Подключение датчиков температуры к умному дому Loxone. Монтаж линии датчиков (1-wire) Управление 1 wire

Технология достаточно старая и широко употребляемая

Изначально, выведена на рынок компанией Dallas - Все помнят таблетки для домофонов iButton- это оно

Устройство соединяется с контроллером по одному проводу (кроме общего) - отсюда название. Большое преимущество в том, что каждый чип имеет свой адрес, что позволяет термометры соединять просто параллельно

Я провел массу экспериментов с данным стандартом. Изначально, предполагая очень широко использовать его для управления Умным Домом

Хуже всего, если для управления 1-wire шиной не использовать никаких специализированных контроллеров (подключение напрямую к PIN у Arduino устройств) - в этом случае, проблемы возникают уже при длине кабеля более 3-х метров

Для моих целей такое расстояние не подходило, поэтому я использовал I2C to 1-wire мост DS2482-100

Стоимость чипа на Aliexpress менее 100 руб, чип имеет аппаратный драйвер шины с режимом strong-pullup, что в разы увеличивает надежность работы системы.

Альтернативные решения, как правило, используют USB контроллеры шины 1-Wire на основе DS2490 но это подразумевает использование компьютера в составе контура управления. По опыту, надежность комплексного решения, включающего в себя PC, операционную систему, ПО, сетевую инфраструктуру, в любом случае ниже решения, локализованного в пределах одного контроллера. Поэтому ответственные задачи регулирования я реализовывал таким образом, что это регулирование происходит автономно, контроллером.

У себя я использую шлейф длиной около 150 м.

Термометры опрашиваются, относительно, устойчиво, что позволило предельно дешево и управляемо реализовать систему управления теплыми полами. Но сбои в считывании значений датчиков присутствуют. (В особенности, когда задействовано диммирование освещения или работает приточная вентиляция с фазовой регулировкой мощности нагревательного элемента)

Контроллер опрашивает датчики циклично, поэтому, единичные сбои не влияют на функционирование.

Кроме термометров, я пробовал использовать самую разнообразную перефирию, вооружившись Datasheet - ами написав множество процедур для управления следующими чипами и устройствами на их базе:

Если коротко - себя это не оправдало

Основная проблема - все же не очень хорошая помехозащищенность

Борьба с помехами в сети 1-Wire

Это, пожалуй, самое непростое в данной технологии. Описываю свой опыт:

Шину 1-Wire прокладывайте на расстоянии от высоковольтных проводов, трансформаторов LED освещения и проводов LED освешения (провода дают сильную помеху за счет того, что сила тока велика и используется ШИМ модулирование)
Не надо использовать экранированную витую пару. Я проложил STP 5-й категории, но при попытке заземлить экран - связь полностью теряется. Предполагаю, что это связано с увеличением емкости проводника.
По отзывам, невитая пара (самый дешевый двужильный провод) дает лучший результат.
Хороший опыт - подтягивать дальний конец провода через резистор 3-4 КОм к стабилизированному фильтрованному источнику питания 5Вольт.
Отводы от шины в 2-3 метра, в целом, не ухудшают качества работы системы, но прилично упрощают монтаж.

1-Wire – протокол передачи данных в обе стороны по одному проводу.

Данный протокол разработан корпорацией Dallas Semiconductor (сейчас Maxim Integrated) в далёких 90-х, но активно используется и сейчас: именно на 1-Wire работает большинство "таблеток" - домофонных чипов (DS1990A), карточек доступа, а также через 1-Wire общаются популярные датчики температуры (DS18S20 и DS18B20), транзисторные ключи (DS2405 , DS2406), программируемые порты ввода-вывода (DS2408), АЦП и ЦАП, часы реального времени (DS2417) и многое другое.

Режим связи в этом протоколе – асинхронный и полудуплексный (об этом подробнее ), а также "остроконечный" (при отсылке многобайтовых целых передача идёт от младшего байта к старшему).

При этом у нас всегда есть ведущий – одно устройство на шине, которое отсылает команды, и ведомые – устройства, которые эти команды принимают и отвечают на них, если необходимо; каждое из ведомых устройств подключается непосредственно к общей шине.

Ещё раз подчеркнём – на шине может быть только ОДИН ведущий – иначе возникнут конфликты, когда оба ведущих будут тянуть одеяло на себя (на самом деле, есть некоторые приёмы организации сетей 1-Wire в режиме мультимастера – например, с помощью ветвителя сети DS2409 – но в "обычной" жизни все-таки предпочтительней иметь только одного ведущего на шине).

Протокол 1-Wire хорош тем, что не сложен в реализации и требует для связи всего два-три провода (шина данных, земля и при необходимости питание); однако при этом он не лишён и недостатков – этот протокол весьма чувствителен ко времени и к помехам. Также 1-Wire не предназначена для передачи больших объёмов информации и для скоростного обмена данными – максимальная скорость 9600 Бод/с.

Протокол 1-Wire описывает физический, канальный, сетевой и транспортный уровни взаимодействия (см. модель OSI).
На физическом уровне даются описания способов подключения, требования к шине данных и питанию и т.д.
Канальный уровень описывает способы чтения и передачи битов по протоколу.
Сетевой уровень описывает способы адресации к различным устройствам на линии.
Наконец, транспортный уровень описывает функциональные команды, используемые устройствами 1-Wire.

Физический уровень протокола

Рисунок 1. Пример подключения ведущего и ведомых устройств по протоколу 1-Wire.

К слову, о питании – согласно даташиту, шина данных должна быть подтянута к питанию резистором 4.7 кОм, однако данный номинал используется при относительно коротких линиях; если же расстояние между устройствами достаточно велико, то сопротивление резистора можно уменьшить.

Канальный уровень протокола

Обмен информацией ведётся так называемыми временными, или тайм-слотами (60 мкс): один тайм-слот служит для обмена одним битом информации. Данные передаются бит за битом, начиная с младшего бита младшего байта – это, кстати, достаточно часто приводит к ошибкам у новичков – кажется, что нужно передавать данные слева направо, так, как они хранятся в памяти (то есть, следите за словами: кажется, что нужно начинать со старшего бита младшего байта (вы уже запутались, да?) – но нет! При передаче по 1-Wire, например, двухбайтового числа порядок передачи будет таким:
Имеем число 1023410 – в двоичном виде выглядит так: 00100111 11111010 2
В памяти (так как у нас "остроконечный" порядок хранения данных) выглядит так: 11111010 00100111.
А передача по 1-Wire будет выглядеть так:
0→1→0→1→1→1→1→1→1→1→1→0→0→1→0→0
Если вы запутались так же, как и я – самое время выпить чая с шоколадкой и немного утрясти все в голове.

Идём дальше. При обмене информацией ведущий инициирует каждую связь на битном уровне. Это означает, что передача каждого бита, независимо от направления (передача или приём), должна быть инициирована ведущим. Шина данных по умолчанию подтягивается к "единице", поэтому для начала как приёма, так и для передачи ведущий опускает линию в "ноль" на некоторое время.

Внимание : ни ведущий, ни ведомые не выставляют на шине "единицу" - это черевато коротким замыканием: если одно устройство выставит на шине "1", а другое – "0"; поэтому как ведущий, так и ведомый могут использовать только два состояния: "на выход в ноль" и "z-состояние" (на вход без подтяжки). Подтяжка к питанию осуществляется резистором (!).

Рассмотрим 5 основных команд для связи по шине 1-Wire: "Запись 1", "Запись 0", "Чтение", "Сброс" и "Присутствие". При этом на рисунках красным выделено управление линией от ведущего, синим – управление линией от ведомого, черным – освобожденная линия (с помощью подтяжки шина автоматически переходит в "единицу").

