порта типа DS9097E и DS9097U, для USB-порта типа DS9490R. Эти приборы имеют различные функциональные возможности и конструктивные особенности, что обеспечивает разработчику максимальную свободу выбора при конструировании. А наличие у пользователя небольших навыков в создании электронной аппаратуры, позволяет легко произвести самостоятельную сборку схемы простейшего адаптера 1-Wire-сети для компьютера из небольшого числа доступных электронных компонентов.
Часто в качестве ведущего однопроводной шины выступает не компьютер, а простейший универсальный микроконтроллер. Для организации его сопряжения с 1-Wire-сетью 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 однопроводной линией, до вариантов, позволяющих высвободить значительные ресурсы контроллера, благодаря использованию специализированных микросхем сопряжения с 1-Wire-сетью. Такие микросхемы подключаются к процессору, играющему роль ведущего однопроводной шины, через периферийные узлы ввода/вывода, входящие в состав любого универсального микроконтроллера. К примеру, устройство DS1481 предназначено для подключения непосредственно к функциональным выводам параллельного обмена контроллера.
А для организации мастера однопроводной системы на базе микроконтроллеров с 3хвольтовым питанием поставляются пассивные микросхемы DS1482, выполняющие согласование с уровнями сигналов стандартной 1-Wire-магистрали. Если же мастер однопроводной линии должен быть организован на базе стандартного узла последовательного интерфейса UART микроконтроллера, используется микросхема DS2480В, а микросхема DS2490 адаптирует однопроводную линию для работы от встроенного узла UBS-интерфейса. Обе микросхемы реализуют так называемый программируемый механизм активной подтяжки шины данных 1-Wire-магистрали, обеспечивающий качественную передачу сигналов в длинных проблемных линиях и увеличение нагрузочной способности ведущего по количеству обслуживаемых им ведомых устройств. Кстати большинство выше упомянутых адаптеров для персональных компьютеров, также построены на базе подобных микросхем. Более того, учитывая особенности работы современных операционных сред Windows, использование именно этих компонентов, которые по своей сути являются управляемыми по последовательному интерфейсу цифровыми автоматами, обеспечивает полномасштабное обслуживание однопроводных линий в реальном масштабе времени.
При построении сложных законченных микропроцессорных систем, имеющих дефицит машинного времени для реализации 1-Wire-протокола, наиболее рациональной является идея о возложении отдельной задачи по обслуживанию однопроводной линии на специальный узел заказной или полузаказной СБИС, для последующего сопряжения такого цифрового автомата, через системную магистраль, непосредственно с основным процессорным узлом. Фирма Dallas Semiconductor Corp. даже разработала набор рекомендаций по организации подобного узла под названием DS1WM, который был реализован, в том числе, специалистами Xilinx Inc. в виде законченного практического примера для программируемых перестраиваемых матриц семейств Virtex и Spartan. Более того, и Dallas Semiconductor Corp., которая в том числе известна как поставщик высокоскоростных контроллеров клона MCS51, выпускает специализированный связной микроконтроллер DS80C400, который содержит встроенный в кристалл автомат поддержки 1-Wire-протокола с возможностью реализации механизма активной подтяжки.
Достаточно перспективным представляется также направление, связанное с применением карманных компьютеров (или PDA (Personal Digital Assistant)) популярных платформ PalmOS, Handspring и WinCE/PocketPC для обслуживания однопроводных компонентов, в том числе работающих в составе 1-Wire-сетей. При этом, для подключения PDA к однопроводной шине применяют специализированные адаптеры последовательного порта, которые отличаются малым потреблением и построены на базе схемных решений, использующих выше перечисленные микросхемы сопряжения с 1-Wire-линией. Именно такой подход в настоящее время является наиболее рациональным при организации автономных и мобильных 1-Wire-систем.
Проблема подготовки программного обеспечения для управления мастером линии при обслуживании 1-Wire-сетей, также не представляется неразрешимой. Фирмой Dallas Semiconductor Corp. свободно распространяется профессиональный программный пакет разработчика iButton TMEX SDK, являющийся универсальным средством для профессиональных программистов, который значительно упрощает процесс создания программ для обслуживания однопроводных устройств, подключенных через стандартные типы адаптеров к персональным компьютерам, которые оснащены операционной системой Windows. Он содержит комплект отлаженных драйверов и утилит для реализации полномасштабного 1-Wire-протокола. В качестве среды взаимодействия с разработчиком пакет iButton TMEX SDK использует специальный стандартизованный программный API-интерфейс. Кроме того, с fttp-сервера кампании Dallas Semiconductor Corp. свободно доступен ряд примеров реализации 1-Wire-протокола для некоторых, наиболее популярных видов микропроцессоров, а также готовые библиотеки функциональных программных модулей однопроводного интерфейса для различных программных платформ.
