单总线技术及其应用

单总线（1~Wire Bus）技术采用单根信号线，即传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，在其线路简单、硬件开销少、成本低廉、软件设计简单方面有着无可比拟的优势。 目前常用的微机与外设串行总线主要有我们熟悉的12C总线，SPI总线，SCI总线。其中12C总线是以同步串行2线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线），SPI总线是以同步串行3线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线），SCI总线是以异步方式进行通讯（一条数据输入线，一条数据输出线）。这些总线至少需要有两条或两条以上的信号线。近年来，美国的达拉斯半导体公司（DALLAS SEMICONDUCTOR）推出了一套单总线（1-Wire Bus）技术，与上述总线不同，它采用单根信号线，即传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，在其线路简单、硬件开销少、成本低廉、便于总线的扩展和维护等优点。 单总线适用于单个主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，如图1所示， 他们之间的数据交换只通过一条数据线。当只有一个从机设备时系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，则系统按多节点系统操作。 单总线工作原理 顾名思义，单总线只有一根数据线系统中的数据交换、控制都在这根线上完成。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，这样允许设备不发送数据时释放总线，以便其他设备使用总线，其内部等效电路如图2所示。 单总线要求外接一个约4.7Ω的上拉电阻，这样当总线闲置时，状态为高电平。主机和从机之间的通信通过以下三个步骤完成：初始化1-wire器件，识别1-wire器件，交换数据。由于二者是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能答应，因此主机访问1-wire器件都必须严格遵循单总线命令序列：初始化、ROM命令、功能命令。如果出现序列混乱，1-wire器件不会响应主机（搜索ROM命令，报警搜索命令除外）。 信号方式 所有单总线器件要求遵循严格的通信协议，以保证数据的完整性。1-wire协议定义了几种信号类型：复位脉冲、答应脉冲、写0、写1、读0和读1时序。所有的单总线命令序列（初始化、ROM命令、功能命令）都是由这些基本的信号类型组成。这些信号，除了应答脉冲外都是由主机发出同步信号，并且发出的所有命令和数据都是字节的低位在前。初始化时序包括主机发送的复位脉冲和从机发出的应答脉冲主机通过拉低单总线至少480us，以产生TX复位脉冲：然后主机释放总线，并进入RX接收模式，当主机释放总线时，总线由低电平跳变为高电平时产生一上升沿，单总线器件检测到这上升沿后，延时15~60us,接着单总线器件通过拉低总线60~240us，以产生应答脉冲。主机接收到从机应答脉冲后，说明有单总线器件在线，然后主机就开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。 写1、写0和读时序。在每一个时序中，总线只能传输一位数据。所有的读写时序至少需要60us，且每两个独立的时序之间至少需要1us的恢复时间。读写时序均起始于主机拉低总线。在写时序中，主机拉低总线后保持至少60us的低电平则向单总线器件写0。单总线器件又在主机发发出读时序时才向主机传送数据，所以当主机向单总线器件发出数据命令后，必须马上产生读时序，以便单总线能传输数据。在主机发出读时序之后，单总线器件才开始在总线上发送0或1，若单总线器件发送1，则保持总线高电平，若发送0，则拉低总线。单总线器件发送之后，保持有效时间，因而，主机在读时序期间必须释放总线，并且必须在15us之中采样总线状态，从而接收到从机发送的数据。 单总线器件 我们把挂在单总线上的器件称之为单总线器件，其器件内具有控制、收/发、储存等电路。为了区分不同的单总线器件，产家生产单总线器件时要刻录一个64位的二进制ROM代码，标志着单总线器件的ID号。目前，单总线器件的主要有数字温度传感器（如DS18B20））；A/D转换器（如DS2450）门禁、身份识别器（如DS1990A）；单总线控制器（如DSIWM）等等。这里介绍一种iButton形式的单总线器件，它是利用瞬间接触进行数字通信的，这些器件应用已经渗透到货币交易和高度安全的认证系统。IButton是采用纽扣状不锈钢外壳封装的微型计算机晶片，他具有抗撞击、抗水渍、耐腐蚀、抗磁扰、防折叠、价格便宜等特点，能交好的解决传统识别器存在的不足，同时又满足系统在可靠性、稳定性方面的要求。IButton主要有三种类型，分别是Memory iButton（储存型），Java—poweredcrptograhic iButton（加密型），Thermochron iButton(温度型)，储存型iButton最大可具有64K的储存空间，可以储存数字或相片。加密型iButton是一种微处理器和高速算法加速器，可以产生大量的需要加密和解密信息的数据，它运行速度非常快，可与Internet应用相结合，并可用于远程鉴定识别。温度型iButton可以测量温度变化，内含温度计、时钟、热记录、储存单元。 单总线器应用例子 本文介绍单总线应用例子是iButton技术在安防系统上的应用，该安防系统就是利用iButton来进行门禁识别。门禁识别部分的硬件由3部分组成：主机微控制器；从机包括iButton信息读取头和iButton；三为主机通过RS485进行远程通信或MicroWeb连上Internet。 微控制器采用Microchip公司的PIC16F873芯片；API8108A 是语音芯片，用来告诉用户系统信息；iButton采用DS1990A，信息读取头使用DS9092L。当用户把iButton与信息读取头接触，iButton标识码进行比较判断，若吻合，则系统按设定要求程序工作，否则，系统给出语音提示。DS1990A与主机微控制器之间的通信软件设计流程图如图3所示。 与单总线器件通信都是通过初始化、写0、写1、读0、读1时序达到的。 基于单总线的iButton技术，能较好地解决了传统识别器普遍存在的携带不便、易损坏、易受腐蚀、易受电磁干扰等不足，可应于高度安全的门禁、身份识别领域。其通信可靠简单，很容易实现。因此单总线技术有着广阔的应用前景，是值得我们关注的一个发展领域。