Сигнал "Запись 1" . Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого, в течение оставшейся части временного слота он освобождает шину.

Сигнал "Запись 0" . Ведущий формирует низкий уровень в течение не менее 60 мкс, но не дольше 120 мкс.

Сигнал "Чтение" . Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого подчинённый, если хочет передать 0, удерживает шину в низком состоянии до 60 мкс; если же подчинённых хочет передать 1, то он просто освобождает линию. Ведущий обычно сканирует состояние шины по истечении 15 мкс после установки низкого уровня на шине.

Так, ведомый удерживает линию к земле, если хочет передать "0", и просто отпускает линию, если хочет передать "1".
Таким образом при чтении получаем следующие диаграммы.

Сигнал "Чтение при получении 1" :

Сигнал "Чтение при получении 0" :

Основные проблемы, которые возникают при реализации чтения-записи – это проблемы со временем, то есть "невыдерживание", или наоборот, "передерживание" временных задержек при чтении линии. Возникают эти проблемы из-за того, что часто не делают поправку на медленность языков программирования высокого уровня. Особенно это касается различных "дополнительных" функций и ништяков. Подробнее

Сигнал "Сброс/присутствие" . Здесь временные интервалы импульсов отличаются. Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 8 временных слотов (480 мкс), а затем освобождает шину. Данный длительный период низкого состояния называется сигнал "Сброс".
Если на шине присутствует подчинённый, то он должен в течение 60 мкс после освобождения ведущим шины установить низкий уровень длительностью не менее 60 мкс. Данный отклик носит название "Присутствие". Если такой сигнал не обнаруживается, то ведущий должен полагать, что нет подключённых устройств к шине и дальнейшая связь невозможна.
Данная связка сигналов всегда начинает любой обмен информацией между устройствами.
Помимо этого, нужно учитывать, что любое ведомое устройство после получения питания сразу же выдаёт сигнал присутствия.
Сигнал же "Сброс" позволяет ведущему досрочно завершить обмен информацией – например, если датчик температуры передаёт нам всю свою память, а нам нужны только первые два байта, которые содержат значение температуры, то после получения этих двух байт микросхема просто может опустить линию в ноль на нужное количество времени – датчик поймет, что больше ничего пересылать не нужно.

О реализации: обычно необходимо запрограммировать микроконтроллер как ведущее устройство, поэтому есть несколько советов: микроконтроллеру стоит генерировать сигналы (опускание шины к земле) чуть больше необходимого минимума по времени, а ответы от ведомых устройств ждать по наихудшим прогнозам – тогда взаимодействие по протоколу будет оптимальным.
При этом ведущему нужно не забывать периодически проверять состояние линии данных - то, что она возвращается в подтянутое состояние с течением времени – а то может возникнуть ситуация, например, что какой-нибудь ведомый сломался и коротит, например, линию в ноль – и в принципе, протокол не проверяет данную проблему сам, ошибки может и не возникнуть – но об этом чуть ниже.

Сетевой и транспортный уровни протокола

Рассмотрим "более высокий" уровень протокола 1-Wire – последовательность действий при взаимодействии ведущего и ведомого, а также основные команды. При этом нужно отметить, все данные, в том числе команды, отсылаются побитно последовательно, начиная с младшего бита.

Алгоритм взаимодействия:

Ведущий посылает на линию сигнал reset ("Сброс"). После линия освобождается для "ответных действий". Если на шине присутствует ведомый, то в течение 60 мкс он сообщает о "присутствии".
Если же ведущий не получает отклика-"присутствия", то он считает, что подключённых к шине устройств нет.
Далее следует сетевой уровень протокола: ведущий должен определить, к какому из устройств на шине данных он будет дальше обращаться. Данный выбор обеспечивается отсылкой одной из ROM-команд (длиной в 1 байт), которые работают с уникальными кодами устройств:
- Search ROM ($F0) – "поиск ROM". Если коды подключённых устройств не известны, то эта команда позволяет ведущему определить их. Подробное описание данной команды представлено ниже.
- Read ROM ($33) – "чтение ROM" – команда используется, если мы точно знаем, что у нас только одно подчинённое устройство (например, только один датчик температуры или один домофонный ключ), тогда для считки его кода можно не париться с поиском ROM. При получении данной команды все ведомые устройства на шине отсылают свой уникальный код.
- Skip ROM ($CC) – "пропуск ROM". Это команда используется, когда необходимо дать команду всем устройствам на шине – например, нужно, чтобы все подключённые датчики одновременно считали температуру.
- Match ROM ($55) – "совпадение ROM". Используется для выбора конкретного подчинённого устройства на шине. После отсылки команды ведущий передаёт 64-разрядный код. По завершении только тому подчинённому устройству, которое приняло свой идентификатор, разрешается отвечать после приёма следующего импульса сброса – остальные же молча ждут импульса сброса.
Естественно, для отдельных устройств какие-то ROM-команды могут добавляться.
Если были отправлены команды "Match ROM" или "Skip ROM", то далее ведущий отправляет какую-либо функциональную команду – это уже транспортный уровень протокола; при этом набор функциональных команд и дальнейшее поведение (должен ли ведущий быть готов принимать данные от выбранного ведомого устройства, например) зависит от конкретного устройства 1-Wire.

Так, например, если у нас есть микроконтроллер и DS18S20 – датчик температуры, и мы хотим получить от этого датчика значение температуры, то алгоритм работы будет следующим:

МК отсылает импульс сброса
- так как датчик у нас на линии один, то нам нет необходимости работать с "адресами"
МК отсылает функциональную команду "Convert T" - по этой команде датчик температуры начнёт однократное температурное преобразование; результат же этого преобразования будет записан в память датчика
МК ждёт, пока датчик закончит преобразование (ведомое устройство никоим образом не может само сообщить, что оно "освободилось", поэтому микроконтроллер просто ждёт время, указанное в даташите)
МК отсылает импульс сброса
Датчик отвечает импульсом приветствия
МК отсылает адресную команду "Skip ROM"
МК отсылает функциональную команду "Read Scratchpad" - по этой команде датчик отсылает 9 байт своей памяти
МК считывает нужное количество байт (значение температуры содержится в первых двух)
При необходимости МК завершает сеанс связи, отсылая импульс сброса

При этом нужно помнить, что ведомые устройства могут поломаться и, например, опускать линию всегда на 0. Допустим, у нас так закоротило датчик температуры в термостате печки. Тогда, если ведущий не проверит, что линия возвращается в единицу, то вероятна следующая ситуация:

МК отсылает импульс сброса
Датчик коротит линию на ноль – МК обнаруживает, что есть импульс приветствия
МК отсылает адресную команду "Skip ROM" - не проверяя при этом линию, конечно
МК отсылает функциональную команду "Convert T" - датчик всё ещё в коме
МК ждёт
МК отсылает импульс сброса
история повторяется, датчик отсылает ноль
МК отсылает адресную команду "Skip ROM"
МК отсылает функциональную команду "Read Scratchpad"
МК считывает нужное количество байт - и получает, естественно, все нули. Даже если мы считываем всю память вместе с CRC, CRC от нуля будет равно нулю – то есть ошибки не произойдет МК конвертирует температуру, получает ноль, отправляет команду нагревать печь. И так до бесконечности!

Выглядит все это довольно печально – и черевато большими проблемами! Так что на протокол полагайся, но сам не плошай.

