Интерфейс OneWire в Arduino IDE

Интерфейс 1Wire был разработан компанией Dallas Semiconductor в конце двадцатого века, однако позже компания Dallas Semiconductor была выкуплена корпорацией Maxim Inc. Широкого и повсеместного применения (как, например, I2C и SPI) он не получил, но «навсегда останется в нашей памяти» не без помощи домофонных ключей – да-да, те самые металлические «таблетки» в основной своей массе построены на микросхеме DS1990A, которая работает по интерфейсу OneWire, да еще и с паразитным питанием (о нём поговорим позже).

Интерфейс, безусловно, привлекает необходимостью использования всего лишь одного провода данных (плюс земля питания). Несмотря на то, что интерфейс асинхронный (не имеет тактового сигнала), временные рамки импульсов имеют гигантский гистерезис (на практически все временные рамки имеется лишь минимальное значение импульса) и не требуют точного соблюдения таймингов (как в случае с UART). Определённые сложности добавляет необходимость переключать линию данных из выхода на вход и обратно, так как она – двунаправленная, но это стоит того, ведь с интерфейсом OneWire работает множество микросхем.

Также интерфейс используется в некоторых странах в качестве промышленного интерфейса передачи данных. Сам интерфейс, как аппаратный, редко встречается в микроконтроллерах, но относительно легко реализуется программно. Подключение датчиков и прочих устройств происходит по схеме «монтажное ИЛИ», соответственно в данный момент времени успешно может проходить только одна транзакция данных и только в одном направлении.

На рисунке выше показана упрощенная схема-реализация аппаратной составляющей интерфейса OneWire. Вывод данных 1Wire-устройства представляет собой вывод структуры КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, также CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), который может быть притянут транзистором к земле питания. Но транзистор не будет полностью открыт, сопротивление его канала будет равняться примерно 100 Ом. В замкнутом состоянии транзистора будет небольшой ток утечки, которым можно пренебречь.

Как вы могли заметить, с помощью транзистора шина может быть притянута к земле и только к земле. Верхняя часть моста просто-напросто отсутствует, то есть вывод представляет собой открытый коллектор. Для того, чтобы обеспечить стабильную логическую единицу на выводе, используется подтягивающий вверх резистор номиналом от 300 до 30000 Ом. Его номинал выбирается исходя из длины линии, а также исходя из максимального тока ножки устройства, которое собирается «ронять» вниз линию данных. Стандартным значением на небольшие линии данных является 4.7 Ком, напряжение питания – 3,3 – 5В (стандартные значения для большинства 1Wire-устройств). Однаком могут бытьи 12, и 24-х-вольтовые логические уровни.

На той же диаграмме подключения вы можете видеть два варианта подключения шины данных к микроконтроллеру – с использованием одной двунаправленной «ножки» или же с использованием двух разнонаправленных линий ввода-вывода. У каждого варианта есть свои плюсы и свои минусы, например, с двумя линиями легче работать, но не всегда можно найти и выделить две ножки, что особенно актуально для небольших корпусов с малым количеством ножек.

Аспекты программной реализации интерфейса:

1. Обмен всегда инициируется ведущим устройством, в нашем случае микроконтроллером.
2. Интерфейс предусматривает hotplug, то есть «горячее» подключение и отключение устройств от шины.
3. Обмен всегда начинается с импульса «reset», который генерируется мастером.
4. Обмен ведётся тайм-слотами (промежутками времени для передачи одного бита информации).
5. Данные передаются, начиная с менее значимого (младшего) бита.
6. Каждый пакет данных сопровождается контрольной суммой.

Сам сеанс обмена выглядит следующим образом:

1. Мастер шины посылает сигнал RESET.
2. Если на шине есть хотя бы одно устройство, оно отвечает на импульс, посылая свой импульс PRESENCE (этот же импульс отсылает устройство после подачи питания, получается power-upreset)
3. Ведётся передача данных
4. Передача RESET мастером (либо для досрочного прекращения обмена, либо для завершения сеанса)

На картинке ниже вы видите временную диаграмму сигналов RESETи PRESENC:

Пояснения к диаграмме:

Импульс RESET генерируется мастером – мастер прижимает шину к земле и держит её не менее 480 мкс, после чего отпускает шину, переводя вывод в высокоимпедансное состояние. Благодаря подтягивающему резистору, шина возвращается в логическую единицу, причём сделать это она должна не более, чем за 20 мкс. Эта величина во многом определяет необходимое сопротивление подтягивающего резистора, ведь он, вкупе с ёмкостью линии данных, создаёт своеобразную RC-цепочку, а ёмкость линии, как правило, поменять сложно.

