性能优异的1-Wire网络驱动器.doc

摘要：本文介绍了一种基于微控制器的1-Wire?主机接口，适用于小规模、中等规模以及大规模的1-Wire网络。采用精细的阻抗匹配和智能 (软件控制)强上拉、摆率控制等方法保证网络的可靠工作。本文给出了软件流程图，有助于用户利用任何适当的微控制器产生正确的复位脉冲、在线检测、写“1”、写“0”以及读时隙的1-Wire时序。示波器测试曲线说明了驱动器的时间特性以及远距离通信时传输线的影响。  简介 1-Wire网络的可靠性在很大程度上取决于主机与1-Wire从机器件之间所采用的通信驱动电路的性能。本文介绍了一种1-Wire主机端接口，采用精细的阻抗匹配和智能 (软件控制)强上拉等方法，保证网络在轻载到重载范围内均能可靠工作，且通信距离可达500m。关于创建可靠的1-Wire网络指南，请参见应用笔记148。 电路描述 网络驱动器(图1)由下拉部分(Q1，R1，C1，R5)和上拉部分(Q2，R2，C2，R6)组成。晶体管Q3与周围的元件(C4、R7)组成强上拉电路，可为诸如EEPROM、温度传感器等器件提供额外电源。 本文没有讨论强上拉的功能。任何时候，三个晶体管中最多只有一个处于导通状态；当1-Wire不进行通信(空闲状态)时，这三个晶体管都不导通。图1. 驱动器原理图 R4、R1和R3的串联电路提供标准的1-Wire到VCC上拉。在这种电路情况下，总的上拉电阻近似为1kΩ。当1-Wire线空闲时，则线上呈现此阻抗。由于R4与Q1的漏极相连，因此Q1导通时电流会流过该电阻，但不会影响1-Wire总线的低电平电压。1-Wire总线电压升至5V的速度是由R4+R1+R3的电阻值和1-Wire网络的负载决定的。不建议减小R4阻值，否则会导致1-Wire总线的低电平电压升高，而这不是我们所期望的。通过把肖特基二极管D1、D2分别导通至GND和VCC，抑制ESD冲击以及来自邻近电缆的耦合信号。电阻R3限制ESD电流，保护D1和D2。该驱动器一个最明显的特性就是可以在主机端实现与1-Wire电缆之间严格的终端匹配。在1-Wire网络中推荐使用5类非屏蔽双绞数据电缆，其特性阻抗约为100Ω。当Q1或Q2导通时，总线终端匹配分别通过R3与R1或R2的串联来实现。C3与R1和R3串联为在线应答脉冲提供一个交流耦合终端匹配。为了驱动器适应不同的特征阻抗电缆，需要相应地调整R1和R2。驱动器的三个部分在相应的晶体管导通时，其压摆率受到控制。当驱动器将1-Wire总线变为低电平(例如某个时序或复位脉冲的起始点)， R5和C1控制下降斜率；R6和C2限制动态上拉信号变为有效状态时的压摆率；而R7和C4限制强上拉的压摆率。这三个部分的时间常数均为0.5μs，压摆率近似为4V/μs。关于详细资料和示波器波形，请参见性能举例部分。 电路工作原理 若忽略强上拉电路(Q3, R7, C4)，驱动器要求连接三个信号至监控微控制器，这些信号分别为DRIVE、DPU和SENSE。DRIVE为高电平有效信号，它通过使 Q1导通，来启动 1-Wire通信。DPU为低电平有效信号，用来激活动态上拉晶体管Q2。SENSE是1-Wire电路与微控制器输入口之间的直连信号。1-Wire的地线与驱动器/微控制器GND共地。为了进行1-Wire通信，必须发出恰当的DRIVE信号和DPU信号，并在适当的时间内通过SENSE输入口读取1-Wire总线信号。1-Wire通信有四种波形，它们是复位/在线应答检测序列，和三种通信时隙波形。 复位/在线应答脉冲检测序列 1-Wire通信过程都是从一个复位脉冲开始，之后跟随在线应答脉冲，波形如图2所示。当需要发出复位脉冲时， DRIVE信号要变为高电平并保持从A到B的时间(参见图2)。从A点开始，1-Wire的电压缓降为0V。在B点，DRIVE信号释放，除非1-Wire器件将总线拉低以产生中断信号(参见DS1994/DS2404数据资料，中断类型2)，否则1-Wire电压开始上升。为了能正确处理这种中断，从C点开始就要对1-Wire进行重复采样，直到D点1-Wire状态变为逻辑高电平。在D点之后很短时间内，动态上拉DPU信号变为有效状态(E点)，1-Wire总线将会以更快的速度被拉至5V，动态上拉在F点结束。假定总线上存在一个1-Wire器件，它就会发出在线应答脉冲，从G点开始，到I点结束。在G与I之间的某个地方(H点)，对1-Wire状态进行采样，判定是否存在1-Wire 器件。在线应答脉冲结束后，1-Wire电压开始升至5V。在J点还要对1-Wire逻辑状态再次采样，判断是否发生了1A类中断信号(参见DS1994/DS2404数据资料)。无中断信号时，逻辑状态为高电平，从K点到L点动态上拉信号再次变为有效状态，以确保1-Wire