Вернёмся к алгоритму взаимодействия ведущего и ведомого по протоколу. Как видно, реализовать работу ведущего устройства не так уж сложно – при этом есть как уже готовые библиотеки с кодом, так и аппаратные реализации – например, от той же фирмы Maxim Integrated. Так, например, для AVR-ок написан целый даташит для реализации 1-Wire .

А вот реализовать ведомое устройство не так уж просто – и если библиотеки существуют (например, ), то аппаратных реализаций именно протокола 1-Wire мне не встречалось. Принцип же работы ведомых устройств подробно описан в их документации, обычно в виде блок-схемы.

Существует целый ряд устройств, использующих интерфейс 1-Wire, - так, например, всем известная "таблетка" - домофонный ключ – работает в большинстве случаев именно через данный протокол: микроконтроллер в замке просто спрашивает уникальный код "таблетки", и если этот код содержится в списке разрешённых устройств, микроконтроллер открывает замок.

Помимо всевозможных устройств для идентификации и авторизации (ключи, карточки пропуска), многие датчики – будь то датчики температуры, датчики влажности, освещения и др. – также используют для связи интерфейс 1-Wire. Помимо этого, есть также ряд микросхем для "мониторинга, менеджмента, защиты и управления восстановлением заряда автономных источников питания самых различных типов и назначений".

Уникальные коды устройств 1-Wire

Пару слов об уникальных кодах устройств, с которыми и работают ROM-команды. Каждое "одноварное" устройство имеет свой 64-хбитный код, состоящий из трёх частей:

Младший байт – это код семейства, к которому относится устройство, 6 следующих байт – уникальный в семействе серийный номер, ну и наконец, старший байт – это CRC, который служит для проверки правильности приёма всего кода. Так, например, на родных даллосовских (сейчас максимовских) "таблетках" часть уникального кода – а именно, 48-битный серийный номер – пишется на металле в шестнадцатиричном виде (все дружно посмотрели на свои домофонные ключи).

Рассмотрим подробнее, какие коды семейств устройств 1-Wire бывают:

Код семейства (HEX)	Устройство iButton	Описание
01	DS1990A, DS1990R, DS2401, DS2411	Уникальный серийный номер-ключ
02	DS1991	Мультиключ, 1152-битная защищённая EEPROM
04	DS1994, DS2404	4 КБ NV RAM + часы, таймер и будильник
05	DS2405	Одиночный адресуемый ключ
06	DS1993	4 КБ NV RAM
08	DS1992	1 КБ NV RAM
09	DS1982, DS2502	1 КБ PROM
0A	DS1995	16 КБ NV RAM
0B	DS1985, DS2505	16 КБ EEPROM
0C	DS1996	64 КБ NV RAM
0F	DS1986, DS2506	64 КБ EEPROM
10	DS1920, DS1820, DS18S20, DS18B20	Датчик температуры
12	DS2406, DS2407	1 КБ EEPROM + двухканальный адресуемый ключ
14	DS1971, DS2430A	256 бит EEPROM и 64 бита PROM
1A	DS1963L	4 КБ NV RAM + счётчик циклов записи
1C	DS28E04-100	4 КБ EEPROM + двухканальный адресуемый ключ
1D	DS2423	4 КБ NV RAM + внешний счётчик
1F	DS2409	Двухканальный адресуемый ключ с возможностью коммутации на возвратную шину
20	DS2450	Четырёхканальный АЦП
21	DS1921G, DS1921H, DS1921Z	Термохронный датчик с функцией сбора данных
23	DS1973, DS2433	4 КБ EEPROM
24	DS1904, DS2415	Часы реального времени
26	DS2438	Датчик температуры, АЦП
27	DS2417	Часы реального времени с прерыванием
29	DS2408	Двунаправленный 8-разрядный порт ввода/вывода
2C	DS2890	Одноканальный цифровой потенциометр
2D	DS1972, DS2431	1 КБ EEPROM
30	DS2760	Датчик температуры, датчик тока, АЦП
37	DS1977	32 КБ защищённой паролем EEPROM
3A	DS2413	Двухканальный адресуемый коммутатор
41	DS1922L, DS1922T, DS1923, DS2422	Термохронные и гигрохронные датчики высокого разрешения с функцией сбора данных
42	DS28EA00	Цифровой термометр с программируемым разрешением, возможностью работать в режиме подключения к последовательному каналу и программируемыми портами ввода/вывода
43	DS28EC20	20 КБ EEPROM

NV RAM – Non-Volatile Random-Access Memory (энергонезависимое ОЗУ)
PROM – Programmable Read-Only Memory (однократно программируемое ПЗУ)
EEPROM – Electrically Erasable Programmable Random-Access Memory (электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ)

Цель этой статьи - рассказать, как использовать эти датчики (или другие устройства сети) в суровых "полевых условиях". Не секрет, что на столе под лампой светлой цифровой датчик DS18B20 или его бюджетный брат DS18S20 замечательно работает с минимальным обвязом со стороны микроконтроллера в т.н. двухпроводной схеме:

Дополнительная выделенная линия питания сулит нам следующие "бонусы":

Длина сетевого кабеля 100 метров и более;
Количество одновременно подключенных датчиков - не менее 32шт.;
Разрешающая способность АЦП - 0,0625 °C и точность измерения - 1°C.

Однако, еще остается борьба с помехами на длинных линиях связи. Простейшей защитой является включенный в обратном направлении диод Шоттки между линией данный и общим проводом, именно так советует поступать Brian C. Lane , автор популярного проекта DigiTemp . Мы лишь немного расширим данное решение для трехпроводной схемы включения:

L1, L2 - фербиды BLM21AG221SN1D - индуктивности для защиты от высокочастотных помех, возникающих при коммутации сильноточных потребителей;

C1 - керамический конденсатор, естественный спутник ножек питания цифровой микросхемы;

IC1 - собственно цифровой датчик температуры DS18B20Z в корпусе SOIC8.

Все компоненты - SMD (0805 и SOT23) для уменьшения размера платы датчика:

После сборки, плата температурного датчика выглядит следующим образом:

Обязательно защищаем плату датчика от влаги (цапонлаком или акриловым лаком):

Для монтажа датчика на поверхность, например на трубопровод, очень хорошо подходит самовулканизирующаяся резиновая изолента. Кроме того, необходимо хорошо теплоизолировать точку установки датчика. Я использую пористую самоклеющуюся ленту.

Контактные площадки для пайки кабеля сети 1-Wire сознательно сделаны крупными и вот почему...

Трактат о проводочках кабеля

Самой распространенной ошибкой при построении сети 1-Wire является выбор в пользу Ethernet-кабеля Cat.5 ! Подавляющее большинство читателей скажет - "у нас все очень хорошо и бодро работает на обрезках сетевухи ". Не спорю ни в коем случае, кабель Cat.5 длиной 10..30 м вполне годится для 3-х проводного способа подключения датчиков, более того - вот вам рекомендованная схема использования народного кабеля, которую и сам использую на даче для водоснабжения дома:

"Ну таки и в чем дело?" - скажет проницательный читатель. А вот в чем: в кардинальном различии "физики и логики" сетей Ethernet и 1-Wire. Не вдаваясь в сложности организации сети Ethernet, просто прошу поверить (и с мультиметром про верить) в то, что из-за значительного падения напряжения на длинных и весьма тонких проводах кабеля Cat.5e датчику сети 1-Wire банально не хватает напряжения питания !