По импульсу RESET ведомое устройство приводит себя в готовность и не позже 60 микросекунд отвечает мастеру импульсом присутствия (PRESENCE), удерживая линию у земли на 60-240 микросекунд. После выдачи импульса устройство отпускает шину.

Вне зависимости от длин импульсов RESET и PRESENCE, ведущее устройство должно начать обмен данными не ранее, чем через 480 мкс после подачи импульса сброса. Такой промежуток времени даётся обеим сторонам для подготовки к обмену.
Вся инициализация передачи вместе со всеми задержками и импульсами таким образом занимает 960мкс.

Отдельно рассмотрим процедуры передачи битов через тайм-слоты. Тайм-слот, буквально, – отрезок времени, последовательность логических уровней сигнала, которая используется для передачи или приёма одного бита информации по шине OneWire.

Различают 4 вида тайм-слотов – передача от ведущего, приём ведущим, передача от ведомого и приём ведомым.

Как и любой процесс на шине, тайм-слот инициируется ведущим устройством. Мастер шины переводит линию данных в низкий логический уровень и держит её в таком состоянии от 60 до 120 мкс. Между любыми двумя тайм-слотами должна быть пауза не менее 1 мкс, подробнее уточняйте у производителей микросхем в даташитах.

Естественно, тайм-слоты передачи разительно отличаются от тайм-слотов приёма, так как в первом случае ведущий просто выдаёт данные на линию, а во втором случае работает в двунаправленном режиме (генерирует тайм-слот и читает данные от ведомого).

Ниже показаны диаграммы тайм-слотов для передачи и для приёма:

Рассмотрим непосредственно передачу данных через тайм-слот. Как мы уже узнали ранее, всё, что мы можем сделать с шиной данных (как со стороны ведущего, так и со стороны ведомого), это либо прижать её к земле, либо отпустить. Так вот передача 0 заключается в удержании шины у земли в течение всего тайм-слота. Передача же единицы происходит так же с точки зрения инициации (60 – 120 мкс у земли), но устройство должно отпустить шину, выждав при этом не менее 1 мкс и не более 15 мкс с начала тайм-слота. Принимающее устройство считывает уровень, начиная с 30 мкс и заканчивая 60 мкс после начала тайм-слота (этот промежуток показан серым прямоугольником на диаграмме). Для большинства устройств OneWire характерным временем считывания является 30 мкс.

На диаграмме заштрихованной областью показана область гистерезиса, размер которой зависит от ёмкости шины и подтягивающего резистора.
Тайм-слот приёма ведущим отличается лишь тем, что после подачи инициирующего сигнала (60мкс) управление шиной на себя берёт передающее устройство (ведомое), а ведущий лишь анализирует шину на предмет битов в тайм-слотах. Все тайминги сохраняются – ведомое так же выставит уровень через 15 – 30 мкс, а ведущий считает его. Гистерезис показан штрихами. Фактически, для уверенного приёма информации бит следует считать через 14 – 15 мкс после его выставления. Этот параметр может изменяться, но рекомендуется опираться на наихудший из возможных вариантов для считывания любого возможного сигнала.

Обрисуем общую картину передачи информации. Ведущее устройство начинает обмен с ведомым с установления шины в 0 в течение 1 микросекунды. Этот этап одинаков и для передачи, и для приёма. Далее, если ведущее устройство передаёт 1, то оно отпускает линию, если же 0 – держит её до конца тайм слота (60 – 120 мкс). Если мастер принимает данные, то на 13-15 микросекунде тайм-слота он должен опросить шину на предмет принимаемого бита. После каждого тайм-слота ведущий обеспечивает микросекундную задержку.

Необходимо учесть тот факт, что будучи асинхронной шиной, OneWire всё-таки очень важны тайминги. Если «передержать» линию у земли в тайм-слоте или в паузе, то ведомое может принять этот 0 за сигнал сброса линии и досрочно прекратить обмен. Но программная составляющая точных таймингов играет такую же роль, как и аппаратная. Поэтому разработка точных и гарантированно работающих устройств с применением OneWire получается чуть сложнее, чем разработка устройств на синхронных интерфейсах.

