Шина MicroLAN - Общие сведения

В предыдущей главе мы познакомились с двухпроводной шиной для последовательной передачи данных PC. Эта шипа хорошо подходит для передачи сигналов управления между микросхемами, расположенными на одной и той же плате. В крайнем случае. PC шину можно применить в пределах одного блока. Максимальная протяженность PC шины не может превышать 10 м. Однако перед разработчиками микропроцессорных устройств часто ставится бо­лее сложная задача: соединить микросхемы, находящиеся на более значительных расстояниях друг от друга. В частности, автору этой книги пришлось разрабатывать систему управления индивидуаль- юй 1 ел иоуе i ановкой.

По техническому заданию система управления должна была соби­рать информацию от шести различных термодатчиков, находящихся в разных местах индивидуального дома. Один датчик устанавли­вался на гелиоколлекторе, который располагался на крыше дома. Остальные устанавливались в разных точках отопительной системы, но тоже на значительных расстояниях друг от друга. Задача легко решилась иугем применения однопроводной шины 1-Wire, объе­динившей все датчики разрабатываемой системы в единую сеть. Такая сеть специально разработана для подобных применении и имеет название MicroLAN.

Шина 1-Wirc является основой сетей MicroLAN и разработана в конце 90-х годов фирмой Da Пая Semiconductor. В настоящее вре­мя фирма Dallas Semiconductor является дочерним предприятием Фирмы MAXIM. Микросхемы и комплектующие фирмы MAXIM Широко известны разработчикам электронных устройств. Логотип этой фирмы приведен на рис. 4.1. Создавая шину MicroLAN, фирма Dallas Semiconductor поставила перед собой, казалось бы. неразрешимую задачу. Идея состояла в том, чтобы соединить между собой множество различных микросхем, расположенных па значительном расстоянии друг от друга, используя при этом всею один сигнальный провод. Разумеется, кроме специального провода для замыкания цепи обязательно должен быть и обратный так на­зываемый «общий провод». Все микросхемы должны подключаться к такой двухпроводной шине параллельно. И вот по этой линии, состоящей всего из двух проводников от одной микросхемы к другой, должна передаваться информация, как в прямом, так и в обратном направлении. Кроме того, в случае необходимости, по той же однопроводной шине решено было осуществлять питание всех подключенных к пей микросхем. Сама постановка такой за­дачи уже была достаточно дерзкой. Фирма Dallas Semiconductor блестяще справилась с этой задачей. Шина 1-Wire и основанные на ней сети MicroLAN давно с успехом применяются в электрон­ной технике.

Ниже приведены основные характеристики этой шины:

♦ Максимальная протяженность шины до 300 м.

♦ Скорость передачи информации 16,3 Кбит/с.

♦ Максимальное количество адресуемых элементов на шине 256.

♦ Уровни напряжений на шине соответствуют стандартным К МОП/ТТЛ уровням.

♦ Напряжение питания компонентов сети 2,8...6 В.

♦ Для соединения элементов сети может применяться обычный телефонный кабель или витая пара.

Существуют и модификации шипы 1 -Wire. Например, отдельные виды микросхем поддерживают скоростной режим работы шины (Overdrive). В этом режиме скорость передачи информации равна 142 Кбит/с. Однако такие микросхемы могу! работать только па шине малой протяженности и при условии, когда уровень внешних электрических помех сведен к минимуму.

Шина MicroLAN. так же как и PC шина, построена по технологии Master/Slave. Па шине должно быть хотя бы одно ведущее устройство (Master). Все остальные устройства должны быть ведомыми (Slave). Ведущее устройство инициирует все процессы передачи информации в пределах шины. Master может прочитать данные из любого Slave устройства или записать их туда. Передача информации от одного Slave к другому напрямую невозможна. Для тою. чтобы Master мог обращаться к любому из ведомых устройств по шипе, каждое ведомое устройство содержит в себе индивидуальный код (ID-код). Этот код заносится в специальную область микросхемы при помощи лазера. Фирма-изготовитель гарантирует, что этот код и и кома не повторится и все когда-либо изготовленные микросхемы, содержа­щие l-Wire интерфейс, всегда будут иметь разные коды.

Еще одним полезным свойством шипы является возможность авто­матического обнаружения факта подключения новых компонентов. Протокол I -Wire включает в себя специальную команду поиска, при помощи которой ведущее устройство (Master) может осущест­влять автоматический поиск ведомых устройств. В процессе поиска Master определяет ID коды для всех подключенных к сети микро­схем. Поиск происходит путем постепенного отсеивания несуще­ствующих адресов. Поэтому для тою, чтобы найти все устройства, подключенные к шине (их еще называют узлами сети), требуется довольно значительное время. Средняя скорость поиска элементов в сети MicroLAN составляет примерно 75 узлов в секунду.

При разработке протокола l-Wirc большое внимание было уделено надежности работы сети. Изначально было поставлено условие — работа должна происходить в условиях плохих контактов. Кроме того, допускается подключение и отключение ведомых элементов прямо в процессе работы. Для обеспечения надежной и устойчивой работы всех элементов в сети MicroLAN используется механизм двухэтапной записи информации с применением промежуточной, л к называемой «блокнотной памяти». А также методы контроля целостности передаваемой информации методом контрольных сумм. В свое время об этом мы поговорим подробнее.