Система "Бенукс" позволяет собрать в один общий центр управления и мониторинга оборудование, которое казалось-бы ничего общего не имеет между собой. Благодаря тому, что все датчики и модули управления заводятся в одном общем справочнике устройств, дальнейшее их использование в программе единообразно и значительно упрощается для пользователя, не зависимо от типа оборудования и протоколов.

В настоящее время Бенукс поддерживает следующие разновидности оборудования:

Оборудование с доступом по WiFi на базе модуля ESP8266

В последнее время широкую популярность получили недорогие малогабаритные модули с доступом по Wi-Fi на базе чипа ESP8266, который представляет собой 32-битный контроллер со схемой обвязки. Помимо большого разнообразия аппаратных модификаций этого модуля, существует и много вариантов прошивок для контроллера. Система Бенукс поддерживает прошивку от "homes-smart", в которой обмен происходит по Http-протоколу. Есть модули со встроенной внутренней антенной, есть модули с подключением внешней антенны. Небольшие габариты модулей позволяют их легко встраивать в другие блоки или аппаратуру, а так-же в интерьер жилища или офиса. В системе Бенукс используются модули с прошивкой от homes-smart.ru

Одним из удачных законченных решений является оборудование интернет-магазина radioseti.ru в котором датчики и модули управления размещены в корпусах и готовы к использованию. В номенклатуре датчики температуры, влажности, протечки воды. Для управления оборудованием существуют модули в корпусах для монтажа на DIN-рейку. Начальная настройка модулей производится через ВЭБ-интерфейс, а затем в программе Бенукс это оборудование заводится в справочник устройств и используется в программе наравне с оборудованием других протоколов и технологий.

Основой сети 1-Wire является так называемый "мастер линии" - адаптер

Что значит "облегчённый"? - При малом количестве датчиков и небольшой длине микросети в качестве адаптера можно использовать очень простенькие схемы из нескольких деталей. В интернете можно найти несколько вариантов таких схем. Схема одного из них приведена: Этот адаптер используется для подключения около 3 устройств при длине линии не более 5 метров.

Если же организация 1-Wire-системы на базе персонального компьютера связана с особыми трудностями (большая длина линии, большое количество ведомых устройств, плохое качество кабеля или сложная топология, много помех и т.п.), то наиболее оптимально использование интеллектуального адаптера для COM-порта типа LINK. Он реализован на базе микропроцессора. При этом устройство полностью эмулирует со стороны последовательного порта работу популярного адаптера DS9097U производства Dallas Semiconductor и, таким образом, поддерживает все разработанное ранее для персональных компьютеров программное обеспечение. Но главное, что благодаря собственным интеллектуальным ресурсам этот адаптер реализует льготный режим работы однопроводных устройств на проблемных 1-Wire-линиях, в условиях сложной помеховой обстановки. LINK многократно улучшает механизм активной подтяжки на линии, что позволяет действительно получать идеальные сигналы обмена при длинах кабеля до 300 метров и числе сопровождаемых однопроводных компонентов до 250 шт, а использование процессором такого адаптера специальных алгоритмов цифровой фильтрации многократно улучшает устойчивость обслуживаемой 1-Wire-линии к электромагнитным помехам, шумам и отражениям сигналов.

Примечание: если USB-адаптер подключается к компьютеру через USB-расширитель, то обычно количество ошибок 1-Wire увеличивается, поэтому такое подключение нежелательно.

Конструктивно микросхема может устанавливаться в стандартную телефонную розетку со схемой стабилизатора внешнего питания. Приводим внешний вид модуля в сборе.

схема подключения к цифровому модулю внешних герконовых датчиков или датчиков типа "сухой контакт" показана
схема подключения к цифровому модулю цепи для управления оборудованием показана

В системе Бенукс может применяться восьмиканальная микросхема DS2408 в качестве как цифрового ввода, так и управления оборудованием. Причём часть каналов может использоваться для ввода, а часть для вывода.

Датчик питания 220V.

Один из вариантов применения цифрового универсального модуля - контроль наличия напряжения. Для этого стандартный модуль дополняется оптроном типа АОТ166А и двумя резисторами на 110 Ком. Благодаря тому, что используемый оптрон имеет широкий диапазон входного тока, на вход полученного модуля допускается подавать напряжение от 12 до 380 Вольт. А наличие двух встречно включенных светодиодов внутри оптрона позволяет подавать напряжение любой полярности, а значит как переменного тока, так и постоянного. На фото показан модуль, используемый в качестве датчика наличия 220В. Кроме примера, показанного на фото, описываемый модуль можно использовать и в других применениях, например как датчик наличия питания на электромагнитном клапане или задвижке и т.д.

Схема подключения внешнего сигнала к модулю показана
Стоит отметить, что если в описанном модуле использовать двухканальную микросхему DS2406P и два оптрона, то такой модуль можно использовать для контроля двух различных напряжений. Видеокоммутаторы с интерфейсом 1-Wire изготавливается на основе микросхем DS2406, DS2406P, DS2408 и DS2413. В настоящее время система "Бенукс" обслуживает следующие типы видеокоммутаторов:

Двухканальный на основе DS2406. В таком коммутаторе микросхема управляет одним реле с переключающимися контактами. Таким образом, на выход коммутатора подаётся видеосигнал либо с одного видеовхода, либо с другого.

Четырёхканальный на основе DS2406P или DS2413. В таком коммутаторе сигналы с двухканальной микросхемы поступают на двоичный дешифратор, который управляет четырьмя электромеханическими реле. В зависимости от двоичного кода на выходе микросхемы DS2406P, включается один из четырёх видеоканалов.

Розетка с интерфейсом 1-Wire

Для управления всевозможными бытовыми электроприборами имеется типовая розетка 220 вольт в пластиковом корпусе. Внутри корпуса размещается плата с микросхемой DS2413P и интегральный стабилизатор для её питания. Микросхема управляет силовым симистором со схемой опторазвязки. Симистор крепится на радиаторе, что позволяет управлять нагрузками до 1000 ватт. Кроме силовой розетки, наружу корпуса выведены два гнезда RJ для подключения микросети 1-Wire. Светодиодный индикатор сигнализирует о включенной розетке. Вместо микросхемы DS2413P можно использовать DS2406(DS2406P), которая так-же позволяет управлять внешними устройствами, но имеет иное расположение выводов на корпусе.
Ниже по тексту имеется ссылка на схему этого устройства.

Безкорпусные сборки управления нагрузкой 220В с 1-Wire
Для промышленного использования в системах управления рекомендуем использовать безкорпусные модули, коммутирующие нагрузки 220в. Для примера приводим модуль с электромагнитным реле.

Датчик движения с интерфейсом 1-Wire

Это устройство представляет собой типовой датчик движения SRP100 с дополнительной встроенной платой. На плате расположена микросхема DS2406P и интегральный стабилизатор для её питания. На один канал микросхемы заведён сигнал от датчика движения, а на второй канал - концевик, срабатывающий при открывании корпуса датчика движения. Питание датчика движения выполняется от микросети 1-Wire.
Для того, чтобы не ограничивать пользователя использованием только датчика SRP100 и чтобы пользователь мог по своему усмотрению выбрать датчик движения из множества вариантов исходя из своих требований, используется специальный модуль для подключения любых датчиков движения с подобным интерфейсом. То есть, пользователь отдельно приобретает понравившийся ему датчик движения и подключает его к этому модулю. Единственное ограничение: чтобы датчик позволял запитывать его от напряжения +12В и тип выходного сигнала этого датчика должен быть типа "сухой контакт" или подобный. Модуль изготовлен на основе универсального двухканального цифрового ввода-вывода с дополнительным встроенным стабилизатором питания +12В. На выходную колодку этого модуля выводятся два цифровых канала и питание +12В.

