雖然物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 端點擁有局部控制區(qū)域是很常見的，但有些需要連接到距離主微控制器位置一米以外的簡單傳感器。傳統(tǒng)做法是，SPI 或 I2C 串行接口用于方便地與這些傳感器通信。然而，隨著控制算法變得更加復雜且需要部署更多的傳感器，微控制器必須使用更多的 SPI 和 I2C 線來連接這些傳感器。這樣會增加布線復雜性，從而增加配置和維護成本，特別是在距離增加的情況下。

　　本文將向開發(fā)人員介紹如何使用 Maxim Integrated 的 1-Wire 協(xié)議，只需使用一條線加接地線就能連接物聯(lián)網(wǎng)傳感器，從而降低成本。本文將討論 1-Wire 協(xié)議的優(yōu)勢，包括顯著擴大傳感器的范圍并通過同一條電線提供電源和數(shù)據(jù)。然后，介紹一種將 1-Wire 信號轉(zhuǎn)換為 SPI 或 I2C 的橋接設備，以及一個能幫助設計者開啟工作且附帶軟件的開發(fā)套件。

　　擴大物聯(lián)網(wǎng)和 IIoT 傳感器的使用范圍

　　擴展物聯(lián)網(wǎng)和 IIoT 網(wǎng)絡是為了使系統(tǒng)和制造過程在擴大功能的同時更加有效。這涉及通過使用傳感器來收集數(shù)據(jù)。雖然某個家庭可能在一個房間里安裝一個包含溫度傳感器的恒溫器，但一個自動化建筑或 IIoT 網(wǎng)絡可能在一個房間和整個建筑或設施內(nèi)放置許多溫度和濕度傳感器。例如，可以將更多的傳感器與壓力傳感器一起放置在暖通空調(diào) （HVAC） 管道中。安全系統(tǒng)也可能使用不同類型的傳感器，而且也可以放置在多個位置。

　　在制造和傳送帶系統(tǒng)中，也越來越多地通過傳感器進行過程監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)，用于分析如何在提高安全性的同時使系統(tǒng)更有效，從而實現(xiàn)節(jié)能。

　　這些應用中最常見的傳感器是環(huán)境傳感器，具體包括溫度、濕度和壓力傳感器、視覺傳感器（含可見光和電容接近傳感器）、位置傳感器（含微機電系統(tǒng) （MEMS） 加速計、MEMS 陀螺儀）和振動傳感器。MEMS 技術的微型化和進步已使傳感器的封裝比拇指指甲還小，且耗電只有幾百毫安 （mA）。在這些傳感器中，大多數(shù)都可以通過 SPI 或 I2C 通信接口輕松訪問，幾乎任何微控制器都提供這兩種接口。當與這些簡單的傳感器連接時，建立一個完整的物聯(lián)網(wǎng)或 IIoT 端點或子節(jié)點只用于溫度采樣是不切實際的，所以通常更簡單、更快的做法是直接通過 SPI 或 I2C 通信線路連接傳感器。

　　在某些情況下，仍然使用如高溫熱電偶和一些壓力傳感器等模擬傳感器。在這些情況下，微控制器與傳感器位置處的 SPI 或 I2C 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 相連接，后者對模擬傳感器進行就地采樣。這樣能夠避免模擬傳感器線路上的電壓降，從而提高精確度。

　　連接遠程 SPI 和 I2C 傳感器

　　微控制器通過延長 SPI 和 I2C 數(shù)據(jù)線與這些傳感器進行通信。然而，I2C 被限制在不超過一米的范圍內(nèi)，而且 SPI 也有類似限制。此外，全雙工 SPI 需要四個引腳，包括每個引腳的單獨外設選擇。因此，當一條上總線的 SPI 外設達到四個時需要七個引腳，加上電源和接地引腳，則共需九個引腳。半雙工 I2C 需要兩個引腳連接外設，加上電源和接地線共需四條線。同時，許多高速信號會增加電磁干擾 （EMI） ，產(chǎn)生串擾，導致信號完整性降低、系統(tǒng)可靠性下降。

