Cетевая модель протокола MicroLan

Физический уровень

Физический уровень выполняет передачу битов по физическому каналу, в данном случае по 1-проводной шине. Протокол MicroLan использует КМОП/ТТЛ логические уровни: уровню логического нуля соответствует напряжение 0,8 В, уровню логической единицы – напряжение 2,2 В.

Канальный уровень

Канальный уровень обеспечивает передачу кадра данных между любыми узлами сети. В случае сети MicroLan передача данных возможна между ведущим шины и одним из приборов, подключенных к шине. Кроме того, данный уровень обеспечивает функции "сброса" и "обнаружения присутствия". В начале работы сети и после завершения передачи данных и команд конкретному прибору ведущий сети передает команду "сброс", которая переводит все приборы, подключенные к сети в исходное состояние. После сброса все приборы одновременно передают сигнал присутствия, который позволяет ведущему шины сделать вывод о том, что к сети подключен хотя бы один прибор, – так как сеть MicroLan может динамически изменять структуру, то может оказаться, что подключенных приборов нет.

Сетевой уровень

Сетевой уровень обеспечивает доставку данных между любыми двумя узлами сети, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных. Этот уровень обеспечивает идентификацию приборов на шине MicroLan. Приборы идентифицируются с помощью уникальных серийных номеров, хранящихся в специальной области ПЗУ, которая имеется в каждом приборе сети MicroLan.

Транспортный уровень

Транспортный уровень обеспечивает передачу данных между любыми узлами сети с требуемым уровнем надежности. На этом уровне осуществляется передача данных и команд от ведущего шины MicroLan к подключенным приборам. Данные кодируются с помощью 8-битного циклического избыточного кода, что позволяет выявить ошибки при передаче команд и данных и исправить их путем повторной передачи.

Компоненты и их влияние на работу сети MicroLAN

Соединительный кабель

При большой длине кабеля, он оказывает влияние на распространение сигнала. Это особенно ощутимо, когда время распространения сигнала по кабелю сравнимо с длительностью фронтов. Если на обоих концах кабеля не обеспечена соответствующая нагрузка, это может привести к значительному искажению фронтов сигнала и выбросу на его вершине.

Кабель характеризуется погонной емкостью, индуктивностью и активным сопротивлением. Эти параметры определяют характеристический импеданс кабеля, демпфирование сигналов и скорость их распространения. Погонное сопротивление и индуктивность, как правило, незначительны и ими можно пренебречь. Погонная емкость, значение которой обычно лежит в диапазоне от 30 до 100 пФ/м, вносит существенный вклад в суммарную емкость сети.

Потери на активном сопротивлении кабеля приводят к нарушению логических уровней сигналов. Дополнительные потери создают узлы ветвления и подключенные к ним ключи. Однако основным фактором, ограничивающим максимальную протяженность сети, является емкость кабеля и цепи «паразитного питания» микросхем. Совокупность всех влияний приводит к необходимости введения временной задержки порядка нескольких миллисекунд, прежде чем станет возможным начало обмена по сети MicroLAN. При подключении каждой новой ветви также понадобится временная задержка порядка 1 мс на время зарядки конденсаторов «паразитного питания» вновь подключенных микросхем. После этого, времени восстановления будет достаточно для пополнения запаса энергии, использованной во время предыдущего цикла.

Структура с открытым стоком

Сеть MicroLAN использует конфигурацию с открытым стоком (монтажное «и») и с пассивным резистором, включенным в цепь питания 5 В. Связь выполняется во временных интервалах 60 мкс на бит, плюс небольшое время восстановления между отдельными временными интервалами. Благодаря низкому импедансу активных цепей генерации логического «0», время спада сигналов достаточно мало (~1 мкс). Время нарастания сигнала определяется произведением сопротивления нагрузочного резистора и суммарной емкости всех активных ветвей сети, включая емкость самого кабеля и входную емкость всех приборов.

Максимальное напряжение высокого уровня в сети определяется величиной нагрузочного резистора и суммарным током утечки всех приборов на активных сегментах сети. Количество приборов на линии обратно пропорционально напряжению на нагрузочном резисторе. При увеличении падения напряжения на нагрузочном резисторе, соответственно увеличивается и время, необходимое для того, чтобы напряжение на линии достигло уровня логической единицы 2,2 В и минимального рабочего напряжения 2,8 В. Время нарастания сигнала может быть снижено путем уменьшения сопротивления нагрузочного резистора, использования кабеля с меньшей емкостью или уменьшения нагрузки на активных ветвях сети. Однако сопротивление нагрузочного резистора не должно быть меньше 1,5 кОм. Использование резистора более низкого номинала приведет к увеличению напряжения низкого логического уровня и снизит помехозащищенность. В наиболее критичных ситуациях для обеспечения необходимых параметров сигналов на шине и достижения максимальной помехозащищенности может использоваться активный драйвер, оснащенный схемой подавления эха.