Пример подключения двухканального цифрового модуля к датчику движения SRP-100
Датчик протечки воды с интерфейсом 1-Wire

Это устройство представляет собой транзисторный ключ, срабатывающий от малых токов, возникающих при попадании воды на контакты сенсорной платы. Сигнал от транзисторного ключа поступает на микросхему DS2406, а затем обрабатывается системой "Бенукс".

Датчик освещённости и влажности

Этот модуль собран на основе микросхемы DS2438. В качестве датчика освещённости используется фотодиод ФД256, а измерителем влажности является дактчик HIH-4000-004 фирмы Honeywell Inc.

Модуль аналоговых сигналов на основе DS2438

Основное назначение этого модуля - завести типовой аналоговый сигнал (0-10В) в персональный компьютер для цифровой обработки. Источником такого сигнала может быть датчик влажности, датчик давления (водяного, атмосферного и т.д.), датчик усилия, потребляемого тока и т.д., т.е. любой датчик, у которого выходной сигнал имеет диаппозон от 0 до 10 вольт.
Этот модуль собран на основе микросхемы DS2438. Особенность этой микросхемы в том, что в ней имеется два входа для аналоговых сигналов. На первый вход подаётся сигнал от 0 до +10 вольт. На второй вход может подаваться двуполярный сигнал от -250 милливольт до +250 милливольт.

Для увеличения надо кликнуть на картинке.

Модуль-приёмник ИК-команд с передачей сигнала в 1-Wire

Это устройство даёт возможность управлять восемью устройствами на расстоянии, с помощью ИК пульта. Сигналами с ИК пульта одна из восьми DS2401 подключается непосредственно к сети 1-WIRE. ПК с системой БЕНУКС обнаруживает активность на шине DS2401 и подает команды на включение или выключение устройств, а так же выполнение команд по заданному сценарию.
Система Бенукс определяет микросхему DS2401 как тип iButton, поэтому допускается использование микросхем DS* с такими "групповыми" номерами: 01,04,06,08,09,11,12,20,35,45,55.
Тем кто любит попаять. Девайс так же можно модернизировать и сделать автономное устройство, которое управляет всевозможными бытовыми электроприборами. Для этого вместо микросхем DS2401 нужно установить, согласно схеме, силовой каскад из симистров или реле. Тогда у Вас получится устройство, которое управляет восемью устройствами с ИК пульта.

Примечание:
Этот модуль является отдельной разработкой одного из пользователей системы "Бенукс",
по всем вопросам обращайтесь на E-mail [email protected]

Примечания.
Во всех представленных выше устройствах микросхемы DS2406, DS2406P и DS2408 могут могут работать либо как цифровой датчик, либо как устройство управления, в зависимости от электрической схемы подключения. Микросхема DS2413 в системе Бенукс не используется как цифровой датчик, потому что не поддерживает команду 1-Wire "поиск активных". Эта микросхема используется только для устройства управления.
Схемотехника большинства устройств заимствована с сайта Московской фирмы ЭлИн.
Производители оборудования с протоколом 1-Wire

Большой выбор датчиков и устройств с 1-Wire в Интернет-магазине www.radioseti.ru
Кроме того, в этом же магазине можно приобрести модули ESP8266 с доступом по Wi-Fi. Более подробно о таких модулях ethernet usb (может быть использован для адаптера 1-Wire)
Миникомпьютеры серии eBox
AMD LX800

В статье приводится подробное описание интегрального датчика температуры DS18B20 на русском языке. Информация переведена на русский из официальной документации производителя датчика – компании Dallas Semiconductor.

Общее описание.

DS18B20 это цифровой измеритель температуры, с разрешением преобразования 9 - 12 разрядов и функцией тревожного сигнала контроля за температурой. Параметры контроля могут быть заданы пользователем и сохранены в энергонезависимой памяти датчика.

DS18B20 обменивается данными с микроконтроллером по однопроводной линии связи, используя протокол интерфейса 1-Wire.

Диапазон измерения температуры составляет от -55 до +125 °C. Для диапазона от -10 до +85 °C погрешность не превышает 0,5 °C.

У каждой микросхемы DS18B20 есть уникальный серийный код длиной 64 разряда, который позволяет нескольким датчикам подключаться на одну общую линию связи. Т.е. через один порт микроконтроллера можно обмениваться данными с несколькими датчиками, распределенными на значительном расстоянии. Режим крайне удобен для использования в системах экологического контроля, мониторинга температуры в зданиях, узлах оборудования.

Коротко об особенностях DS18B20.

Для однопроводного интерфейса 1-Wire достаточно одного порта связи с контроллером.
Каждое устройство имеет уникальный серийный код длиной 64 разряда.
Возможность подключения нескольких датчиков через одну линию связи.
Нет необходимости во внешних компонентах.
Возможность получать питание непосредственно от линии связи. Напряжение питания в пределах 3,0 В … 5,5 В.
Диапазон измерения температуры -55 ... +125 °C.
Погрешность не превышает 0,5 °C в диапазоне -10 ... +85 °C.
Разрешение преобразования 9 … 12 бит. Задается пользователем.
Время измерения, не превышает 750 мс, при максимально возможном разрешении 12 бит.
Возможность программирования параметров тревожного сигнала.
Тревожный сигнал передает данные об адресе датчика, у которого температуры вышла за заданные пределы.
Совместимость программного обеспечения с DS1822.
Крайне широкие области применения.

Назначение выводов.

Обзор датчика DS18B20.

На рисунке 1 блок-схема датчика DS18B20. 64-битное ПЗУ (ROM) хранит уникальный серийный код устройства. Оперативная память содержит:

значение измеренной температуры (2 байта);
верхний и нижний пороговые значения срабатывания тревожного сигнала (Th, Tl);
регистр конфигурации (1 байт).

Через регистр конфигурации можно установить разрешение преобразования термодатчика. Разрешение может быть задано 9, 10, 11 или 12 бит. Регистр конфигурации и пороги тревожного сигнала содержатся в энергонезависимой памяти (EEPROM).

Режим – измерение температуры.

Основная функция DS18B20 – преобразование температуры датчика в цифровой код. Разрешение преобразования задается 9, 10, 11 или 12 бит. Это соответствует разрешающей способность - 0,5 (1/2) °C, 0,25 (1/4) °C, 0,125 (1/8) °C и 0,0625 (1/16) °C. При включении питания, состояние регистра конфигурации устанавливается на разрешение 12 бит.

После включения питания DS18B20 находится в низко-потребляющем состоянии покоя. Чтобы инициировать измерение температуры мастер (микроконтроллер) должен выполнить команду ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ . После завершения преобразования, результат измерения температуры будет находиться в 2 байтах регистра температуры, и датчик опять перейдет в состояние покоя.

Если DS18B20 включен по схеме с внешним питанием, то мастер может контролировать состояние команды конвертации. Для этого он должен читать состояние линии (выполнять временной слот чтения), по завершению команды, линия перейдет в высокое состояние. Во время выполнения команды конвертации линия удерживается в низком состоянии.

DS18B20 измеряет температуру в градусах по шкале Цельсия. Результат измерения представляется как 16-разрядное, знаковое число в дополнительном коде (рис. 2.) . Бит знака (S) равен 0 для положительных чисел и равен 1 для отрицательных. При разрешении 12 бит, у регистра температуры все биты значащие, т.е. имеют достоверные значения. Для разрешения 11 бит, не определен бит 0. Для 10-битного разрешения не определены биты 0, 1. При разрешении 9 бит, не достоверное значение имеют биты 0, 1 и 2. В таблице 2 показаны примеры соответствия цифровых кодов значению температуры.

