Протокол 1-Wire® первоначально был разработан для обмена данными между расположенными рядом устройствами при коротких соединениях как способ добавления дополнительной памяти на один вывод порта микропроцессора. Вскоре потребители нашли этому уникальное применение, которое заключалось в расширении шины и перемещении ведомых приборов всё дальше и дальше от ведущего (мастера). Проблемы начались, когда длина шины превысила как возможности мастеров шины, так и ограничения протокола. Приборы 1-Wire разрабатывались с учетом дополнительных возможностей и протоколов, способности работать в многоточечной сети, они имеют прочный стальной корпус (элементы iButton®) и обладают механизмами для обеспечения передачи достоверных данных даже в ситуациях прерывистого контакта. Несмотря на эти достоинства, компоненты 1-Wire могут работать неустойчиво, если мастер шины разработан или реализован неправильно, или когда мастер, предназначенный для работы на коротких линиях, используется для обслуживания более протяженной шины.

Сеть 1-Wire представляет собой сложную структуру, состоящую из устройств, шины и соединений. Каждая сеть отличается, причем часто как по топологии, так и по аппаратному обеспечению. Сделано много разных заявлений по поводу ограничений протяженности и нагрузки сети 1-Wire, однако не всегда четко оговаривается, при каких условиях. В результате пользователи иногда обнаруживали, что при заданной топологии шина не работает, хотя они полагали, что не выходят за рамки спецификации. Были разработаны и протестированы для одной сети специальные мастера шины только для того,  чтобы выяснить, что они не подходят для использования при другой топологии.

За последнее время была проведена большая работа для того, чтобы охарактеризовать работу сетей 1-Wire, имеющих различные формы, размеры и количество подключенных приборов. В данном руководстве сделана попытка прояснить ситуацию с многочисленными топологиями и интерфейсами, а также предоставить рабочие параметры для надёжной работы сети.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

В этом документе рассматриваются только сети 1-Wire, в которых используется медная витая пара категории 5 (Category 5) и напряжение питания шины 5 В, поступающее от мастера. (Ведомые устройства сети 1-Wire работают и при более низких напряжениях шины, но большие сети часто имеют слишком большие потери, что не позволяет им надежно работать при низком напряжении.)

В данном документе не рассматриваются особые случаи при питании криптографических iButton и iButton, поддерживающих Java™, как не рассматриваются и требования для программируемых ведомых приборов типа стираемого программируемого ПЗУ (СППЗУ — EPROM). Обычно не рекомендуется выполнение этих функций вблизи интерфейса мастера. Подробно эти вопросы будут рассмотрены в последующих руководствах.

В этом руководстве также не рассматривается ускоренный режим работы устройств 1-Wire. Ускоренный режим предназначен только для использования при очень коротких соединениях и не подходит для сетей 1-Wire. Ограничения веса и радиуса сетей при повышенных скоростях будут рассмотрены в последующих руководствах.

Работа компонентов 1-Wire в условиях, которые выходят за пределы описанных в данном руководстве, может вызвать проблемы. Существует огромное количество сочетаний типов шин, топологий и форм сигналов, которые могут использоваться с приборами 1-Wire. В этом руководстве мы попытаемся описать наиболее общие и типичные способы применения.

1- Wire и iButton являются зарегистрированными торговыми марками Dallas Semiconductor Java является торговой маркой Sun Microsystems 

ИСТОРИЯ ВОПРОСА

За последние годы было опубликовано множество различных руководств по применению, технических описаний и других документов, посвященных реализации систем 1-Wire, сведения для которых не всегда брались из официальных источников. По мере развития области, связанной с устройствами и системами 1-Wire, некоторая часть информации, содержащейся в этих документах, была пополнена, скорректирована, а иногда даже признана неверной. Некоторые ошибки могли возникнуть до того, как был закончен полный анализ больших сетей 1-Wire. Другие ошибки, возможно, основывались на недостоверной информации. С ростом области применения сетей 1-Wire, многое стало известно относительно характеристик, способствующих надёжной работе большой сети. Сами же устройства подверглись процессу эволюции, который продолжается и по сей день.

Самые ранние описания содержали в себе информацию, где, например, предлагалось использовать подтягивающие (pull-up) резисторы шины сопротивлением 5000 Ом. Хотя это значение подходит для малых сетей, оно не может обеспечить ток достаточной величины для работы больших сетей. В настоящее время нормой считаются значения в 1000 Ом, а иногда даже вспомогательные цепи активной подтяжки (pull-up). К тому же, в предыдущих описаниях часто не учитывались такие вещи, как согласование импеданса и управление скоростью нарастания напряжения, которые, как мы теперь знаем, являются критичными для надежной работы как с протяженными, так и с короткими линиями.

Недавно были завершены всесторонние исследования, целью которых было создание окончательного варианта интерфейса шины, и определение ограничений для надёжной работы сетей 1- Wire. Ставилась также задача предложить изменения в устройстве ведомых приборов для улучшения их работы. Были определены несколько вариантов топологий, собраны несколько интерфейсов мастера и написаны специальные тестовые программы для определения ограничений надежной работы сети. В данном руководстве содержится информация, полученная при этих исследованиях.