　　現(xiàn)在所需的是一種這樣解決方案——能最大限度地減少電源和數(shù)據(jù)布線，簡化操作，同時保持與現(xiàn)有 I2C 和 SPI 傳感器的兼容性。

　　為了解決較遠距離的遠程傳感器連接問題并減少電線數(shù)量，Maxim Integrated 開發(fā)出一種 1-Wire 協(xié)議——用一根電線加上一條接地線連接大多數(shù) SPI 或 I2C 傳感器。該協(xié)議將 SPI 的六根線和 I2C 使用的四根線減少到只有兩根線，以傳輸數(shù)據(jù)和電源，最長可達 100 m。

　　采用 1-Wire 制

　　使用 1-Wire 時，遠程傳感器有一個 1-Wire 通信橋，將 1-Wire 協(xié)議轉(zhuǎn)換為可連接傳感器的兼容型 SPI 或 I2C 信號。1-Wire 橋和傳感器都是由 1-Wire 信號加一根接地線以寄生形式供電。這使得 1-Wire 信號可以在小范圍內(nèi)布線，從而減少電線使用量，降低成本。

　　雖然 SPI 和 I2C 都使用專門的時鐘信號，但 1-Wire 將時鐘與數(shù)據(jù)信號一起嵌入。SPI 使用為每個外設選擇的單獨信號對特定外設進行尋址，而 I2C 則是使用沿數(shù)據(jù)線傳輸?shù)?7 位總線地址；相比之下，1-Wire 使用 56 位地址，即以硬連接方式連接每個單獨的通信橋。這種更寬的尋址范圍不僅增加了總線上獨特外設的數(shù)量，而且還提高了安全性，使攻擊者很難猜出 1-Wire 總線上的外設地址。

　　1-Wire 外設總線上的字長為 8 位。微控制器的 1-Wire 總線主機可對單線協(xié)議作出位響應，但也可由一個簡單的 UART 驅(qū)動器提供支持。這使得 8 位微控制器也能成為 1 位總線主機。一條 1 位總線只能包含 SPI 和 I2C 外設中的某一種，不能同時擁有。這種一致性可防止總線上發(fā)生沖突和碰撞，并通過協(xié)議簡化了編程。

　　實際的 1-Wire 解決方案

　　對于希望通過 1-Wire 總線連接 SPI 或 I2C 外設的設計人員，Maxim Integrated 提供了帶有指令定序器的 DS28E18Q+T -Wire 轉(zhuǎn) I2C/SPI 橋接器（圖 1） 。

圖 1：具有指令定序器的 DS28E18Q+T 1-Wire 轉(zhuǎn) I2C/SPI 橋接器可連接 1-Wire 總線 IO 和 GND 引腳。（圖片源：Maxim Integrated）

　　參照圖 1，當 IO 為高電平時，寄生功率從總線獲取，并通過 SENS_VDD 引腳向外設供電。該橋接器對 1-Wire 指令進行緩沖并將其轉(zhuǎn)換為適當?shù)?I2C 或 SPI 指令。

　　IO 引腳和 GND 均連接 1-Wire 總線，并通過其狀態(tài)機發(fā)送到前端。每個器件都有一個 56 位 ROM ID，前綴是 8 位 1-Wire 家族代碼，表明該器件是 DS28E18Q+T 的修訂版。這樣，微控制器固件會對特定的 DS28E18Q+T 進行唯一識別，使其能夠靈活地應對器件系列的任何變化。該器件有一個含有 8 位循環(huán)冗余校驗（CRC） 代碼的 48 位唯一序列號。

　　前端通過一個 144 字節(jié)指令緩沖器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給指令定序器，其中包括來自 IO 總線的 128 字節(jié)數(shù)據(jù)和內(nèi)部使用的 16 字節(jié)數(shù)據(jù)。指令定序器處理指令，并在其緩沖器中存儲多達 512 字節(jié)的 I2C 或 SPI 指令，以便隨后發(fā)送給外設，而不是由 1-Wire 總線一次處理一個指令。

　　該 512 字節(jié)緩沖器還允許 DS28E18Q+T 協(xié)調(diào)其內(nèi)部電源行為。這樣，利用針對與外設通信進行的計時，就能夠保持寄生電源。指令定序器在向 I2C/SPI 主控器和 GPIO 控制器發(fā)送指令時會保持這一時序，后者處理數(shù)據(jù)，使其符合 I2C 和 SPI 標準。