Ведомые однопроводные компоненты
Ведомые однопроводные компоненты, содержащие 1-Wire-интерфейс, выпускаются в 2-х 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 нем полупроводникового кристалла однопроводной микросхемы, который соединен с внешним миром лишь через две, изолированные друг от друга, половинки корпуса, являющиеся по существу контактными площадками для подключения однопроводной линии. В подобных «таблеточных» корпусах поставляются, как правило, приборы 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 однопроводные приборы для 1-Wire-сетей часто имеют более 2-х выводов. Помимо выводов, которые требуются для обмена данными по однопроводной магистрали, они располагают дополнительными выводами необходимыми, для обеспечения их питания и организации внешних цепей, связывающих такие приборы с объектами автоматизации, например, датчиками или исполнительными устройствами.
К наиболее простым ведомым однопроводным компонентам относятся кремневый серийный номер DS2401 (или модифицированный вариант этого прибора с внешним питанием DS2411) и электронный ключ DS2405, управляемый по 1-Wire-интерфейсу. Первое из этих устройств часто используется в качестве электронной метки, которая позволяет идентифицировать состояние, например, механического переключателя, коммутирующего линию данных однопроводного интерфейса. С помощью DS2405 можно дистанционно осуществить простейшие функции переключения внешнего оборудования, изменяя состояние управляемого ключа относительно возвратного проводника 1-Wire-магистрали.
Но, наиболее популярными ведомыми компонентами, на базе которых реализовано, пожалуй, наибольшее количество применений, безусловно, являются цифровые термометры типа DS18S20 (более известные под обозначением снятого с производства прибора DS1820, который уже не производится, но успел 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, выводят их на первое место при построении многоточечных систем температурного контроля в диапазоне от -55°С до +125°С. Они позволяют не лишь осуществлять непосредственный мониторинг температуры в режиме реального времени, но и благодаря наличию встроенной энергонезависимой памяти температурных уставок, могут обеспечивать приоритетную сигнализацию в линию о факте выхода контролируемого параметра за пределы заданных значений. Также, поставляются более совершенные приборы DS18В20, скорость преобразования, в которых определяется разрядностью результата, которая программируется мастером линии непосредственно в ходе их обслуживания. Цифровой код, считываемый с такого термометра, является прямым результатом измеренного значения температуры и не нуждается в дополнительных преобразованиях. А их некалиброванная, но в тоже время более дешевая версия под обозначением DS1822, представляется оптимальным решением для разработчиков недорогих многоточечных систем контроля температурных процессов. Для потребителей, использующих лишь паразитный режим питания однопроводной линии, кампания Dallas Semiconductor Corp. выпускает экономичные 2-хвыводные приборы — DS18S20-PAR, DS18B20-PAR, DS1822-PAR. Российской фирмой Rainbow Technologies получен сертификат Госстандарта России об утверждении в качестве средств измерения в том числе однопроводных цифровых термометров DS1822, DS18B20, DS18S20, DS1920, производимых фирмой Maxim Integrated Products, Inc., в состав которой входит Dallas Semiconductor Corp. В подтверждение этого факта имеется документ о том, что данные типы приборов зарегистрированы в Государственном реестре средств измерений под №23169-02 и допущены к использованию в Российской Федерации.
Четырехканальный однопроводной АЦП типа DS2450 и 2-хканальный однопроводной счетчик, совмещенный с буферной памятью, типа DS2423 позволяют решать задачи, связанные с оцифровкой аналоговых и импульсно-временных сигналов. Первое из этих устройств по существу разрешает проблему обслуживания источников аналоговой информации в составе 1-Wire-сетей, к которым относится большинство выпускаемых в настоящее время датчиков различных физических величин (давление, вес, напряжение, влажность, ток, освещенность, ускорение, та же температура, но в диапазонах недоступных для регистрации посредством использования цифровых термометров и т.д.). Второй прибор может с успехом обслуживать многие виды применяемых в технике импульсных сенсоров (различные оптические счетчики, сенсоры количества оборотов, выходной сигнал с расходомеров-вертушек, емкостные датчики влажности, включенные в задающие цепи управляемых генераторов импульсов, счетчики уровня радиации, интегрирующие преобразователи напряжения в частоту и т.д.).
