Основы архитектуры 1-Wire-сетей

1-Wire-net представляет собой информационную сеть, использующую для осуществления цифровой связи одну линию данных (DATA) и один возвратный (или земляной) провод (RET). 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 300 м.

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.

Рисунок 48 – Топология сети MicroLan

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 1-Wire-интерфейсом, индивидуального адреса, столь же уникального, как и номер денежной купюры (отсутствие совпадения адресов для компонентов, когда-либо выпускаемых Dallas Semiconductor, гарантируется самой фирмой-производителем), такая сеть имеет практически неограниченное адресное пространство. При этом каждый из однопроводных компонентов 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 длительностью 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, изначально нормированная на уровне 16,3 Кбит/с, была выбрана, во-первых, исходя из обеспечения максимальной надежности передачи данных на большие расстояния, и, во-вторых, с учетом быстродействия наиболее широко распространенных типов универсальных микроконтроллеров, которые в основном должны использоваться при реализации ведущих устройств 1-Wire-шины. Эта скорость обмена может быть снижена до любой возможной, благодаря введению принудительной задержки между передачей в линию отдельных битов данных (растягиванию временных слотов протокола). Увеличение скорости обмена в 1-Wire-сети выше значения 16,3 Кбит/с приводит к сбоям и ошибкам при работе на 1-Wire-магистрали длиной более 1 м. Однако если длина 1-Wire-линии не превышает 0,5 м, то скорость обмена может быть значительно увеличена засчет перехода на специальный режим ускоренной передачи (Overdrive - до 125 Кбит/с), который допускается для отдельных типов однопроводных компонентов. Как правило, такой режим обмена аппаратно реализован для однопроводных компонентов, имеющих большой объем встроенной памяти, предназначенных для эксплуатации на небольшой, но качественной и не перегруженной другими устройствами 1-Wire-линии. Типичным примером таких компонентов являются микросхемы семейства iButton.

При реализации 1-Wire-интерфейса используются стандартные КМОП/ТТЛ логические уровни сигналов, а питание большинства однопроводных компонентов может осуществляться от внешнего источника с рабочим напряжением в диапазоне от 2,8 В до 6,0 В. Причем такой источник может быть расположен либо непосредственно возле компонента (например, батарея в составе микросхем iButton), либо энергия от него может поступать по отдельной линии 1-Wire-магистрали. Альтернативой применению 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, аккумулируемой затем специальной, встроенной в микросхему емкостью. Кроме того, отдельные однопроводные компоненты 1-Wire-сетей могут использовать особый режим питания по шине данных, когда энергия к приемнику поступает непосредственно от мастера по шине DATA магистрали, при этом обмен информацией в сети принудительно прекращается.

Пожалуй, особенно привлекательным качеством 1-Wire-технологии 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 одной из свободно распространяемых фирмой Dallas Semiconductor тестовых программ: либо оболочки iButton Viewer, либо пакета разработчика OneWireViewer. При наличии этого небольшого числа составляющих организация функционирования 1-Wire-сети практически любой сложности, построенной на базе стандартных однопроводных компонентов, реализуется буквально в течение нескольких минут. Возможности, предоставляемые программами iButton Viewer и OneWireViewer, позволяют с максимальным комфортом для разработчика идентифицировать любое из ведомых однопроводных устройств на 1-Wire-линии и проверить в полном объеме правильность его функционирования в составе конфигурируемой 1-Wire-сети.

Топология сети MicroLan

Для осуществления цифровой связи MicroLAN использует одну линию данных и один возвратный провод (обычно земляной). Сеть не ограничивается заранее определенной структурой. При небольшом числе приборов сеть MicroLAN имеет шинную архитектуру с подключением всех приборов на общую магистраль. Структура сети может иметь древовидный характер. При этом главный ствол подключается к ведущему устройству сети MicroLAN (рис. 46). Сеть обладает практически неограниченным адресным пространством и допускает работу на расстоянии до 300 м без дополнительных повторителей или усилителей сигнала.

 

Рисунок 49 – Структура сети MicroLAN

В наиболее удаленной точке каждой ветви подключается микросхема iButton, служащая меткой ветви. Метка позволяет контролировать прохождение электрического сигнала и целостность ветви. Для обеспечения надежности передачи по сети MicroLAN в условиях нестабильного электрического контакта передача осуществляется в виде отдельных пакетов данных. Каждый пакет завершается контрольной суммой, что позволяет ведущему шины сразу регистрировать ошибки и принимать меры для повторной передачи.

Для подключения большого количества устройств без одновременного увеличения электрической нагрузки в сети MicroLAN применяется древовидная структура с несколькими уровнями ветвлений. Основным элементом этой структуры является адресуемый ключ. Фирма Dallas Semiconductor выпускает несколько типов адресуемых ключей.

Способ коммутации отдельных ветвей MicroLAN иллюстрируется на рис. 47. Линия данных сети подключена одновременно ко всем приборам системы. Возвратная линия находится в проводящем состоянии только для тех ветвей, которые задействованы в сеансе связи с выбранным прибором. Отметим, что в такой конфигурации возвратная линия сети MicroLAN не идентична системной «земле». Чтобы избежать «земляных петель», необходимо использовать цепи с оптронной развязкой для связи с теми участками сети, которые должны быть заземлены.

 

Рисунок 50 – Коммутация ветвей сети MicroLAN