Для людей не искушенных в двоичной математике, напишу, что для вычисления температуры надо:

При положительном значении (S=0) код перевести в десятичный и умножить на 0,0625 °C.
При отрицательном значении (S=1) сначала необходимо перевести дополнительный код в прямой. Для этого надо инвертировать каждый разряд двоичного кода и прибавить 1. А затем перевести в десятичный и умножить на 0,0625 °C.

Режим – передача тревожного сигнала.

После выполнения команды преобразования температуры, измеренное значение сравнивается с верхним и нижним порогами из регистров Th, Tl (формат на рисунке 3). Это байтовые значения, знаковые, в дополнительном коде, S =0 означает, что число положительное, а S=1 – отрицательное. Хранятся пороговые значения в энергонезависимой памяти (EEPROM). Th и Tl доступны для чтения и записи через байты 2, 3 оперативной памяти. Подробно об этом в разделе .

Из-за разной длины регистров TH, TL и температуры, они сравниваются только с битами 11 по 4 регистра температуры. Если значение измеренной температуры превышает TH или ниже, чем TL, то формируется признак аварии в DS18B20. Признак перезаписывается с каждым измерением температуры, и если температура возвращается в заданные пределы, то он сбрасывается.

Ведущее устройство может проверить состояние признака аварии с помощью команды ПОИСК ТРЕВОЖНОГО СИГНАЛА . Любой датчик с активным признаком ответит на команду поиска. Таким образом, мастер точно определит, какой DS18B20 вырабатывает сигнал тревоги. После изменения значений регистров TH и TL, только следующее преобразование температуры сформирует достоверный признак тревоги.

Питание термодатчика DS18B20.

Однако когда DS18B20 выполняет операцию преобразования температуры или копирования данных памяти в EEPROM, потребляемый ток может достигать величины 1,5 мА. Такой ток может вызвать снижение напряжения питания устройства до недопустимого значения. Тока подтягивающего резистора и энергии, запасенной на Cpp, не достаточно для питания в этих двух режимах. Для того чтобы гарантировать достаточное питание устройства, необходимо обеспечить мощную подтяжку шины к высокому уровню в то время, когда происходит преобразование температуры или копирование данных памяти в EEPROM. Это можно сделать с помощью MOSFET транзистора, как показано на схеме (рисунок 4). Шина данных должна быть подключена к мощному питанию:

в течение 10 мкс после команд КОНВЕРТИРОВАНИЯ и КОПИРОВАНИЯ ПАМЯТИ ;
в течение времени преобразования (tconv) и передачи данных (не менее t WR =10мс).

Никаких других операций в это время на шине допускать нельзя.

Как правило, у современных микроконтроллеров выходного тока высокого уровня вполне достаточно для питания DS18B20. Тогда в MOSFET транзисторе необходимости нет.

Для питания DS18B20 может быть использован обычный метод – подключение внешнего питания через вывод V DD (рисунок 5). Очевидные преимущества этого метода в отсутствии необходимости в MOSFET транзисторе и в том, что во время преобразования шина остается свободной и может использоваться в других целях.

Я, в таких случаях, использую следующую схему подключения DS18B20.

В этой схеме термодатчик работает в режиме с внешним питанием, которое запасается на дополнительном конденсаторе через диод. В моих устройствах схема работает отлично.

64-разрядный серийный код устройства.

Память датчика.

Организация памяти DS18B20 показана на рисунке 7. Вся память включает в себя оперативную (SRAM) и энергонезависимую (EEPROM) память. В EEPROM хранятся регистры TH, TL и регистр конфигурации. Если функция тревожного сигнала не используется, то регистры TH и TL могут использоваться как регистры общего назначения. Все команды управления памятью подробно описаны в разделе .

В байтах с адресами 0 и 1 хранятся младший и старший байты регистра измеренной температуры. Эти байты доступны только для чтения. 2й и 3й байты – TH и TL регистры. Байт 4 – регистр конфигурации. Подробно об этом регистре в разделе РЕГИСТР КОНФИГУРАЦИИ. Байты 5, 6, 7 зарезервированы, не могут быть записаны и, при чтении, всегда возвращают 1.

Байт 8 доступен только для чтения. Он содержит циклический код (CRC) для первых восьми байтов. DS18B20 формирует этот код по способу, описанному в части .

Запись данных в байты 2, 3 и 4 происходит командой ЗАПИСЬ ПАМЯТИ . Данные должны передаваться, начиная с младшего бита байта 2. Для проверки записи данных можно прочитать память командой ЧТЕНИЕ ПАМЯТИ [код BEh]. При чтении данные передаются по шине, в последовательности начиная с младшего бита байта 0. Запись данных TH, TL и регистра конфигурации в EEPROM происходит по команде КОПИРОВАНИЕ ПАМЯТИ .

При включении питания, данные из энергонезависимой памяти EEPROM перегружаются в оперативную память (SRAM). Перезагрузку данных из EEPROM можно также сделать командой ПЕРЕЗАГРУЗКА E 2 . Мастер должен контролировать состояние шины, чтобы определить завершение перезагрузки. Слот чтения низкого уровня означает, что перезагрузка еще не закончилась. По завершению перезагрузки DS18B20 передает слот чтения 1.

Регистр конфигурации термодатчика.

Байт 4 памяти это регистр конфигурации (формат на рисунке 8). Битами R0, R1 можно установить разрешение преобразования (коды в таблице 3). При включении питания состояние битов R0, R1 = 11, что соответствует разрешению 12 бит. Надо помнить, что существует прямая зависимость времени преобразования от разрешающей способности. Биты 7 и 0…4 зарезервированы, не могут использоваться, при чтении возвращают 1.

Генерация циклического кода (CRC)

Байты циклического кода (CRC) расположены в 64-битовом ROM коде и в девятом байте памяти SRAM. Циклический код из ROM вычисляется для 56ти битов кода ROM и располагается в старшем байте ROM. Циклический код из SRAM вычисляется из байтов 0…7 SRAM. Циклический код позволяет контролировать правильность чтения данных из DS18B20. Мастер вычисляет циклический код для полученных данных и сравнивает с принятым кодом. На основании этого принимается решение о корректности данных.

Образующий полином циклического кода выглядит так:

C R C = X 8 + X 5 + X 4 + 1

Мастер может вычислить циклический код используя генератор полинома, по схеме на рисунке 9. Он состоит из регистра сдвига и логических элементов типа “исключающее ИЛИ”. Регистр сдвига изначально находится в состоянии 0. Биты поступают в регистр сдвига, начиная с младшего бита, кода из ROM или из SRAM, один бит в один такт сдвига. После сдвига 56го бита ROM или старшего бита 7го байта SRAM, в регистре сдвига будет вычисленный циклический код. Если сдвинуть в генератор 8 бит ROM или SRAM, принятые из DS18B20, то в случае правильных данных, регистр сдвига будет содержать все 0.

Однопроводной интерфейс 1-Wire

Система с шиной 1-Wire состоит из одного ведущего устройства (МАСТЕР), которое управляет одним или несколькими ведомыми устройствами (СЛЕЙВ). DS18B20 может быть только ведомым. Система, в которой одно ведомое устройство, называется одноточечной. Система с несколькими ведомыми – многоточечной. Все команды и данные обмена передаются по шине младшим битом вперед. В дальнейшей информации об интерфейсе 1-Wire выделены три раздела: аппаратная конфигурация, последовательность операций и сигналы (типы и временные требования).