Но все-таки наиболее незаменимыми «кирпичиками», лежащими в основе фундамента однопроводных сетей автоматизации, являются универсальные сдвоенные адресуемые транзисторные ключи типа DS2406P (современная версия широко известных приборов DS2407P).
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 датчиков имеющих выход ДА/НЕТ, как-то датчики положения, прохода, присутствия, пожарной и охранной сигнализации и т.д.). Подобные же приборы обеспечивают управление переключением любых видов силового оборудования, которые имеют два рабочих состояния: включено/выключено (нагревателей, кондиционеров, моторов, вентиляторов, арматурных задвижек и т.д.). Кроме того, двунаправленные, индивидуально программируемые выводы DS2406P могут быть использованы для организации медленного последовательного интерфейса между локальным микроконтроллером и 1-Wire-сетью. Не смотря на невысокую скорость при реализации подобного способа обмена информацией по однопроводной сети, когда один бит данных передается за две стандартные посылки, такое решение является приемлемым и достаточно надежным для большого числа конкретных применений.
Тем не менее, самой фирмой Dallas Semiconductor Corp. в качестве стандартного «мостика» обмена между любыми схемами, построенными на микроконтроллерах различных типов, и 1-Wire-сетями рекомендуется применение специализированной 2-хпортовой статической памяти DS2404. Поскольку к массиву памяти этого прибора возможен доступ, как со стороны однопроводной шины, так и со стороны подчиненного последовательного интерфейса, управляемого микроконтроллером, обмен информацией между ведущим сети и подчиненным интеллектуальным устройством, решающим какую-либо локальную задачу, производится достаточно легко. Более того, благодаря наличию в составе микросхемы DS2404 дополнительного узла часов реального времени и календаря, возможно снабжение данных, сохраняемых процессором в общем массиве памяти, индивидуальными временными метками.
На базе узла часов реального времени кристалла DS2404 кампанией Dallas Semiconductor Corp. выпускается ещё два компонента, весьма полезных для создания однопроводных систем автоматизации. Это устройства DS2415 и DS2417. Применяя любой из этих приборов можно организовать дешевые часы/календарь с однопроводным сетевым интерфейсом. Кроме того, второе устройство благодаря наличию в его составе отдельного вывода прерывания, может также дополнительно управлять по времени переключением внешнего оборудования или обеспечивать синхронизацию работы других устройств с процессами, происходящими на 1-Wire-линии.
Значительно расширяет возможности однопроводных сетей по аналоговому управлению рассредоточенным, в том числе силовым, оборудованием цифровой потенциометр DS2890 укомплектованный сетевым 1-Wire-интерфейсом. Используя этот прибор можно создавать самые разнообразные системы удаленного безударного управления, благодаря возможности плавного изменения аналогового регулирующего сигнала по 256 градациям.
При всем многообразии однопроводных компонентов, очевидно, что наиболее универсальным из них является уникальный прибор DS2408. Это индивидуально двунаправленный восьмиразрядный свободно поразрядно программируемый по 1-Wire-шине порт ввода/вывода, который позволяет реализовать любой интерфейс между внешним устройством произвольной модификации и однопроводной линией. Этот прибор имеет двунаправленный вывод внешней синхронизации, обеспечивающий аппаратное тактирование передаваемых или принимаемых данных. Использование микросхемы DS2408 позволяет обеспечить управление посредством 1-Wire-шины: сосредоточенным двунаправленным вводом/выводом по 8 независимым каналам, приводом светодинамических, жидкокристаллических индикаторов и дисплеев различных видов, сканированием матричных клавиатур и дискретных датчиков самых различных типов, а так же позволяет реализовать действительно полномасштабный интерфейс с различными типами микроконтроллеров, как в последовательной, так и в параллельной моде.