　　將一個 470 納法拉 （nF） 外部電容器被連接到 CEXT 引腳，在 1-Wire 總線運行期間作為 DS28E18Q+T 的儲能器件。所連接的外設可以通過 SENS_VDD 引腳獲得寄生電源。對于 SPI 操作，四個引腳 SS#、MISO、MOSI 和 SCLK 為所連接的外設提供全雙工通信。I2C 操作只使用兩個具有交替功能的引腳，SDA 和 SCL。用于 SPI 操作的 SS# 和 MISO 沒有用于 I2C 操作，因此可用作通用 I/O （GPIO），并具有 GPIOA 和 GPIOB 替代功能。這提供了更大的靈活性，可用于點亮位于傳感器處的診斷 LED，或管理傳感器或 ADC 上的配置引腳以改變設備的運行特征。

　　使用 Maxim Integrated DS28E18Q+T，微控制器上的單 UART 只需兩條線就能與同一條 1-Wire 加接地線總線上的許多傳感器進行通信；每個傳感器都與 DS28E18Q+T 相連，距離最遠可達 100 m。這對暖通空調(diào)系統(tǒng)特別有用，因為在這種系統(tǒng)中，只有兩根線可以穿過風管，沿著風管上的每個通風口監(jiān)測溫度和濕度。通過監(jiān)測可能由障礙物造成的熱點或冷點，這種方法提高了系統(tǒng)效率。

　　1-Wire 的開發(fā)

　　為方便使用 1-Wire 協(xié)議進行開發(fā)，Maxim Integrated 推出 DS28E18EVKIT# 評估系統(tǒng)。該評估系統(tǒng)這包括一個硬件開發(fā)板（圖 2）和軟件。

圖 2：采用 Maxim DS28E18EVKIT# 評估板，開發(fā)人員能夠輕松將 SPI 或 I2C 外設連接到 1-Wire 總線。該系統(tǒng)的隨附軟件可用于編程和監(jiān)控總線和外設行為，以及幫助生成微控制器設備驅(qū)動程序。（圖片源：Maxim Integrated）

　　開發(fā)人員使用該評估板可對 DS28E18Q+T 進行編程和監(jiān)控。為便于開發(fā)，該板配有一個 USB 適配器，可將該板與 Windows 計算機上的 USB 端口連接。為幫助進行開發(fā)，開發(fā)人員需要下載并運行 DS28E18EVKIT# 評估套件軟件。如圖 3 所示，通過評估軟件可對 DS28E18Q+T 及其連接的外設進行編程和監(jiān)控。

圖 3：使用 DS28E18EVKIT# 評估軟件，開發(fā)人員可通過 USB 適配器配置板載 DS28E18Q+T 并監(jiān)控其行為。512 字節(jié)指令定序器存儲器可用來存儲數(shù)據(jù)，然后發(fā)送至外設，執(zhí)行傳感器操作。（圖片源：Maxim Integrated）

　　該軟件可以向 DS28E18Q+T 評估板發(fā)送指令，并為目標 SPI 或 I2C 外設進行配置。該軟件可以選擇外設的地址范圍，將待執(zhí)行的外設指令填入 512 字節(jié)指令定序器存儲器中。該軟件還有助于配置目標微控制器的 UART 驅(qū)動器，無需為學習 1-Wire 通信協(xié)議而耗費精力。開發(fā)人員也可以在自己的應用中使用評估板，以節(jié)省構建和配置傳感器節(jié)點所需的時間和精力。

　　結論

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)和 IIoT 系統(tǒng)增加了更多的傳感器，特別是在距離的不斷增大情況下，到傳感器的布線變得更復雜、更昂貴。另一個可能使構建傳感器網(wǎng)絡復雜化的問題是傳感器供電問題。如圖所示，Maxim Integrated 的 1-Wire 協(xié)議和相關硬件可以通過只用一根線加上接地線來提供數(shù)據(jù)和電源，從而使得與傳感器網(wǎng)絡的連接更加容易和高效。