传感器接口

1-wire温度传感器LTM8877接口

1-wire的原理及工作过程：

1-wire总线仅用一根数据线与外围设备进行信息的交互，工作电源完全从总线上获取，不需要单独的电源支持，允许直接插入热/有源设备；宽广的工作范围（2.8V~5.25V，-40~+85）；每个器件都有通过工厂光刻的64位ROM

ID，是唯一的识别，它存储在只读的ROM中。通过唯一的64位器件序列号和网络操作协议，1-wire存储器允许挂接在同一条1-wire总线上，并可独立工作，主控制器通过每个器件的唯一的ROM ID来识别与之通信的从设备。ROM ID由8位校验码，48位序列号和8位家族码组成，家族码标示了此1-wire设备的类型，序列号标示此设备的ID，校验码用于保证通信的可靠性。1-wire设备在工作时不能主动发送数据，只有在主控器对其进行命令指示时才会响应。通常的1-wire设备都有两套命令，一套命令操作设备内部的ROM，包括读，匹配，搜索等命令，但不包括写命令。ROM中的内容由厂家写入，用户不得更改，通信时，总线控制器先发出一个“复位”信号以使总线同步，然后选择受控制器件进行随后的通信。既可以通过选择一个特定的受控器件（利用该设备的ROM ID进行选择）或者通过半搜索法找到总线上的下一个受控件来实现，也可以选择所有的受控器件，一旦一个特定的器件被选中，那么在总线控制器发出下一次“复位”信号之前，所有的其他器件都被挂起而忽略随后的通信。如果1-wire从设备与主控制器尚未建立连接，则不能进行数据的传输；一旦成功建立，1-wire从设备将数据线置为低电平，以此通知主控制器已经建立了连接，等待接收命令，这个脉冲称为在线脉冲。主控制器也可以通过发送“复位”信号使数据线变为低电平。当从设备接收到“复位”信号时，通过检测数据线的电平状态，可在数据线变为高电平后立即发出一个在线脉冲。主设备和从设备之间的通信是半双工的双向通信。

小结一下，所有的1-wire通信器件所使用的不同的API有着共同的特性，这反映出源于协议的信息交换的原理，下面通过不同API功能进行分类：大多数的1-wire器件具有存储器，尽管存储器的输入输出功能并不适用于所有器件，但我们还是把它们分为一个通用的API集。

（1） 会话功能

分时使用总线。当多项操作在同一器件上运行而不能被打断时，需要独占总线的使用权。

（2） 链路

基本的1-wire总线通信功能。所有的1-wire总线的通信功能可以归结为：复位所有的器件和读写位。

（3） 网络

查找和选择器件的网络功能。每一个1-wire总线器件都有一个固定的序列号，作为它的唯一的网络地址。

（4） 传输

块通信和基本的存储器读/写功能。

所谓一总线，就是把地址线，数据线和控制线合为一条线，可以在总线上挂接多个1-wire器件，可以节省I/O口，便于总线扩展，1-wire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。当多个从机位于总线上时，系统按照多节点系统操作。1-wire是一种总线连接方式传输，只需在总线上接上符合标准的1-wire器件，按照1-wire的时序去操作它。

1-wire的整体结构与特点：

图1

（1）这里指的单总线，即就是一根数据线，系统中的数据交换，控制都由这根线完成。从机通过一个漏极开路或三态端口连接至该数据线，以允许设备在不发送时，能够释放总线，而让其它设备使用总线。

（2）单总线通常要求外接一个约为4.7KΩ的上拉电阻，保证在总线闲置时，总线上的状态为高电平。

（3）主机和从机之间的通信通过3个步骤完成的，分别是初始化1-wire器件、识别1-wire器件和交换数据。

（4）由于它们是主从结构，只有主机呼唤从机时，从机才应答，因此主机在访问1-wire器件时，都必须严格遵循单总线命令。即初始化，ROM命令，功能命令。

根据以上要求，我们知道要构建一个1-wire总线系统，至少要有两部分，在一条总线上连接一个主控器（CPU）+多个从机设备（1-wire器件）。1-wire系统有：硬件配置，处理流程和1-wire信令（信号类型和时钟）。

1-wire的主机配置

在应用1-wire技术时，需要通过1-wire主机发送信号来识别总线上的器件并与它们通信。构建一个1-wire主机的方法有很多，下面讨论嵌入式的应用主机。

1-wire主机控制器，它们均与1-wire从器件通信。1-wire主机控制器不能作为单独的主体，需要一个主机（计算机）告诉它们在1-wire侧如何工作。主机接口是指1-wire主控器和“系统中更高级的指挥官”（主机）之间的连接类型。

工作电压

通常情况下，1-wire器件的工作电压范围为2.8V~5.25V之间。当1-wire器件中没有电源引脚时，可以以寄生电源供电方式从1-wire通信电路上获取电源。但为了减少1-wire器件的转换误差等，我们通常选择的1-wire器件是要带一个电源引脚，通过外部供电方式，且要加强上拉电阻，那么，工作（上拉）电压越高，1-wire器件所得到的功率就越高。电压越高，网络中的可挂接的从器件也越多，时隙之间恢复时间也越短。

强上拉

强上拉是指一种在时隙之间向1-wire网络提供额外电源的方法。需要额外电源额部件如下：EEPROM器件（当把数据从缓冲区复制到EEPROM单元时）；1-wire温度传感器（在温度转换期间）。当这些1-wire器件用于3V电压供电时，强上拉是必须的。当其工作在5V环境中时，强上拉是可选的。

1-wire时序

对于1-wire时隙和复位/应答检测时序波形的一般方法。以及产生这些波形的方法。一般来说，采用特殊的硬件（自带定时发生器的芯片）或通过软件直接产生波形。当选择的硬件较容易时，则会增加软件成本。产生的时序是跟我们的所选的主控制器的CPU时钟有关。