Выполняя несложные правила, можно добиться чёткой работы шины: 

1. Промежутки времени необходимо брать в «среднем» диапазоне, то есть чуть больше, чем минимальные значения и чуть меньше, чем максимальные (если они присутствуют)
2. Сигнал от устройства необходимо считывать, опираясь на наихудший возможный сигнал.

Если вы используете шину OneWire локально, то есть все ведомые и ведущее устройство расположены на одной плате, то велика вероятность получения минимального гистерезиса и чётких фронтов сигналов на шине. Если же устройства разнесены достаточно далеко, то большое влияние будет оказывать ёмкость линии.

При использовании типового подтягивающего резистора на 4.7 КОм стабильный обмен данными шёл на расстоянии до 9 метров, а при использовании многометрового телефонного кабеля понадобилось снизить величину подтягивающего резистора до 500 Ом.

Доселе мы разбирали лишь низкоуровневые механизмы передачи данных, тогда как любой протокол передачи данных содержит две части, которые, правда, нередко имеют общее название. Так, можно сказать, что низкоуровневая передача обеспечивается так называемым физическим протоколом, тогда как далее мы рассмотри аспекты высокоуровневой передачи, когда биты будут складываться в байты информации, а байты – в пакеты данных.

По стандарту, каждое устройство 1Wire имеет свой уникальный 64-битный ID (IDentification number), который будет являться уникальным «на протяжении 20 лет при сохранении текущих темпов производства», то есть, фактически, 100% уникальным. Этот номер вбивается в устройство ещё на этапе производства.

Так как мы привыкли рассматривать ситуацию с наихудшей точки зрения, то для рассмотрения мы возьмём пример, в котором на шине имеется один мастер и n подчинённых устройств, причём n > 1. В таком случае, ведущее устройство должно сначала определить количество ведомых устройств, затем узнать их адреса на шине и только потом начинать обмен полезными данными.

Решение первой проблемы может быть представлено сложно реализуемым алгоритмом, но, как правило, в любительских радиоконструкциях редко создаются условия, когда ведущему неизвестно количество устройств на шине и их предполагаемые адреса. Сам собой напрашивается такой вариант решения – поместить адреса всех устройств в массив либо использовать их как константы при обращении к устройству.

Номера (адреса) устройств нередко нанесены как маркировка непосредственно на само устройство. Наглядным примером может быть уже упоминавшийся ключ iButton, на новом экземпляре которого явно виден его ID. Кроме номера на «таблетке» есть ещё множество информации, за которой вы можете обратиться к правообладателю зарегистрированной торговой марки iButton – Maxim Inc. (Dallas Semiconductor).

Допустим, что нам известны все ID всех n устройств на шине. Как мы будем строить наш обмен данными?

Алгоритм работы следующий:

1. Импульс RESET
2. Ожидание ответного PRESENCE
3. Подача широковещательной команды
4. Индивидуальное получение данных от каждого из устройств
5. Импульс RESET

В спецификации 1Wire оговорены команды, общие для всех сертифицированных OneWire-устройств.

Среди них нас интересуют некоторые из следующих:

Так как мы решили не применять сложный алгоритм обнаружения устройств, первая команда приведена только для ознакомления. Вторая команда может понадобиться на этапе отладки для поиска адресов ваших устройств для внесения их в массив. Третья и четвёртая найдут себе постоянное применение в нашем коде.

После того, как ведущее устройство выдаст в шину команду READROM, ведомое отдаст свой собственный 8-байтный адрес, который должен принять ведущий. Помните – любой обмен информацией должен быть прерван или завершён импульсом RESET. После выдачи команды MATCHROM, ведомые будут ждать от ведущего 8 байт адреса устройства, с которым планируется вести обмен информацией. Если вы когда-нибудь работали с параллельной шиной данных, то вот эта команда делает процесс, примерно аналогичный выставлению адреса на сигнальные линии шины и «дёрганье» сигнала WR. Все устройства на шине, приняв команду MATCHROM, ждут появления байтов адреса и сравнивают его со своим. Таким образом, остаётся одно устройство, адрес которого совпал с требуемым, а остальные отпускают линию до появления следующего сигнала RESET. Далее мы можем посылать выбранному устройству всевозможные команды, предусмотренные его спецификацией, и другие устройства на шине не будут препятствовать обмену.

