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单总线（1-Wire Bus）技术及其应用

2017-08-30 02:06 摘要：介绍了美DALLAS公司推出的单总线技术的原理和信号传输方式，说明了单总线通信协议，最后以单总线器件iButton在安防系统中的应用为例，给出了单总线的数据传输方法。

1 引言

目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。其中I2C总线以同步串行2线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线），SPI总线则以同步串行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），而SCI总线是以异步方式进行通信（一条数据输入线，一条数据输出线）的。这些总线至少需要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）推出了一项特有的单总线（1-Wire Bus）技术。该技术与上述总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。

单总线适用于单主机系统，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，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。图1所示是单总线多节点系统的示意图。

2 单总线的工作原理

顾名思义，单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。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，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线，其内部等效电路如图2所示。单总线通常要求外接一个约为4.7kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成，分别为初始化1-wire器件、识别1-wire器件和交换数据。由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问1-wire器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM、命令功能命令。如果出现序列混乱，1-wire器件将不响应主机（搜索ROM命令，报警搜索命令除外）。表1是列为ΔΙΩ命令的说明，而功能命令则根据具体1-wire器件所支持的功能来确定。

表1 ROM命令说明

ROM命令说 明搜索ROM（F0h）识别单总线上所有的1-wire器件的ROM编码读ROM（33h）（仅适合单节点）直接读1-wire器件的序列号匹配ROM（55h）寻找与指定序列号相匹配的1-wire器件跳跃ROM（CCh)（仅适合单节点）使用该命令可直接访问总线上的从机设备报警搜索ROM（Ech）（仅少数器件支持）搜索有报警的从机设备

3 信号方式

所有的单总线器件都要遵循严格的通信协议，以保证数据的完整性。1-wire协议定义了复位脉冲、应答脉冲、写0、读0和读1时序等几种信号类型。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的。在这些信号中，除了应答脉冲外，其它均由主机发出同步信号，并且发送的所有命令和数据都是字节的低位在前。图3是这些信号的时序图。其中，图3(a)是初始化时序，初始化时序包括主机发出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480μs产生Tx复位脉冲；然后由主机释放总线，并进入Rx接收模式。主机释放总线时，会产生一由低电平跳变为高电平的上升沿，单总线器件检测到该上升沿后，延时15～60μs，接着单总线器件通过拉低总线60～240μsμ来产生应答脉冲。主机接收到从机的以应答脉冲后，说明有单总线器件在线，然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。图3中的（b）、（c）、（d）分别是写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60μs，且每两个独立的时序之间至少需要1μs的恢复时间。图中，读、写时序均始于主机拉低总线。在写时序中，主机将在拉低总线15μs之内释放总线，并向单总线器件写1；若主机拉低总线后能保持至少60μs的低电平，则向单总线器件写0。单总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据，所以，当主机向单总线器件发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便单总线器件能传输数据。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，则总线保持高电平，若发送0，则拉低总线。由于单总线器件发送数据后可保持15μs有效时间，因此，主机在读时序期间必须释放总线，且须在15μs的采样总线状态，以便接收从机发送的数据。