ВАРИАНТЫ ТОПОЛОГИЙ СЕТИ 1-WIRE

Хотя сети 1-Wire часто имеют структуру «свободной формы», они обычно подразделяются на несколько общих категорий, характеризующих распределение ведомых приборов 1-Wire и организацию соединяющих их проводников.

a)Линейная топология. Шина 1-Wire представляет собой одну пару, начинающуюся от мастера и продолжающуюся до самого дальнего ведомого прибора. Другие ведомые приборы присоединяются к паре вдоль ее длины, не образуя значительных (более 3 м) ответвлений или «шлейфов».

b)Шлейфовая топология. Шина 1-Wire представляет собой одну основную линию, начинающуюся от мастера и продолжающуюся до самого дальнего ведомого прибора. При этом другие ведомые присоединяются к основной линии с помощью ответвлений или шлейфов длиною три метра или более.

c)Звездообразная топология. Шина 1-Wire разделяется либо прямо около самого мастера, либо на некотором расстоянии от него, и продолжается в виде нескольких ответвлений различной длины. Ведомые приборы могут присоединяться либо вдоль, либо на концах ветвей.

В случае сочетания разных топологий гораздо сложнее становится определить действующие для данной сети ограничения. Как правило, разработчику в этом случае следует руководствоваться самыми безопасными критериями.

КОММУТИРУЕМЫЕ СЕТИ

Для того чтобы можно было усложнять структуру сети, не увеличивая её вес и радиус, были разработаны методы, в которых сеть делится на секции, подключаемые электронным способом, так что в каждый момент включена только одна. Использование коммутирующих приборов 1-Wire, например DS2409, позволяют шине физически иметь одну топологию, а электрически другую. Другими словами, сеть со звездообразной структурой, где каждое ответвление включается посредством DS2409, будет фактически напоминать сеть с линейной топологией, так как, когда включено одно ответвление, остальные выключены.

В показанном на рисунке примере представлена сеть, которая выглядит как сеть, имеющая звездообразную структуру с радиусом 150 м и весом 450 м. Однако, в том случае, когда в каждый момент времени подключена только одна ветвь, получается, что фактически сеть имеет линейную топологию, и её вес составляет только 150 м.

Как правило, все, что касается некоммутируемых сетей, можно применить к каждому отдельному сегменту коммутируемой сети.

ОГРАНИЧЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЕТИ 1-WIRE

Максимальный радиус и вес сети определяются несколькими факторами. Некоторыми из них можно управлять, другими — нет.

Интерфейс мастера оказывает значительное влияние на допустимый размер сети 1-Wire. Интерфейс должен обеспечить ток управления, достаточный для «компенсации» веса кабеля и ведомых приборов. Он также должен формировать сигнал с временными параметрами, заданными спецификацией и оптимизированными с точки зрения времени заряда и разряда в сети. Этот интерфейс должен обеспечить необходимую для согласования с сетью величину импеданса, чтобы сигналы не отражались обратно по линии, внося помехи в работу других приборов сети.

Когда сеть небольшая, приемлемы очень простые интерфейсы мастера. Значение емкости невелико, отраженные сигналы приходят слишком быстро, чтобы создавать проблему, и потери в кабели минимальны. Поэтому вполне достаточно иметь простую активную схему понижения напряжения (pulldown) — полевой транзистор на землю, и пассивную цепь повышения напряжения (pullup, или подтяжка) — резистор на плюс питания. Однако когда длина линии увеличивается, и подключается всё больше и больше приборов, начинают действовать сложные силы, и интерфейс мастера должен быть способен ими управлять.

Радиус сети ограничен временными параметрами отраженного сигнала и временем задержки, создаваемой в кабеле, а также сопротивлением кабеля и снижением уровней сигнала. При длине 750 м задержка получения отклика мастером от ведомого, расположенного на дальнем конце кабеля, превышает ограничения, установленные протоколом.

Вес сети ограничивается способностью кабеля заряжаться и разряжаться достаточно быстро для того, чтобы соответствовать нормам протокола 1-Wire. Простой подтягивающий (pullup) резистор имеет ограничение веса, составляющее около 200 м. Некоторые изобретательные разработчики мастеров шины 1-Wire сумели преодолеть эти ограничения благодаря использованию активных схем подтяжки, которые при помощи логического управления обеспечивают более высокие значения токов, и тем самым расширили допустимые пределы веса до 500 м. Но это было достигнуто за счёт значительного повышения сложности интерфейса мастера. Тем не менее, возможность управлять сетью с длиной кабеля в четыреста метров и одновременно обмениваться данными с сотней приборов семейства iButton часто стоят этих дополнительных затрат.

ПРОБЛЕМЫ ПАРАЗИТНОГО ПИТАНИЯ

Сигнал 1-Wire должен не только удовлетворять коммуникационным требованиям, но и обеспечивать рабочую мощность для ведомых приборов. Каждый ведомый «заимствует» у шины мощность, когда напряжение на ней выше, чем напряжение на внутреннем накопительном конденсаторе ведомого. Когда вес сети превышен, поступающий от мастера ток может оказаться недостаточным для поддержания рабочего напряжения на ведомыхприборах.

Самым худшим вариантом для паразитного питания является очень длинная последовательность нулей, выдаваемых мастером. Когда это происходит, большую часть времени линия находится в состоянии НИЗКОГО уровня, и существует очень маленькая вероятность перезарядки ведомых приборов. Если напряжение на шине достигает нужной величины в течение времени восстановления между битами и при этом время восстановления достаточно велико, то проблем не возникает. Когда внутреннее рабочее напряжение в ведомом приборе падает, снижается способность этого устройства управлять шиной, чтобы выдавать нули, и изменяются его временные параметры. В конце концов, когда паразитное напря