单总线（1-Wire Bus）技术及其应用
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关键词：单总线 单总线协议 iButton
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。
图3 单总线的几种信号时序
4 单总线器件
通常把挂在单总线上的器件称之为单总线器件，单总线器件内一般都具有控制、收*发、存储等电路。为了区分不同的单总线器件，厂家生产单总线器件时都要刻录一个64位的二进制ROM代码，以标志其ID号。目前，单总线器件主要有数字温度传感器（如DS18B20）、A/D转换器（如DS2450）、门标、身份识别器（如DS1990A）、单总线控制器（如DS1WM）等。这里介绍一种iButton形式的单总线器件，它是利用瞬间接触来进行数字通信的，这些器件的应用已经渗透到货币交易和高度安全的认证系统之中。IButton是采用纽扣状不锈钢外壳封装的微型计算机晶片，它具有抗撞击、防水渍、耐腐蚀、抗磁扰、防折叠、价格便宜等特点，能较好的解决传统识别器存在的不足，同时又可满足系统在可靠性、稳定性方面的要求。
IButton主要有三种类型，分别是Memory iButton（存储器）；Java-powered cryptographic iButton（加密型）；Thermochron iButton（温度型）。存储型iButton最大存储空间为64kB，可以存储文本或数字照片。加密型iButton是一种微处理器和高速算法加速器，可以产生大量需要加密和解密的数据信息，它的运行速度非常快，可与Internet应用相结合，并可应用于远程鉴定识别。温度型iButton可以测量温度变化，它内含温度计、时钟、热记录和存储单元等。
图4 安防系统硬件原理图
5 单总线器件的应用
现以单总线器件iButton在安防系统上的应用为例来进行说明，该安防系统就是利用iButton来进行门禁识别的。其门禁识别部分的硬件原理图如图4所示，它由主机微控制器、从机（包括iButton信息读取头和iButton）、主机通过RS485进行远程通信（或通过MicroWeb连上Internet）等三部分组成。微控制器采用Microchip公司的PIC16F873芯片，而API8108A语音芯片则用来告诉用户系统信息；iButton采用DS1990A，信息读取头被读取并同时送到主机微控制器，然后由主机把收到的标识码与原先存储的iButton标识码进行比较判断，若吻合，则系统按设定要求程序工作，否则，系统给出语音提示。DS1990A与主机微控制器之间的通信软件设计流程图如图5所示。
通常主机与单总线器件的通信都是通过初始化、写0、写1、读0、读1时序来的完成的，下面给出用汇编语言编写的子程序，需要说明的是，这些程序虽然是针对iButton所写的，但适用于所有的单总线器件，且简单易懂，现予给出，以供大家参考。
RESET BSF RB2 ;主机拉低总线
CALL DELAY_500us ；给500μs复位脉冲
BCF RB2 ;释放总线
CALL DELAY_200us
BTFSC BR1 ;检测iButton返回应答脉冲否
GOTO RESET ;否，再给它复位脉冲
CALL DELAY_500us ；是，返回
RETURN
WRITE_0 BSF RB2 ;对iButton写0时序子程序
CALL DELAY_10us
CALL DELAY_60us
BCF RB2
CALL DELAY_10us
RETURN
WRITE_1 BSF RB2 ;对iButton写1时序子程序
CALL DELAY_10us
BCF RB2
CALL DELAY_60us
RETURN
READ_TIME BSF RB2 ;对iButton读数据时序
NOP
NOP
NOP
BCF RB2
CALL DELAY_10us
RETURN
6 总结
单总线技术以其线路简单、硬件开销少、成本低廉、软件设计简单优势而有着无可比拟的应用前景。基于单总线的iButton技术能较好地解决传统识别器普遍存在的携带不便、易损坏、易受腐馈、易受电磁干扰等不足，可应用于高度安全的门禁、身份识别等领域。其通信可靠简单，很容易实现。因此单总线技术有着广阔的应用前景，是值得产注的一个发展领域。
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