Некоторые компоненты 1-Wire-сетей содержат в своем составе массив постоянной (однократно заполняемой пользователем) или энергонезависимой памяти того или иного объема. Это позволяет хранить специальную служебную информацию, связанную с применением конкретного компонента и особенностями его использования (идентификатор, территориальное положение, калибровочные коэффициенты, размерность, значение уставок по умолчанию и т.д.), непосредственно в составе однопроводного прибора. Благодаря этому для организации работы каждой новой однопроводной сети не нужно готовить отдельное специальное программное обеспечение, достаточно иметь одну стандартную программу, которая переконфигурируется в зависимости от специфики конкретной системы (конечно, если память всех компонентов 1-Wire-системы заполнена в соответствии с определенными, заранее оговоренными правилами). Если же в процессе работы системы требуется хранить дополнительные объемы информации, в распоряжении разработчика имеются специальные однопроводные приборы, содержащие как постоянную (DS2502/ DS2505/ DS2506), так и энергонезависимую (DS2430A/ DS2432/ DS2433) память различных объемов.
Целый ряд компонентов семейства iButton в корпусах MicroCAN также может быть использован в составе 1-Wire-сетей в качестве ведомых однопроводных устройств, которые решают специфические задачи идентификации, накопления, хранения и переноса информации. К примеру, для реализации процедуры идентификации в системах промышленной автоматизации обычно достаточно применения распространенных носимых электронных меток DS1990A. А многоточечный температурный мониторинг легко может быть выполнен сетью из нескольких приборов DS1921# или иначе устройств ТЕРМОХРОН, каждое из которых регистрирует температурные значения, измеренные через определённые, заранее заданные, промежутки времени и сохраняет полученную информацию в собственной энергонезависимой памяти, по существу, являясь программируемым «температурным магнитофоном». Для решения проблемы переноса данных, накопленных автономной 1-Wire-системой, к персональному компьютеру выпускаются разнообразные приборы iButton, которые в этом случае играют роль, так называемых, «транспортных таблеток». К подобным устройствам, прежде всего, относятся приборы энергонезависимой памяти, включающие в состав своей конструкции литиевый элемент питания. Это целый ряд «таблеток» начиная с DS1992 (1Кбит) до DS1996 (64Кбита), и среди них, конечно, модификация DS1994 (4Кбита), содержащая дополнительно узел часов реального времени, удобный для генерации временных меток сохраняемых данных или для организации автономных логгеров ресурса.
Кроме того, для этих же целей могут быть использованы приборы с электрически стираемой памятью типа EEPROM модификаций DS1971(32байта), DS1973(512байт) и DS1977(32Кбайта). При перемещении больших массивов информации «транспортную таблетку» удобно использовать совместно с адаптером USB-порта типа DS9490B, который обеспечивает высокую скорость передачи при обмене данными между устройством iButton и персональным компьютером. Если же речь идет лишь о решении задачи накопления и хранения данных в 1-Wire-сети, любая из перечисленных выше «транспортных таблеток» может быть легко включена в состав подобной сети. При этом для подключения приборов в корпусах MicroCAN к проводникам однопроводной линии используют специальные защелки типа DS9100 или DS9098P, или же более простые зажимы типа DS9094.
С точки зрения схемотехнической реализации однопроводного интерфейса и устойчивости работы на проблемных линиях все ведомые однопроводные компоненты исторически отличаются друг от друга, делясь при этом на группы:
1. DS2401, DS2405 — первые приборы с 1-Wire-интерфейсом в пластиковых корпусах, полностью аналогичны по схемотехнике первым моделям приборов iButton, которые были ориентированные для работы на коротких шинах (до 1994 года),
2. DS1820, DS2407P, DS2450, DS2404, DS2415, DS2417, DS1920 и т.д. — вторая версия, специально ориентированная для работы на длинных линиях (до 2000 года сейчас эти компоненты в основном снимаются с производства),
3. DS18S20, DS18B20, DS1822, DS2438, DS2406P, DS2409, DS2890, DS1973 и т.д. — третий вариант, более устойчивый к коллизиям на 1-Wire-магистрали по сравнению с предыдущим (с 2000 года),
4. DS2411, DS2408, DS1921#, DS1977 и т.д. — последний вариант, наиболее удачной по надежности схемотехники 1-Wire-интерфейса (c 2003 года).
Линия связи и топология
Большую роль при построении 1-Wire-сетей играет исполнение однопроводной линии связи. Как правило, такие линии имеют структуру, состоящую из 3-х основных проводников: DATA — шина данных, RET — возвратный или земляной провод, EXT_POWER — внешнее питание не лишь обслуживаемых ведомых устройств, но и внешних относительно них цепей датчиков и органов управления. В зависимости от способа прокладки, сопряжения с ведомыми устройствами и используемых при прокладке материалов, в соответствии с ниже следующей Таблицей различают три основных варианта качества организации 1-Wire-сетей, каждый из которых подразумевает использование особой технологии и аксессуаров при реализации линии.