Аппаратная конфигурация.

Интерфейс 1-Wire имеет одну линию связи. Каждое устройство (ведущее или ведомое) подключено к шине данных портом с выходом типа открытый коллектор или с тремя состояниями. Такая конфигурация позволяет каждому устройству системы не занимать линию связи, когда оно не активно, и держать шину свободной для других устройств. В микросхеме DS18B20 выход (DQ) – открытый сток. Его эквивалентная схема приведена на рисунке 10. Шина 1-Wire требует применения внешнего подтягивающего резистора сопротивлением приблизительно 5 кОм, для обеспечения высокого уровня сигнала при неактивном состоянии устройств. Если операция должна быть приостановлена, шина должна быть установлена в неактивное состояние до следующей операции. Шина может находиться в состоянии высокого уровня сколь угодно долгое время. Перевод шины в состояние низкого уровня на время более чем 480 мкс приведет к тому, что все компоненты системы будут сброшены.

Последовательность операций.

Очередность операций для доступа к термодатчику DS18B20 выглядит так.

Инициализация.
Команда ROM (необходима для любого обмена данными).
Функциональная команда (необходима для любого обмена данными).

Такая последовательность должна строго соблюдаться. В противном случае DS18B20 не будет реагировать на команды. Исключением являются команды ПОИСК ПЗУ [код F0h] и ПОИСК АВАРИИ [код ECh]. После формирования этих двух команд, ведущее устройство (мастер) должно вернуться к первому шагу (инициализация).

Инициализация.

Обмен по шине всегда начинается с операции ИНИЦИАЛИЗАЦИИ. Для инициализации ведущее устройство вырабатывает импульс сброса, за ним должен последовать импульс присутствия от ведомого устройства. Импульс присутствия сообщает ведущему устройству, что ведомое устройство присутствует в системе и готово к выполнению операции. Временные параметры импульсов сброса и присутствия описаны в разделе .

Команды ROM кодов.

После того как ведущее устройство получит импульс присутствия, оно может оперировать командами ROM. Это команды для операций с 64-битными индивидуальными кодами каждого ведомого устройства. Они позволяют ведущему устройству выбрать конкретное ведомое устройство среди многих других. Также, используя эти команды, можно узнать, сколько ведомых устройств подключено к шине, их типы, выделить устройства в состоянии тревоги. Существует 5 команд ROM, длиной 8 бит каждая. Ведущее устройство должно послать команду ROM перед выполнением функциональных команд DS18B20. Блок-схема выполнения ROM команд изображена на рисунке 11.

Поиск ROM

После включения питания, ведущее устройство должно считать ROM коды всех ведомых устройств, подключенных к шине. Это позволит определить число ведомых устройств и их типы. Ведущее устройство изучает ROM коды через процесс идентификации кодов каждого устройства на шине. Оно должно выполнить команду поиска ROM столько раз, сколько необходимо для идентификации всех ведомых устройств. При одном ведомом устройстве в системе проще использовать команду ЧТЕНИЕ ROM. После поиска ROM, операции на шине должны опять начаться с инициализации.

Чтение ROM

Команда применяется в одноточечных системах, с одним ведомым устройством. Она дает возможность ведущему устройству прочитать 64-битный ROM код, без использования команды ПОИСК ROM. Применение команды ЧТЕНИЕ ROM в многоточечной системе приведет к конфликтам данных между ведомыми устройствами.

Совпадение ROM

Команда СОВПАДЕНИЕ ROM, после которой должен следовать 64-битный код ROM, позволяет мастеру обращаться к конкретному ведомому устройству. Только одно ведомое устройство, код которого совпадает с переданным кодом, прореагирует на функциональные команды. Другие ведомые устройства будут неактивными до следующего импульса сброса.

Пропуск ROM

Команда позволяет ведущему устройству обращаться ко всем устройствам шины одновременно, без использования ROM кодов. Например, можно запустить на всех устройствах операцию преобразования температуры, выполнив команду ПРОПУСК ROM, а затем КОНВЕРТАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ. Команда ЧТЕНИЕ ПАМЯТИ может следовать за командой ПРОПУСК ROM только при одном ведомом устройстве, подключенным к линии связи. Такая последовательность команд значительно экономит время обмена с датчиками. Особенно она эффективна при использовании в системе одного ведомого устройства.

Поиск тревожного сигнала

Команда действует идентично команде ПОИСК ROM. Отличается тем, что на нее ответят только ведомые устройства в состоянии тревоги. Команда позволяет ведомому устройству определить, какие термодатчики находятся в состоянии тревоги после последнего преобразования температуры. После каждого ПОИСКА ТРЕВОГИ необходимо возвращаться на ИНИЦИАЛИЗАЦИЮ.

Группа функциональных команд

После выполнения ROM команды для выбора DS18B20 с нужным кодом, ведущее устройство может посылать функциональные команды датчика. Они позволяют записать и прочитать данные из оперативной памяти DS18B20, инициировать преобразование температуры и определить режим питания. Функциональные команды DS18B20 описываются ниже, собраны в таблице 4, алгоритм работы с ними приведен на рисунке 12.

Преобразование температуры

Запись памяти

Команда позволяет загрузить 3 байта в оперативную память датчика. Первый байт записывается в регистр Th (2 байт памяти), второй байт в Th (байт 3 памяти) и третий байт в регистр конфигурации (байт 4). Ведущее устройство передает данные, начиная с младшего бита. Все три байта необходимо записать до того как ведущее устройство сформирует сигнал сброс.

Чтение памяти

Команда используется для чтения памяти устройства. Передача данных происходит начиная с младшего бита байта 0 памяти, и продолжается до тех пор, пока все 9 байтов будут считаны. Если требуется только часть данных, ведущее устройство может прервать передачу, сформировав импульс сброса.

Копирование памяти

Команда перезагружает значения регистров Th, Tl и регистра конфигурации из EEPROM в оперативную память. После посылки команды ПЕРЕЗАГРУЗКА, ведущее устройство может выполнить слот чтения, и DS18B20 сообщит состояние перезагрузки. Передача 0 будет означать, что операция еще выполняется, 1 – операция завершена. Операция перезагрузки автоматически происходит при включении питания. Поэтому в оперативной памяти содержатся достоверные данные сразу после подачи питания.

Чтение режима питания

Таблица 4. Функциональные команды DS18B20.

КОМАНДА	ОПИСАНИЕ	КОД	ОПЕРАЦИИ НА ШИНЕ	ПРИМЕЧАН.
КОМАНДА КОНВЕРТИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Измерение температуры	Инициализирует измерение температуры	44h	DS18B20 передает мастеру состояние операции преобразования температуры	1
КОМАНДЫ РАБОТЫ С ПАМЯТЬЮ
Чтение памяти	Читает всю оперативную память, включая циклический код CRC	BEh	DS18B20 передает мастеру до 9 байт	2
Запись памяти	Записывает в оперативную память байты 2, 3 и 4 (TH, TL и регистр конфигурации)	4Eh	Мастер передает 3 байта на DS18B20.	3
Копирование памяти	Копирует TH, TL, и регистр конфигурации из оперативной памяти в EEPROM	48h		1
Перегружает TH, TL, и регистр конфигурации из EEPROM в оперативную память.	B8h	DS18B20 передает состояние перезагрузки мастеру
Чтение режима питания	Информирует мастера о режиме питания DS18B20.	B4h	DS18B20 передает мастеру режим питания

Примечания.