支持的传输模式

多数的1-wire从器件可以有两种速度通信：标准模式和高速模式。高速模式下的速度比标准的速度约快8倍。所有1-wire从器件均支持标准的速度通信。2类至4类主机均支持高速模式。1类主机是否支持高速模式取决于微控制器的性能（时钟频率，每个指令周期所需的时钟周期个数）。

有源上拉

1-wire总线网络是一个开漏环境，0V（逻辑0）为有效状态。空闲时，总线通过一个电阻拉高到上拉电压（电阻上拉）。因此，下降沿是陡峭的。上升沿由于电阻和寄生电源的作用相当平缓。有源上拉是指一种测试上升沿的方法，如果已经规定门限，通过低阻通道在有限的时间内旁路上拉电阻。小型网络或只有一个从器件的网络一般不需要有源上拉。如果带有源上拉，1-wire总线再充电的速度比电阻上拉的速度快得多，因此，网络中支持多个1-wire从器件时，无需延长时隙之间的恢复时间。各种1-wire主机的旁路上拉强度（阻抗）和控制有源上拉时间的方法有所不同。

1-wire的主机电路

1-wire的主机电路分为四种。

（1）1类微处理器端口-引脚的连接

a 下图中为最基本的1-wire主机

电路的唯一先决条件是需要一个备用的双向端口及一定的程序存储空间。电路的优点在于它的额外硬件成本较低，仅仅需要一个上拉电阻。缺点在于1-wire时序通过软件产生。增加了前期的软件开发的时间和成本。但只要选择我们满足要求的接口就行。根据应用中1-wire从器件的数目和1-wire上拉电压，需要其它端口引脚来实现上拉。1-wire总线最高工作电压取决于双向端口特性（最好具有5V容限）。 1-wire总线上挂接多个从器件时，RPUP值应取低一些。如果那样的话，检查VOLmax是否与1-wire从器件和微处理器端口的输入特性有关。高速通信模式要求微处理器具有高时钟频率和/或较低的每指令周期时钟数。（虚线部分为可选的强上拉电路的双向端口引脚）。

图2

b 下图的是一种与图一相似的另一种基本的电路。

它的先决条件是需要两个备用的单向的端口，下拉晶体管及一定的程序存储空间。电路的优点是不需要双向端口。缺点在于，1-wire时序通过软件产生，增加了前期的软件开发时间和成本。根据应用中1-wire从器件和1-wire的上拉电压，有时需要其它端口引脚提供强上拉。1-wire总线最高工作电压取决于双向端口特性（最好5V容限）。1-wire总线上挂接多个从器件时，RPUP的值应取低一些。此时，应检查VOLmax是否与1-wire从器件和微处理器端口的输入特性兼容。高速模式要求微处理器具备较高的时钟频率和/或较低的每指令周期时钟数。虚线部分为带可强上拉的电路的单向端口引脚。

以上两图的区别在于接的I/O口一个是双向的，一个是单向的。一个接的是单向的上拉电阻。一个接的是两个单向的上拉电阻。

图3

（2）内置1-wire主机的微控制器

下图是内置的1-wire主机的的微控制器。它与第一个图不同之处在于位处理器的类型。它的电路所需要主要的前提是需要一个内置的1-wire主机的位控制器，如DS80C400、DS80C410或DS80C411以及一定的程序存储空间。电路的优点在于1-wire时序有硬件产生，可以减少前期软件开发时间和成本。因此，整个应用软件可以用高级语言编写。DS80C400系列微处理器端口带有5V容限。缺点在于，只有高端的微处理器才内置有1-wire主机。根据应用中1-wire上的从器件和上拉电压，可能需要其它端口引脚提供强上拉。1-wire总线上的从器件不止一个时，RPUP值应取低一些。此时，应检查VOLmax是否与1-wire从器件和微处理器端口的输入特性兼容。虚线部分内置1-Wire主机的微控制器及可选的强上拉电路。

图4 （3）合成的1-wire总线主机（ASIC/FPGA）

图4电路与上图很类似，不同之处在于微处理器和1-wire端口是内置在ASIC或FPGA中。

下图电路工作的前提是具有单片机能力的ASIC或FPGA，至少有一个空闲的双向端口引脚，3470个未使用的门和一定的程序存储空间。电路的优点在于1-wire时序由硬件产生，可以减少前期的软件开发的成本和时间。软件可由高级语言编写。缺点在于并非所有的ASIC和/FPGA都有5V的容限端口。1-wire工作电压取决于ASIC/FPGA的端口特性。一些2.5V的FPGA有5V容限I/O端口，比3.3V的FPGA理想。根据应用中1-wire从器件和-wire上拉电压，可能需要其他端口引脚提供强上拉。1-wire总线上挂接多个从器件时，RPUP值应取低一些。此时，应检查VOLmax是否与1-wire从器件和微处理器端口的输入特性兼容。虚线部分是带可选强上拉电路的ASIC/FPGA。

图5

（4）串行接口协议的转换

下图讨论的是只需一个额外器件即可构成一个功能齐备的1-wire主机。

此电路的主要前提是需要一种控制UART方式，例如微处理器、FPGA或PC串行端口，还需要一定的程序存储空间，电路的优点在于1-wire时序由硬件产生，可以减少前期软件的开发成本和空间。因此，整个应用软件可以由高级语言来编写。1-wire时序可以通过控制寄存器微调，不过，内置的4位搜索加速器使1-wire ROM搜索在软件中更易实现。就缺点而言，DS2480B元件较昂贵。DS2480B仅采用5V工作电压。它是功能最强的单芯片的1-wire主机，适合和大