Классификация линии
Длина линии
Количество ведомых устройств
Тип используемого кабеля
Топология
Мастер линии
Короткие линии
До 30м
До 50шт.
4-хпроводный телефонный
Свободная
Пассивная подтяжка (резистор)
Средние линии
До 100м
До 200шт.
Витая пара 5 категории
Общая шина
Активная подтяжка (DS2480, DS2490 или специальное схемное решение)
Длинные линии
До 300м
До 300шт.
IEEE1394 (Firewire)
Общая шина с единым стволом
Активная подтяжка с учетом тока в линии
Часто при организации сложных однопроводных сетей, с целью удобства проводки линии связи, уменьшения ее протяженности или снижения электрической нагрузки на линии благодаря уменьшению одновременно работающих на ней устройств, необходимо обеспечить древовидную или лучевую структуру магистрали, значительно отличающуюся от структуры общей шины. Для этого используют ветвления 1-Wire-сетей одного или нескольких уровней. Основным элементом при построении таких ветвей является либо обычный адресуемый ключ типа DS2406, который обеспечивает ветвление благодаря коммутации возвратного провода однопроводной линии, либо специализированный ветвитель DS2409, коммутирующий непосредственно шину данных 1-Wire-линии. Последний вариант является более предпочтительным т.к. компоненты на отключенной ветви, ведомой ветвителем, остаются всегда в активном состоянии. Поочередное обслуживание мастером сети каждой из ветвей, при отключенных остальных ветвях, позволяет значительно увеличить общую длину линии и количество ведомых устройств на ней.
Если же организация 1-Wire-системы на базе персонального компьютера связанна с особыми трудностями, наиболее оптимально использование интеллектуального адаптера для COM-порта типа LINK. Он реализован на базе микропроцессора. При этом, устройство, полностью эмулируя со стороны последовательного порта работу популярного адаптера DS9097U, производства Dallas Semiconductor Corp., и таким образом поддерживая все разработанное ранее для персональных компьютеров программное обеспечение, благодаря встроенным собственным интеллектуальным ресурсам реализует льготный режим работы однопроводных приборов 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 более 300 метров и числе сопровождаемых однопроводных компонентов большем 100шт, а использование процессором прибора алгоритмов цифровой фильтрации многократно улучшает устойчивость обслуживаемой однопроводной линии к электромагнитным помехам.
Применения
О признании однопроводной шины в качестве международного стандарта и серьезности отношения к этому интерфейсу со стороны маститых разработчиков и производителей электроники говорят многочисленные факты. К примеру, нет практически ни одного универсального микроконтроллера, в литературе по использованию которого не обсуждались бы способы организации на его базе мастера однопроводной линии.
Наиболее последовательно отстаивает линию на использование технологии 1-Wire-сетей в области автоматизации американская фирма Embedded Data Systems, LLC (приемница PointSix, Inc.). Можно сказать, что эта кампания сделала себе имя на внедрение и пропаганде достижений однопроводной шины в области автоматизации. И это, не смотря на то, что основной областью ее деятельности является не автоматизация оранжерей и не создание систем пожарной сигнализации, а разработка средств и систем для обслуживания высокотехнологичных отраслей машиностроения и химической промышленности, и даже создание уникального экспериментального и научного оборудования. Подтверждением этому служит широчайший спектр продукции, который выпускается фирмой (разнообразные зонды для измерения высоких и низких температур, датчики влажности, давления и кислотности с особыми функциями, специальные оптические сенсоры, платы сбора информации, устройства сопряжения с различным аналитическим оборудованием и многое другое), причем каждый из приборов содержит элементы однопроводной технологии.
К перспективным примерам в области применения 1-Wire-технологии для автоматизации, несомненно, можно отнести деятельность таких известных мировых производителей как SYSTRONIX или AAG Electronica. LLC.
Линейки законченных инструментальных средств, а также многочисленные примеры их использования, и высокий рейтинг продаж поставляемых изделий, позволяют говорить об успешности и востребованности концепции однопроводной шины применяемой этими фирмами для решения самых разнообразных проблем распределенной автоматизации.