Интерфейс 1-Wire

Для обмена данными DS18B20 использует протокол интерфейса 1-Wire, обеспечивающий контроль целостности данных. Этот протокол определяет сигналы:

импульс сброса,
импульс присутствия,
запись бита со значением 0,
запись бита со значением 1,
чтения бита со значением 0,
чтения бита со значением 1.

Все эти сигналы, кроме импульса присутствия, формирует ведущее устройство.

Инициализация – импульсы сброса и присутствия

Любые коммуникационные операции DS18B20 начинаются с последовательности инициализации, которая состоит из импульса сброса от ведущего устройства ведомому, и ответного импульса присутствия из DS18B20. Этот процесс показан на рисунке 13. Термодатчик посылает импульс присутствия в ответ на импульс сброса, чтобы сообщить ведущему устройству, что он подключен к шине и готов к использованию.

Во время последовательности инициализации ведущее устройство передает импульс сброса (Tx), формируя на шине сигнал низкого уровня в течение времени не менее 480 мкс. Далее, ведущее устройство освобождает шину и переходит в режим приема (Rx). Когда шина освобождается, она подтягивается к высокому логическому уровню резистором 5 кОм. Датчик выделяет положительный фронт, ждет 15-60 мкс и передает импульс присутствия, удерживая низкий уровень линии на время 60-240 мкс.

Временные слоты чтения и записи.

Обмен данными по шине 1-Wire происходит временными слотами (тайм-слотами). Один временной слот передает один бит информации.

Временные слоты записи.

Протокол определяет два типа тайм-слотов записи данных в DS18B20: для записи значения 1 и записи значения 0. Длительность слота записи - не менее 60 мкс с паузой на восстановление между слотами 1,0 мкс, как минимум. Инициируется любой слот записи отрицательным фронтом сигнала шины (рис. 14).

Для формирования слота записи 1, после перевода шины в низкое состояние, ведущее устройство должно освободить шину на время 15 мкс. Подтягивающий резистор 5 кОм создаст на шине напряжение высокого уровня.

Для формирования слота записи 0, после перевода шины в низкое состояние, ведущее устройство должно продолжать удерживать шину в низком состоянии в продолжение всего времени слота (как минимум 60 мкс).

DS18B20 проверяет состояние сигнала в отрезке времени между 15 и 60 мкс, отсчитывая его от начала слота записи. Состояние шины на этом отрезке соответствует значению бита для записи в датчик.

Временные слоты чтения.

Длительность слота чтения, как и слота записи, должна быть не менее 60 мкс с паузой на восстановление между слотами 1 мкс, как минимум. Инициируется любой слот чтения отрицательным фронтом сигнала шины (рисунок 14).

После того как ведущее устройство инициализировало слот чтения, DS18B20 передает бит данных. Для передачи 1 датчик оставляет шину свободной (в высоком состоянии), а для передачи 0 – формирует на шине низкий уровень.

При передаче 0, DS18B20 должен освободить шину в конце слота. Подтягивающий резистор сформирует на ней высокий уровень. Выходные данные DS18B20 достоверны в течение 15 мкс, от начала слота чтения.

На рис. 15 показано, что общая сумма временных интервалов слота чтения Tinit , TRC и TSAMPLE должна быть не более 15 мкс.

Рис. 16 показано, что для максимальной надежности приема данных необходимо уменьшить Tinit и TRC и читать состояние шины в конце отрезка 15 мкс.

Пример 1 работы с DS18B20.

РЕЖИМ МАСТЕРА

ДАННЫЕ ШИНЫ

ПОЯСНЕНИЯ

TX Reset RX Presence TX 55h TX 64-бит ROM код TX 44h Мастер посылает команду конвертирования температуры. TX TX Reset Мастер формирует импульс сброса. RX Presence DS18B20 отвечают импульсом присутствия. TX 55h Мастер выполняет команду соответствия ROM кода. TX 64-бит ROM код Мастер посылает ROM код DS18B20. TX BEh RX 9 байтов данных

Пример 2 работы с DS18B20.

РЕЖИМ МАСТЕРА	ДАННЫЕ ШИНЫ	ПОЯСНЕНИЯ
TX	Reset	Мастер формирует импульс сброса.
RX	Presence
TX	CCh
TX	4Eh	Мастер выполняет команду записи памяти.
TX	9 байта данных	Мастер посылает три байта (TH, TL, и регистр конфигурации).
TX	Reset	Мастер формирует импульс сброса.
RX	Presence	DS18B20 отвечает импульсом присутствия.
TX	CCh	Мастер выполняет команду пропустить ROM.
TX	BEh	Мастер посылает команду чтения памяти.
RX	9 байтов данных	Мастер читает всю оперативную память, включая циклический код CRC. Затем вычисляет CRC для первых восьми байтов и сравнивает с принятым кодом. Если коды не равны, мастер повторяет операцию чтения.
TX	Reset	Мастер формирует импульс сброса.
RX	Presence	DS18B20 отвечает импульсом присутствия.
TX	CCh	Мастер выполняет команду пропустить ROM.
TX	48h	Мастер выполняет команду копирования памяти.
TX	DQ линия подключена к шине питания	Мастер подключает DQ к шине питания на время преобразования.

Предельно-допустимые параметры DS18B20

Указаны предельные величины параметров. Превышение этих параметров недопустимо. Эксплуатация длительное время с предельными значениями параметров может уменьшить надежность устройства.

Примечания:

Электрические характеристики EEPROM переменного тока (- 55 … + 125 °C, V DD = 3,0 ... 5,5 В).

ПАРАМЕТР	ОБОЗНАЧЕНИЕ	УСЛОВИЯ	МИН.	ТИП.	МАКС.	ЕД. ИЗМ.
Время цикла записи	t wr			2	10	мс
Число записей	N EEWR	-55°C - +55°C	50000			цикл
Время хранения	t EEDR	-55°C - +55°C	10			лет

Электрические характеристики переменного тока (- 55 … + 125 °C, V DD = 3,0 ... 5,5 В).

ПАРАМЕТР	ОБОЗНАЧЕНИЕ	УСЛОВИЯ	МИН.	ТИП.	МАКС.	ЕД. ИЗМ.	ПРИМЕ ЧАНИЕ
Время преобразования температуры	t CONV	разрешение 9 бит			93.75	мс	1
		разрешение 10 бит			187.5	мс	1
		разрешение 11 бит			375	мс	1
		разрешение 12 бит			750	мс	1
Время подключения к мощному питанию	t SPON	Посылка команды конвертации температуры			10	мкс
Время слота	t SLOT		60		120	мкс	1
Время восстановления	t REC		1			мкс	1
Время записи 0	r LOW0		60		120	мкс	1
Время записи 1	t LOW1		1		15	мкс	1
Время чтения данных	t RDV				15	мкс	1
Время высокого уровня сброса	t RSTH		480			мкс	1
Время низкого уровня сброса	t RSTL		480			мкс	1,2
Время высокого уровня присутствия	t PDHIGH		15		60	мкс	1
Время низкого уровня присутствия	t PDLOW		60		240	мкс	1
Емкость	C IN/OUT				25	пкФ

Примечания:

Рисунок 18. Временные диаграммы.

Описание получилось большим. С датчиками работать не просто. Они требуют достаточно сложных программных функций, но с аппаратной точки зрения DS18B20 просто подключаются, точно измеряют, не требуют АЦП и т.д.

Как пример использования термодатчиков DS18B20, могу привести мою разработку - . Используются два термодатчика. Один измеряет температуру воздуха в , второй - температуру радиатора .

Рубрика: . Вы можете добавить в закладки.