Адресуемые ключи

Адресуемый ключ является основным компонентом для образования ветвей сети. Он представляет собой трехвыводное устройство с выходным полевым транзистором с открытым стоком, управляемым по 1-проводной шине. Во включенном состоянии сопротивление транзистора обычно составляет около 15 Ом, в выключенном ~10 МОм. Из-за низкого, но не нулевого сопротивления открытого транзистора каждый ключ на пути к конкретному устройству в сети создает небольшое падение напряжения около 30 мВ (15 Ом x 2 мА при нагрузочном резисторе 2,5 кОм, подключенном к напряжению питания +5 В). Чем больше ключей включено на пути, тем выше напряжение логического «0» при чтении данных ведущим шины. Адресуемый ключ почти не влияет на уровень логической «1», лишь добавляя нагрузку на шине, как и любой другой компонент в активных ветвях.

Если ветвь сети MicroLAN отключена путем перевода адресуемого ключа в состояние с высоким выходным сопротивлением, все устройства на этой и всех дочерних ветвях отключены от источника «паразитного питания». Адресуемые ключи теряют свое состояние. Если отключить ветвь от сети более чем на 1 секунду, а затем включить снова, то все ключи будут установлены в состояние с выключенным выходным транзистором. Из-за «паразитного питания» включение питания вызовет кратковременное падение напряжения на 1-проводной шине, пока конденсаторы питания приборов на подключенной ветви не зарядятся полностью.

Если адресуемые ключи на ветвях используются для включения/выключения оборудования по сети MicroLAN, то для поддержания работоспособности оборудования на отключенных ветвях должен использоваться интерфейс с оптронной развязкой.

Адресуемый ключ DS2405 представляет собой N-канальный полевой транзистор с открытым стоком и выходным током 4 мА, переключающийся при совпадении 64-бит регистрационного номера с передаваемым по шине адресом. Связь с устройством осуществляется по стандартному протоколу MicroLAN. Выходной ключ каждого прибора может устанавливаться в открытое или закрытое состояние, независимо от количества микросхем, подключенных к линии. Выход каждого прибора может быть отдельно считан ведущим шины.

Микросхема DS2405 применяется для управления ветвями сети, а также в качестве переключателя индикаторов и внешних транзисторов. Поскольку DS2405 может определить состояние логического уровня в месте своего подключения, он может использоваться в качестве дистанционного датчика состояния различных переключателей или, вместе с внешним силовым транзистором, управлять электромагнитом или двигателем.

Выходное состояние прибора управляется внутренним триггером. Если триггер взведен, то выходной полевой транзистор устанавливает на выходе низкий уровень. Выходное состояние внутреннего триггера и уровень на выходе ключа могут быть считаны соответствующими командами. Так как включенный транзистор устанавливает на выходе низкий уровень, то для использования микросхемы в качестве детектора выходного уровня транзистор должен быть выключен.

Адресуемый ключ DS2407 содержит два N-канальных полевых транзистора с открытым стоком и улучшенными выходными параметрами (50 мА и 13 В в канале А и 8 мА и 6,5 В в канале В). В состав прибора входит также ЭППЗУ, объемом 1024 бит для хранения информации пользователя. Помимо основных команд протокола MicroLAN, микросхема поддерживает команду «условный поиск» для идентификации и доступа к приборам, которые определяются по условиям пользователя («паразитное питание»). При установке микросхемы в боковых ветвях сети, где время отключения от ствола может быть очень большим, для поддержания работоспособности прибора вывод Vcc подключается к внешнему источнику питания. Структурная схема прибора приведена на рис. 49.

 

Рисунок 56 – Структурная схема DS2407

Соединитель DS2409 является важнейшим элементом для построения и управления сетями MicroLAN с многоуровневым ветвлением. В отличие от адресуемых ключей, где коммутируется земляной провод, соединитель DS2409 поддерживает конфигурацию с общей «землей» для всей сети и обеспечивает питание отключенных сегментов сети. Это упрощает подачу питания к дополнительно подключаемым приборам и предотвращает потерю состояния приборов с «паразитным» питанием. Применение этой микросхемы позволяет также избежать прекращения передачи данных, вызванное приборами с «паразитным» питанием при активации ветви. Так как DS2409 не имеет программируемой пользователем памяти, то для отметки ветви можно подключать память любого прибора 1-Wire к дополнительному (auxiliary) выводу соединителя. Как основной, так и дополнительный выводы DS2409 управляются командой «интеллектуальное включение» (smart-on). Эта команда формирует последовательность сброс/присутствие на выбранном выходе до того, как электронный ключ разорвет соединение с 1-проводной шиной. Благодаря этому, ведущий шины может использовать команды сетевого уровня для работы с приборами активизированного сегмента, в то время как остальные приборы сети остаются в отключенном состоянии. Это значительно ускоряет анализ топологии постоянно изменяющейся сети. Применение соединителя позволяет ведущему шины определять подключение приборов на неактивных ветвях сети с помощью команды условного поиска. Пример использования соединителя DS2409 приведен на рис. 50.

 

Рисунок 57 – Применение прибора DS2409 в конфигурации с одним стволом и несколькими ветвями