Другим примером, наглядно демонстрирующим на практике возможности технологии однопроводной шины, является проект построения полностью автоматических метеорологических станций (1-Wire Weather Station), который разрабатывался совместно фирмами PointSix, Inc., AAG Electronica LLC, Dallas Semiconductor Corp. и Texas Weather Instruments, Inc. Вначале (еще в середине 90-х годов) было создано несколько экспериментальных систем, построенных на базе ведущего персонального компьютера с адаптером DS9097U, который является сердцем комплекса, из 3-х термометров DS18S20, выполняющих контроль температуры, микросхемы DS2438 для обслуживания датчика влажности воздуха, компонента DS2423 для определения скорости ветра и 16-ти электронных меток DS2401 определяющих его направление. Эти первые метеосистемы были установлены и успешно испытаны в процессе длительной эксплуатации в штате Техас. Причем отдельные из них комплектовались дополнительными однопроводными решениями, которые обеспечивали контроль сигналов от датчиков: барометрического давления, разрядов молнии, количества осадков на поверхности, солнечной активности, влажности почвы и т.д. Данные со всех сенсоров, регистрируемые каждой из подобных систем, поступали в персональный компьютер и через Интернет транслировались в режиме реального времени на центральный операторский пульт, где выполнялся прием и архивация данных о погоде региона, получаемый благодаря анализу информации от нескольких территориально рассредоточенных станций. После успешного завершения проекта Texas Weather Instruments Inc. уже на протяжении нескольких лет успешно торгует готовыми полностью автоматическими метеостанциями, не требующими обслуживания человеком. Причем популярность подобных устройств наслишь велика по всему миру, что фирма Dallas Semiconductor Corp. была вынуждена начать производство специализированного набора микросхем WS-1, который включает комплект однопроводных компонентов, минимально необходимый для построения подобной станции. А полную комплектацию подобных систем для многочисленных пользователей со всего мира, включая платы для самостоятельной сборки, сертифицированные механические и конструкционные элементы, выполняет фирма AAG Electronica LLC.
Довольно перспективной областью, в которой в полной мере используются преимущества технологии 1-Wire-сетей, и которой, особенно много внимания уделяет кампания Dallas Semiconductor Corp. является менеджмент автономных химических источников тока — аккумуляторных батарей. Под менеджментом здесь понимается, — прежде всего, строгая и полная идентификация источников энергии, сохранение в памяти каждого отдельного встроенного в батарею электронного устройства особенностей ее изготовления и индивидуальных технических характеристик, наиболее полный мониторинг их основных эксплуатационных параметров на протяжении всего срока службы, а также формирование корректного управляющего воздействия, связанного с восстановлением заряда обслуживаемого автономного источника энергии. От правильного менеджмента и знания истории эксплуатации батареи во многом зависит выбор алгоритма ее повторного заряда, что непосредственно связанно с эффективностью использования и сроком службы многих типов аккумуляторов. Для этого каждая из батарей многоэлементных энергетических конструкций (особенно для мобильных устройств и средств бесперебойного питания) снабжается индивидуальным однопроводным компонентом, превращаясь по существу в интеллектуальный системный элемент автономного питания. Целый ряд микросхем, выпускаемых фирмой, связан с этим направлением. Dallas Semiconductor Corp. сегодня доминирует на рынке интеллектуальных систем обслуживания автономных источников питания, исповедуя при этом новый комплексный сетевой подход к проблеме менеджмента энергетических элементов. При этом, используются 1-Wire-решения, позволяющие организовать многоточечную шину обслуживания устройств менеджмента и управления зарядом, что дает возможность сопровождать не лишь отдельные источники энергии, но и целые батареи, составленные из множества отдельных подобных элементов. Более того, подобные устройства способны обеспечить не лишь идентификацию или простейший температурный контроль аккумуляторов, но и полномасштабный мониторинг их основных параметров (напряжение, ток, разряд, контроль «короткого замыкания» и т.д.) на протяжении всего времени эксплуатации. Результаты, накопленные такими приборами, сохраняются во встроенной энергонезависимой памяти либо в виде гистограммы (DS2436), либо в виде массива последовательных отсчетов «привязанных» к временным меткам (DS2438).