Если же на шине только одно устройство, то можно не усложнять процесс и послать команду SKIPROM. Если устройство получает эту команду, оно сразу же начинает считать, что выбрано именно оно, и будет воспринимать все команды на линии. Однако, бывают такие операции, когда эта команда может пригодиться не только для одного устройства, например, если на линии висит несколько термометров DS18B20, то сигнал начала преобразования температуры можно послать всем устройствам сразу, а считывать потом, индивидуально, по адресам.

Напоминаем, что данные всегда передаются с младшего (менее значимого) бита, младшим байтом (в случае мультибайтности) тоже вперёд.

В начале статьи мы говорили об уникальном номере каждого 1Wire-девайса, давайте рассмотрим его структуру.

Как мы уже говорили, номер состоит из 64 бит информации, а именно – 1 байт кода семейства, 6 байт самого адреса и один байт контрольной суммы CRC (CyclicRedundancyCheck). Рассмотрим номер с самого младшего байта, а именно – контрольной суммы.

Контрольная сумма – специальный байт, который как бы «складывается» из предыдущих байт таким образом, что если при передаче байт не было допущено ошибки, то CRC, отправленная в пакете данных, совпадёт с CRC, рассчитанной на принимающем устройстве, будь то мастер или слейв. Мы должны обязательно учитывать этот факт и реализовать на микроконтроллере алгоритм, который рассчитает эту сумму и передаст её вместе с пакетом данных или примет от ведомого и смерит с рассчитанной. Если CRC, принятая и посчитанная, не совпадают, то считается, что пакет доставлен с ошибкой и обмен прерывается.

Из вышесказанного можно предположить, что должен быть один общий алгоритм для расчёта контрольной суммы, и он есть – описан в аппноте №27. Мы рассмотрим две реализации алгоритма – расчёт и извлечение табличных значений. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы, например, первый алгоритм займёт меньше места в программной памяти, но будет выполняться дольше, чем второй, который требует 255 байт для таблицы значений CRC.

Первый пример написан на ассемблере микроконтроллеров MCS-51. Алгоритм использует мало регистров, а значения, сумму которых надо рассчитать, поступают в аккумулятор.

Обратите внимание – для нормального функционирования кода выше необходимо обеспечить приём именно 8 байт. Если значение в ячейке CRC равно нулю после выполнения программы, то это значит, что CRC совпала, а если оно не нулевое, то в обмене произошла ошибка.

Второй пример написан на Паскале и использует таблицу заранее рассчитанных контрольных сумм. Расчёт CRC, в итоге, сводится к извлечению результата из таблицы.

Такой способ значительно проще алгоритмически, но занимает больше памяти. Заметим, что программу на Паскале можно легко перенести в Си, так как фактически у них одинаковый базовый синтаксис.

После контрольной суммы у нас идёт 6 байт адреса, о котором и сказать толком ничего нельзя. Поэтому переходим к последнему рассматриваемому байту – байту кода семейства.

Этот байт содержит в себе информацию о типе и назначении устройства, подключенного к шине; таким образом, при подключении неопознанного устройства, можно узнать, что это за устройство и даже узнать некоторые его функциональные особенности.

Ниже приведена таблица часто использующихся кодов семейств:

В скобках отмечены типы микросхем, имеющих корпус – «таблетку» (т.н. iButton).

В заключение скажем несколько слов о паразитном питании. Дело в том, что по спецификации устройства на шине OneWire могут питаться от линии данных без подключения плюса источника питания! Эта возможность широко используется в тех же ключах-таблетках DS1990 или термометрах DS18B20.

Но как же устройство будет получать питание во время передачи «0»? Для этого в устройстве должен быть установлен конденсатор с большой ёмкостью, который надо подзаряжать во время обмена – поэтому все сигналы 0 имеют такую небольшую длительность. Единственный минус такого метода – ёмкость линий даёт о себе знать, поэтому слишком длинную линию паразитное питание может «не пробить».

Собственно, вот и всё, мы завершили изучение интерфейса OneWire и теперь вы сможете с успехом применять его в своих проектах!