利用单总线传输数据与电源

1 概述

为满足通信或测试的需求，常常在计算机（通常是PC机）上挂接多个传感器或模块，计算机与传感器或模块之间的信息交换一般选择由数据线和电源线组成的多总线方式（如I2C）来实现，此外，还需要地线、参考线等。而如果沿着电缆线也能够传送电源的话，那么就可替代外部电源来为系统供电。一种巧妙的、从数据线上“盗电”的方法使大多数新型通信系统能够在单总线上双向传送数据，并同时为远端器件供电，这就是所谓的单总线微网。单总线系统是利用电容、二极管构成的音波整流器来为单总线器件（如识别芯片、读/写存储器、可寻址开关、数字温度传感器等）供电。这种方式省去了额外的连线和远端电源，同时有效降低了系统成本。更有意义是，单总线上挂接的器件具有唯一的序列号和自定时控制器，因此简化了系统设计。

2 单总线微网

单总线微网是允许PC机或微控制器通过双绞线与单总线器件通讯的网络，通常为漏极开路I/O和主/从多点结构。并在数据线的靠近主机端接一个上拉电阻至5V电源，整个网络由三部分组成。分别为主机与控制软件、连接线与相连接器、单总线器件。图1所示是用单总线温度传感器DS18B20构成的单总线微网原理图。任何标准的微控制器，如时钟频率不低于1.8MHz的8051或采用115.2kbps通用异步收发器（UART）的PC机都可以作为微网的主机。该电路利用时隙的长短表示二进制的“1”或“0”，在数据速率为14.4kbps(115.2/8=14.4)时，PC机可以在7ms内查找到总线上的某个节点开始接收数据。

DS0621-SDK专业软件开发系统内部带有TMEX软件（相关资料可从Maxim公司网站获得），微网通讯协议采用CMOS/TTL逻辑电平，其中“0”电平不高于0.8V、“1”电平不低于2.2V，工作电压范围为2.8～6V，由单总线器件内部的二极管和电容从数据线上“盗电”提供。数据传输模式半双工方式，位流（包括数据与回波）将在一对双绞线上传输，双绞线可选用廉价、通用的5类、低容性负载的非屏蔽电话线。DS9097 COM端口适配器用于RS232微网的接口。

在微网上传送的数据通常与时隙相对应，例如，在给某单总线器件写逻辑“1”时，主机将保持总线为低电平、且保持低电平的时间不超过15μs；在写逻辑“0”时，主机需保持总线为低电平的时间至少为60μs，以便在最霈的条件下不产生误码，由于每个单总线器件均由内置振荡提供时钟，因此，系统不需要提供额外时钟。图2是通过由内置半波整流器从数据总线获得工作电压的电路原理图，当数据总线被上拉至高电平时，半波整流器的二极管导通，并为800pF的电容充电。当器件为主机发送信号（逻辑“1”或逻辑“0”）时，数据线被拉至低电平，在此期间，电容上存储的电荷将用于为芯片内部的振荡器及控制电路供电，直到数据线恢复到2.8V以上时，整流二极管再次导通为电容被充能量。在微网系统启动工作时，主机首先将总线置为低电平保持480μs以使系统复位；接下来主机将查询总线上各个从机发出的在线脉冲，如图3所示，复位脉冲后面跟随的在线脉冲表明DS18B20已准备就诸，可以接收或发送数据。此后，主机通过呼叫从机地址及发送器件所属家庭的特定指令即可实现主机与从机间的数据传送。图4是以温度传感器DS18B20为例说明传送信息的时隙图，在执行写，主机将数据线从高电平拉至低电平，同时写时隙被初始化，每次写操作时间不得低于60μs，而且两次写操作之间应有1μs的恢复时间。DS18B30在数据线为低电平后的15μs至60μs之间从数据线上读取数据，如果在此期间数据线为高电平，则DS18V20被写入“1”；如果数据线与低电平，则DS18B20被写入“0”。因此，写“1”时，主机将数据线置低，并在15μs内释放数据线，以使其恢复至高电平。写“0”时，主机则将数据线置为低电平，并保持至少60μs。主机从DS18B20读取数据的时隙与写操作相似，可参考图4。

    单总线器件的识别码存储在光刻ROM内，唯一的48位序列号表示其节点地址。共有248个不同的序列号，因此，LAN上不会出现重复的节点地址，这也是微网系统优于其他现有标准网络的一个主要特点。单总线器件的识别码除了48位序列号外，还包括8位家庭码和8位CRC校验码，8位家庭码表示器件所属的产品类别，如：NVRAM、EEPROM、温度传感器、时钟芯片等，位于64位识别的第一字节；CRC校验码位于最后一个字节，是前端7个字节所包含数据的CRC校验码，主机根据CRC校验码判断所读取的从机址是否正确。

3 典型应用

由一台PC机和DS9097COM端口适配器、单片DS2401硅序列号即可构成一个最简单的微网系统，DS2401适用于身份识别和状态检测，如用于监测开关的通断等。当DS2401通过一个开关连接到总线上时（图5），主机便可利用TMEX中的查询指令来呼叫并读取DS2401的序列号。如果开关断开，器件未连接到总，主机将无法得到DS2401的应答。利用这种简单的查询技术可确定某一实体是否存在。并可在安全监控系统中用于监测门、窗的状态（关闭或打开）。同样，如果把DS2401接到总线的最远端，则可监测单部系统的完整性。如果总线上挂接有内置存储器的单总线器件（如用内置1kb EPROM的DS2502替代DS2401），那么主机还可以读取到有关实体的一些附加数据，这就是所谓的电子标签识别系统，利用该系统可进行库存管理、证件识别、人事档案管理等。并可针对不同的自动识别应用把这些电子标签制作成不同的外形和封装，如不锈钢封装、可焊接封装的信息钮（iBUTTON）或密匙戒指等。

    微网总线长度可达300米，总线上允许挂接数百个电子标签，当然，实际应用中所能挂单总线器件数与主机完成一次全部在线器件的读取操作所需要的时间有关，同时也受双绞线物理尺寸的限制。例如，在包含有500个单总线器件的微网上，用PC机的一个CPM端口适配器执行一次查询指令需要12秒。因为读取时间由UART控制，因此，微处理器的时钟速率不影响查询时间。

IBUTTON器件可以由所建子目录下的文件格式化，子目录允许随机存取文件或更改文件，且不影响其他记录。包含存储器的单总线芯片可存储一些标准信息，如职员姓名、身份证号码等，如果存储器容量为64k，则仅用1/4的空间即可存储等效于一张名片信息量和一张黑白身份证照片。留出的存储空间可用来存储医疗记录、信用信息、保密等级等内容，这引起信息为识别系统提供了安全可靠的保证。