В настоящее время кампания Dallas Semiconductor Corp. выпускает целый ряд прецизионный кристаллов для мониторинга, менеджмента, защиты и управления восстановлением заряда автономных источников питания самых различных типов и назначений (DS2720, DS2740, DS2751, DS2770 и т.д.). К ним, в том числе, относятся кристаллы семейства DS276#, которые в отличие от иных модификаций подобных устройств, требующих внешней обвязки с использованием прецизионных и стабильных пассивных компонентов, обеспечивают более высокую точность при контроле тока, расходуемого контролируемой батареей. Это достигается, в том числе, за счет встроенной калиброванной резистивной схемы (шунта), выполненной по специальной полупроводниковой технологии, а также благодаря наличию в составе подобных приборов специального аппаратно-программного механизма предварительной калибровки.
Ограничения и сопряжение с промышленными сетями
Безусловно, 1-Wire-сети имеют свою нишу для применения при построении систем автоматизации. Бессмысленно всерьез использовать их для передачи больших массивов информации, при построении, к примеру, систем видео-наблюдения или скоростного обмена, связанных с обслуживанием быстрых процессов, или же сравнивать возможности однопроводных сетей с такими мощными сетевыми промышленными интерфейсами, как ProfiBus, FeldBus, LonWorks, CAN, Industrial Internet и т.д. Можно даже сформулировать основные на сегодняшний день ограничения для применения систем на базе однопроводных 1-Wire-сетей в области автоматизации:
- необходимость непрерывной временной синхронизации или синхронной работы отдельных устройств в сети (эта проблема может быть решена вводом в структуру шины сети дополнительной линии для передачи сигнала общей синхронизации),
- низкая скорость обмена информацией, и как следствие невозможность высокой динамики при обслуживании быстрых процессов в режиме реального времени (если контролируемый быстрый процесс является относительно непродолжительным, локальный микроконтроллер в составе однопроводной шины может обслужить его, сохранив результирующие данные в буферной памяти, а далее уже осуществить их передачу непосредственно к мастеру),
- сложность в реализации мультимастерного режима работы сети (специализированный ветвитель 1-Wire-сетей DS2409 разрешает проблему конфликтов между несколькими ведущими на одной однопроводной шине).
Как видно из замечаний приведенных в скобках, даже эти очевидные для 1-Wire-сетей, трудности не являются непреодолимыми. Более того, существуют подходы, позволяющие органично интегрировать медленные однопроводные территориально рассредоточенные структуры в состав таких производительных сетей как CAN и Industrial Internet. Это достижимо благодаря использованию специальных аппаратно-программных решений, реализуемых на базе современных микроконтроллеров, а так же уникального инструмента кампании Dallas Semiconductor Corp. — устройства TINI (Tiny InterNet Interface).
TINI400 — это целая микросистема, основой которой является центральный процессор, реализованный на высокопроизводительном сетевом микроконтроллере DS80С400, который объединяет ресурсы целого ряда наиболее распространенных сетевых интерфейсов, как-то: RS232, 1-Wire, CAN 2.0B, Ethernet, не говоря о возможности использования параллельной шестнадцатиразрядной синхронной магистрали, а также автономных узлов для организации стандартных локальных последовательных интерфейсов I2C и SPI. Кроме того, плата TINI400 содержит 1Мбайт программной Flash-памяти, 1Мбайт статического ОЗУ, узел часов реального времени, литиевую батарею и кремниевый идентификационный номер. Работает TINI400 под управлением мощной операционной среды, которая включает в себя поддержку TCP/IP и виртуальной машины Java, которая тщательно отработана и испытана ещё на модели TINI предыдущего поколения — плате TINI390. Последнее определяется тем фактом, что технология программной поддержки для TINI390 на протяжении нескольких лет развивалась специалистами Dallas Semiconductor Corp. совместно с сотрудниками компании Sun Microsystems, Inc., являясь при этом полностью открытым проектом. Такой подход позволил иметь максимально эффективную обратную связь с конечными пользователями, что помогло выявить и устранить большинство недостатков программного обеспечения. И сейчас на сайте Dallas Semiconductor Corp. можно найти всю необходимую документацию и средства разработки программного обеспечения, что значительно облегчает построение на базе устройства TINI локальных однопроводных систем удаленного контроля и управления, объединяющих достоинства быстрых и производительных, но дорогих, и медленных, но дешевых и эффективных интерфейсов.
В заключении необходимо ещё раз отметить безусловную эффективность и рациональность использования технологии 1-Wire при построении систем автоматизации контроля и управления для разнообразного рассредоточенного оборудования, когда не требуется высокая скорость при обслуживании, но необходима существенная гибкость и наращиваемость при не высоких затратах на реализацию.