Двунаправленный информационно оптический разделитель интерфейса 1-wire

А. А. Шабронов shabronov@ngs.ru

Приведено описание схемы оптического разделения интерфейса 1-wire. Это расширяет использование цифровых датчиков температуры, тока и напряжения однопроводного стандарта 1-wire. Схема предназначена для уменьшения стоимости систем анодно-катодной защиты объектов народного хозяйства. УДК 620.92

Ключевые слова: 1-wire, ds1820, ds2450, jbutton

ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПРОТОКОЛА ИНТЕРФЕЙСА

Блочная схема физической организации интерфейса анодно-катодной защиты с оптическим разделением представлена на рисунке 1. Важное требование системы – гальваническая независимость точек измерения и управляющего воздействия на объект.

Через 1-й контур проводиться измерение напряжений баковой емкости. Через второй контур выполняется управление и воздействие током, для создания анодно-катодной защиты.

Устройства подключаются к шине 1-wire по схеме с открытым стоком и подтягивающим резистором. Уровень сигналов в шине от 3 до 5 В. В пассивном состоянии в линии поддерживается высокий уровень напряжения. Все сигналы формируются с помощью замыкания сигнальной шины на землю (низкий уровень напряжения). Главная особенность шины 1-Wire в том, что она использует лишь два провода, один – сигнальный, другой – для заземления устройств. Питание схем возможно от самой шины 1-Wire. В этом случае резко увеличивается время на обмен, т.к. требуется оставлять значительные паузы на «подпитку» по шине. И обычным способом от внешнего блока питания +5вольт.

КАНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ПРОТОКОЛА ИНТЕРФЕЙСА

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.

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.

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.

Имеется 5 основных команд для связи по шине 1-Wire: "Запись 1", "Запись 0", "Чтение", "Сброс" и "Присутствие". На рисунках 2..6  обозначено:

Управление линии ведущим. Освобождение линии. Ведомый держит линию.

C помощью сопротивления подтяжки шина автоматически переходит в "единицу" в +5в.

1. Сигнал "Запись 1". Ведущий устанавливает низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого, в течение оставшейся части временного слота он освобождает шину. Рисунок 2

2. Сигнал "Запись 0". Ведущий формирует низкий уровень в течение не менее 60 мкс, но не дольше 120 мкс. Рисунок 3.

3. 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. Рисунок 4.

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. Рисунок 5 и 6.

Сигнал «Чтение при получении 1»

Сигнал «Чтение при получении 0»

Оставшиеся 2-е команды имеют подобный интерфейс удержания и отпускания линии, но с большей длительностью сигнала и полностью поддерживаются предлагаемой схемой опторазвязки. Описание протокола приведено в [Л1]

Схема оптического разделения информации однопроводного интерфейса 1-wire

Приведенные данные о физическом и канальном протоколе интерфейса 1-wire предполагают следующие ограничения на гальваническую развязку:

· Элементы опторазвязки должны работать параллельно для выполнения условий «держать» или «отпускать» линию;

· Токи в линии в пределах 1…5 миллиампер, и определяются подтягивающим резистором 1… 4.7 ком.

· Минимальная длительность сигнала составляет 1..15 микросекунд, соответственно фронты сигналов не должны быть затянуты и поэтому быстродействие и переключение оптопар должна быть не более 10..100 наносекунд.

На рисунке 7 представлена схема оптического разделения информации однопроводного интерфейса 1-wire.

Назначение элементов схемы:

· Схема состоит из двух одинаковых симметричных приемно-передающих узлов.

· C одной стороны – VT1,2 и с другой стороны VT3,4. Это транзисторы схемы усилителя для оптической развязки на элементах VM1,2. Используются быстродействующие оптопары 6N136.

· C одной стороны R1,2,3,4 и с другой стороны R5,6,7,8 определяют режимы транзисторов.

Состояние без передачи информации.

· В этом состоянии 1-wire = 5v. На переходе эмиттер - база транзисторов VT2(4) присутствует низкий уровень напряжения и эти транзисторы закрыты.

· Соответственно, транзисторы VT1(3) закрыты, т.к. на их базу поступает положительное смещение через резистор R2(5).

· Оптопары VM1(2) включены через ограничительные сопротивления R4(8). Если VT1(3) закрыты, через оптопары ток не идет.

Передача информации от ведущего к ведомому.

· В этом состоянии на 1-wire ведущего появляется 0в. Это начало передачи импульса информации. VT2 открывается и переход эмиттер - коллектор замыкается. Следовательно, открывается VT1 и через свой переход эмиттер - коллектор так же включает оптопорт VM1. Выходной ключ VM1 замыкается на 0в. Через диод VD2 на шину 1-wire ведомого поступает 0в.

· Для сигналов передача 0 и 1 и чтение 1 ответного удержания линии нет. И как только напряжение 1-wire ведущего перейдет в 5в, выключиться VT2,3 и VM1. Разомкнется ключ VM1 и на 1-wire ведомого поступит +5в.

· Для сигнала чтения 0 ведомый держит линию. Это означает, что 0в поступает на базу VT4 уже через схему ведомого, а не через выходной ключ VM1.

· Ведущий снимает напряжение 0в и начинает сканировать напряжение на 1-wire.

· Происходит переключение оптопар. Включается VM2 т.к. ведомый держит линию. Выключается VM1 т.к. выходной ключ VM2 замыкает 1-wire ведущего для удержания линии до длительности сигнала 0.

· Как только ведомый отпускает линию VT4 закрывается, удержания 0в от VM1 нет. На шине 1-wire ведомого через сопротивление подтяжки формируется +5в. Соответственно закрывается VT3 и оптопара VM2 выключается. Выходной ключ оптопары переходит в разомкнутое состояние. На шине 1-wire ведущего появляется +5в. Чтение сигнала 0 окончено.

· Подготовлена печатная плата. Размер 40*50мм, толщина 1мм, smd – монтаж, Оптопары – dip-8. Ниже представлена 3d модель и топология печатной платы. Время изготовления схемы до 15 рабочих дней.

Приведенная схема проверена и работает на отладочном стенде кафедры. Работа схемы в составе системы анодно-катодной защиты планируется на ближайшее время.

Литература

1. Протокол 1-wire: http://avr.ru/beginer/understand/1wire

2. Датчики ds1820: http://www.soel.ru/cms/f/?/325570.pdf

3. Датчики ds2450: http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/00_08/stat_56.htm

4. Анодно-катодная защита: http://www.okorrozii.com/elektrohimicheskaia-zaschita.html

5. Адрес статьи: http://90.189.213.191:4422/temp/model_dior_v1_sh/model_dior_v1_sh.doc

6. Схемы: http://90.189.213.191:4422/temp/model_dior_v1_sh/model_dior_v1.zip

Дата документа: 20 апреля 2016 года, г. Новосибирск Изменение адреса статьи 31-5-2016

Автор Шабронов Андрей Анатольевич, аспирант кафедры ТЭ СибГУТИ ,

тел. +7-913-905-8839, e-mail: shabronov@ngs.ru