Идеальным применением для сети MicroLAN является система телеметрии и автоматики в производственных или бытовых по­мещениях. Представьте себе, что в некоем здании по всем по- метениям в разных местах установлены миниатюрные датчики температуры, влажности, освещенности и др. Все они соединены между собой одной двухпроводной линией и подключены к еди­ному управляющему устройству (см. рис. 4.2). Этим устройством может быть персональный компьютер, снабженный специальной пр01рамм0Й, либо специально разработанный блок на основе мик­роконтроллера. Кроме того, по всем помещениям рассредоточены миниатюрные исполнительные устройства. Они могут включать и выключать обогреватели, осветительные приборы, вентиляторы, электрические замки па дверях, зуммеры, механизмы открывания штор и любые другие, электрические и неэлектрические приборы, расположенные в разных помещениях вашего дома.

Все исполнительные механизмы также подключаются к той же са­мой двухпроводной шине. Конечно, тс устройства, которые требуют значительной мощности для своею питания, не могут получать его но шипе I-Wirc. Они должны иметь свои автономные источники питания. Те же микросхемы, которые потребляют незначительную мощность (например, различные датчики), с успехом могут получать питание от той же двухпроводной линии, через которую происходит обмен информацией. Управляющее устройство объединяет все под­ключенные к ней элементы. Оно должно содержать программу для централизованною управления всей этой системой. В рамках сети MicroLAN можно организовать глобальную систему управления всеми бытовыми устройствами и механизмами в вашем доме, или системами комфорта и жизнеобеспечения на любом предприятии.

При разработке сетей MicroLAN фирма Dallas Semiconductor по­заботилась о том, чтобы обеспечить самый широкий набор ва­риантов ее построения. Например, в качестве Master устройства может выступать как специализированный контроллер MicroLAN, так и персональный компьютер, а также любой универсальный микроконтроллер, работающий на тактовых частотах превышаю­щих 1,8 МГц. Ятя согласования шины MicroLAN с компьютером фирма Dallas Semiconductor разработала специальные микро­схемы — преобразователи интерфейса. Такие устройства могут подключаться как к LPT порту компьютера, так и к любому его СОМ порту и работать в качестве моста, согласующего порти компьютера с шиной 1 - Wire. Существует даже вариант реализация 1 -Wire интерфейса непосредственно на выводах СОМ порта, без применения дополнительных элементов. Этот способ возможен только в том сл\'чае, если в вашем компьютере для реализации последовательного СОМ интерфейса используется микросхема Intel 8250 Протокол 1-Wire в этом случае реализуется программным путем. Соответствующую программу можно найти на сай ге фирмы Dallas Semiconductor |6w|.

Иногда при построении сети MicroLAN использование топологии, состоящей всего из одной 1-Wire шины, оказывается недостаточно. Ограничения могуч быть вызваны слишком большой суммарной емкостью или большим суммарным током потребления всех под­ключенных к шине устройств. Специально для таких случаев в стандарте сетей MicroLAN предусмотрена возможность ветвления. Для ветвления шины 1-Wire применяется специальные микро­схемы — управляемые разветвители. Разветвитель управляемся по той же самой 1-Wire шипе, которую он же и коммутирует. На Рис 4.3 показана схема подключения дополнительной ветви сети при помощи микросхемы разветвителя типа DS2409. Встроен­ной I -Wire интерфейс принимает команды из сети и управляет электронным коммутатором К и схемой управления (Упр). По команде из ведущею устройства шина «ответвление» может быть подключена или отключена от основной шины. Если ответвление подключено к основной шине, то эти две шипы представляют собой одно целое.

Команды, посланные ведущим устройством, распространяются на все ведомые устройства, подключенные к обеим ветвям. Когда ниша-ответвление отключается от основной шины, она подклю­чается к специальной управляющей схеме внутри микросхемы DS2409. Управляющая схема способна по команде от ведущего устройства передавать информацию в шину «ответвление», высту­пая в роли управляемого Master устройства для дополнительной шипы. При таком методе управления прямое соединение двух этих шин отсутствует. Однако передача сигналов возможна, хотя алгоритм управления при этом усложняется.

Итак, микросхема-разветвитель позволяет сделать в любом месте однопроводной шины управляемое ответвление. Шина может со­держав любое количество ответвлений. При этом структура сети будет напоминать дерево (см. рис. 4.4). Древовидная структура позволяет включать различные ветви сети по мере надобности. Остальные ветви временно отключаются и не создают дополни­тельной нагрузки.

Как можно было убедиться из всею вышесказанного, шина Micro- LAN имеет огромные возможности и большие перспективы. Однако тема данной книги, если помните — подключение периферий:" устройств к микроконтроллеру. 1-Wire интерфейс прекрасно под­ходит для этой цели. Микроконтроллер ЛТ89С2051 позволяет легко, программным путем реализовать I-Wire интерфейс на любой из своих линий ввода/вывода.

Долгое время шина MicroLAN не получала широкого распро­странения из-за того, что номенклатура микросхем, оснащенных 1-Wire интерфейсом, была не слишком велика. Однако в последнее время фирма Dallas Semiconductor разработала множество новых  типов микросхем. Для того, чтобы вы могли почувствовать весь диапазон возможностей этой технологии, приведем краткий обзор производимых в настоящее время 1-Wire совместимых микросхем. Нее микросхемы с 1-Wire интерфейсом можно разделить на две большие труппы:

1. Микросхемы, предназначенные для монтажа при помощи пайки.

2. Микросхемы в специальном, мобильном исполнении, получившие название iButton. Мы обязательно рассмотрим обе эти категории микросхем. Однако начать я хочу с совершенно необычного вида микросхем — микро­схем нового класса, получивших название iBulton.

Литература:
Белов А. В., Конструирование устройств на микроконтроллерах. — СПб.: Наука и Техника, 2005. — 256 е.: ил.

Предлагаю ознакомиться с аналогичными статьями: