摘要：本應(yīng)用筆記討論微控制器作為當(dāng)今各種先進(jìn)電子產(chǎn)品的核心，與一個或多個外設(shè)器件的通信技術(shù)。以前，微控制器的外設(shè)是以存儲器映射方式與數(shù)據(jù)和地址總線連接的。但是，由于較多的引腳數(shù)，增大了封裝尺寸，并提高了總體成本。要降低成本和縮小封裝尺寸，串行接口顯然是理想的替代方案，例如：1-Wire?、SPI、I2C、USB等，它們代表了不同的物理網(wǎng)絡(luò)尺寸、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器、電源、數(shù)據(jù)速率及功能選擇。不同類型的接口具有不同的優(yōu)勢，而1-Wire接口在串行通信中不失為一種創(chuàng)新設(shè)計。

本文還發(fā)表于Maxim工程期刊，第59期(PDF, 876kB)。

微控制器(μC)是當(dāng)今各種先進(jìn)電子產(chǎn)品的核心，它需要與一個或多個外設(shè)器件通信。以前，μC的外設(shè)是以存儲器映射方式與數(shù)據(jù)和地址總線連接的。對地址線譯碼以獲得片選信號，從而在有限的地址范圍內(nèi)為每個外設(shè)分配唯一的地址。這種接口類型所需的最少引腳數(shù)(除電源和地之外)為：8 (數(shù)據(jù)) + 1 (R//W) + 1 (/CS) + n條地址線[n = log2(內(nèi)部寄存器或存儲器字節(jié)的數(shù)目)]。例如，與一個16字節(jié)外設(shè)通信時，需要的引腳數(shù)為：8 ＋1 + 1 + 4 = 14。這種接口的訪問速度快，但較多的引腳數(shù)也同時帶來了封裝尺寸增大和總成本提高的問題。要降低成本和縮小封裝尺寸，串行接口顯然是理想的替代方案。

選擇串行總線并非易事。除需要考慮數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)位傳輸順序(先傳最高位或最低位)和電壓外，設(shè)計者還應(yīng)該考慮以下幾點：

• 通過何種方式選擇某個外設(shè)(通過硬件片選輸入或軟件協(xié)議)。
• 外設(shè)如何與μC保持同步(借助一條硬件時鐘線，或借助內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)流中的時鐘信息)。
• 數(shù)據(jù)是在單根線上傳輸(在“高”和“低”之間轉(zhuǎn)換)，還是在一對差分線上傳輸(兩根線按相反的方向同時轉(zhuǎn)換其電壓)。
• 通信線路的兩端均使用匹配電阻實現(xiàn)阻抗匹配(通常用于差分信號傳輸)，還是不匹配或僅在一端匹配(通常用于單端總線)。

表1以矩陣的形式展示了各種通用總線系統(tǒng)之間的差異。16種可能組合中只有4種通用類型為大家所熟知。

除這些特性外，具體應(yīng)用還會提出更多要求，如供電方式、隔離、噪聲抑制、μC (主機(jī))與外設(shè)(從機(jī))間的最大傳輸距離、以及電纜連接方式(總線型、星型、可承受線路反接等)。提出類似要求的應(yīng)用包括樓宇自動化、工業(yè)控制和抄表等，并且都已制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。1, 2

表1. 串行總線系統(tǒng)概括

電路板到背板的應(yīng)用需求

提供外設(shè)功能的串行總線系統(tǒng)不應(yīng)該給應(yīng)用系統(tǒng)增加任何沉重的負(fù)荷。尤其需要注意以下幾點：

• 互連布線一定要簡單(信號線越少越好)。
• 必須能夠輕松地通過軟件實現(xiàn)協(xié)議(或所選的μC/μP本身提供這種接口)。
• 需要提供功能廣泛的器件。
• 總線系統(tǒng)必須易于擴(kuò)展。

使用軟件協(xié)議完成尋址的單端、自同步系統(tǒng)需要的信號線最少。從表1可以看出，1-Wire、LIN總線和SensorPath能夠滿足這些條件。在這類總線系統(tǒng)中，還需要考慮其它因素(見表2)。

表2. 1-Wire、LIN總線和SensorPath總線系統(tǒng)的性能差異

	1-Wire3	LIN Bus4	SensorPath5
Physical Network Size	Board or backplane, can be expanded up to ~300m	~40m	Board
Network Drivers (Hardware)	Drivers are available for RS-232, I2C, USB, and general μP port pins6, 7	Drivers are available for μP port pins	Super-I/O chips, μP port pins
Network Drivers (Software)	Available free for various platforms, including μCs8	Available free for Freescale? μCs	Not available
Power Supply	Through the data line (typical case), local VCC (some devices)	Through the data line	Local VCC
Data Rate	Up to ~15kbps (standard) or ~125kbps (overdrive)9	Up to ~20kbps	Data dependent, up to ~20kbps
Network Inventory	Through the "search ROM" network function	Not applicable, message-based addressing	Not supported
Choice of Device Functions	Large variety of device functions, including serial number, instrumentation, secure memories, etc.	Limited to functions needed in automotive applications	Limited to temperature sensors and voltage ADCs

物理網(wǎng)絡(luò)尺寸

只有SensorPath局限于電路板尺寸的應(yīng)用。一定條件下，使用恰當(dāng)?shù)挠布蛙浖W(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器，可以極大地擴(kuò)展1-Wire總線網(wǎng)絡(luò)的距離。

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器

對于基于協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計者需要軟件驅(qū)動程序來產(chǎn)生通信波形(鏈路層)，識別并尋址網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)層)的單個從器件/節(jié)點，并發(fā)送/接收數(shù)據(jù)(傳輸層)。軟件驅(qū)動程序與特定操作系統(tǒng)和通信端口有關(guān)?？商峁┗诟黝惗丝诘?-Wire硬件驅(qū)動芯片(主機(jī))以及適配器，端口類型包括COM、LPT、USB和I2C。在未作匹配的大型網(wǎng)絡(luò)中，電纜末端、連接器和分支的反射會限制網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

電源

必須為網(wǎng)絡(luò)中的每個從器件供電，以實現(xiàn)正常工作。最具成本效益的方法是通過數(shù)據(jù)線遠(yuǎn)程供電。該方法也稱為“寄生供電”，這使得讀取系統(tǒng)診斷信息(比如在掉電模式下)成為可能。具體范例請參考應(yīng)用筆記178中的圖3和相關(guān)內(nèi)容："利用1-Wire產(chǎn)品標(biāo)識印刷電路板"10。當(dāng)然由于必須為供電留出時間，寄生供電也降低了可用的數(shù)據(jù)速率。

數(shù)據(jù)速率

通常來說，數(shù)據(jù)速率越高，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離越短，反之亦然。1-Wire系統(tǒng)具有電源傳輸功能，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率取決于網(wǎng)絡(luò)的從器件數(shù)目以及電纜總長度(電容)。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點查找功能

該特性允許主機(jī)識別網(wǎng)絡(luò)中從器件的數(shù)目、類型和地址。這一點對于節(jié)點數(shù)動態(tài)(變化)的網(wǎng)絡(luò)來說必不可少。請參考Dallas工程期刊(第2期)11第22頁中的示例。

器件功能選擇

范圍如果不能提供應(yīng)用所需要的功能，即使再出色的總線也毫無用處。與LIN總線和SensorPath相比，1-Wire系統(tǒng)目前可以提供最豐富的功能。

I2C/SMBus與1-Wire總線

如果實際應(yīng)用可以提供時鐘線，則總線選擇范圍可擴(kuò)展到I2C12和SMBus13器件。根據(jù)SMBus的規(guī)范，它可以看作是100kbps I2C總線規(guī)范增加了超時特性后的派生總線類型。在某個節(jié)點與總線主機(jī)失去同步的情況下，超時特性可避免總線發(fā)生閉鎖，而I2C系統(tǒng)則需要經(jīng)過一次上電復(fù)位過程，才能從這種故障狀態(tài)恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。在1-Wire系統(tǒng)中，復(fù)位/在線檢測周期可將通信接口復(fù)位至確定的啟動條件下。

除了時鐘線外，I2C/SMBus還為總線上傳輸?shù)拿總€字節(jié)提供一個應(yīng)答位。這使得有效數(shù)據(jù)速率降低了12%。通信過程開始于一個啟動條件，并跟隨從器件地址和一個數(shù)據(jù)方向位(讀/寫)，最后結(jié)束于一個停止條件。對于1-Wire系統(tǒng)，首先需要滿足網(wǎng)絡(luò)層的要求(即選擇某個特定器件，執(zhí)行search ROM命令或者廣播)；接下來發(fā)送與特定器件相關(guān)的命令代碼，該代碼同時會影響數(shù)據(jù)的傳輸方向(讀/寫)。

原有I2C和SMBus總線系統(tǒng)的一個突出問題是其有限的7位地址空間。由于可提供超過127種不同器件類型，我們無法根據(jù)從器件地址推斷器件功能。此外，許多I2C器件還允許用戶隨意設(shè)置1個或多個地址位，以在總線上掛接多個相同器件。這種特性進(jìn)一步減少了可用的地址空間。解決地址沖突問題的標(biāo)準(zhǔn)做法是將總線系統(tǒng)劃分成若干段，某一時刻可在軟件控制下激活某個網(wǎng)絡(luò)段。該網(wǎng)絡(luò)段需要增加更多硬件，也使應(yīng)用固件更為復(fù)雜。I2C系統(tǒng)不具備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點查找或枚舉功能，因此很難處理節(jié)點數(shù)動態(tài)變化的系統(tǒng)。這一問題可借助SMBus Specification Version 2.013中的地址分辨率協(xié)議得以解決。但是，支持該特性的SMBus器件極為稀少。

SPI和MICROWIRE接口

SPI14和MICROWIRE15 (SPI的子集)均需要為每個從器件提供一條額外的片選線。由于具有片選信號，SPI協(xié)議只定義了針對存儲器地址和狀態(tài)寄存器的讀/寫命令。它不提供應(yīng)答功能。通常，SPI器件的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出采用不同的引腳。鑒于數(shù)據(jù)輸出在除了讀操作外的任何情況下均為三態(tài)(禁止)，因此可將兩個數(shù)據(jù)引腳接到一起以構(gòu)成單根雙向數(shù)據(jù)線。當(dāng)其它總線系統(tǒng)無法提供所需的功能或需要較高的數(shù)據(jù)傳輸速率時，可選用SPI總線，它可以支持2Mbps或更高的速率。SPI和MICROWIRE的不利因素在于產(chǎn)生CS信號的譯碼邏輯，以尋址某個特定器件。但是不會產(chǎn)生地址沖突問題。和I2C總線一樣，不提供節(jié)點查找功能。主機(jī)無法根據(jù)從器件的邏輯地址來推斷器件功能，因此很難管理節(jié)點動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)。

RS-485、LVDS、CAN、USB 2.0和FireWire

我們對這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論，以舉例說明差分傳輸?shù)奶攸c。這類總線系統(tǒng)中傳輸速率最快的兩種是FireWire16和USB 2.017，它們采用點對點電氣連接。使用先進(jìn)的節(jié)點或集線器，可以構(gòu)成樹狀拓?fù)涞奶摂M總線，數(shù)據(jù)包從源發(fā)送至端點(USB)，或采用對等傳輸(FireWire)，突發(fā)數(shù)據(jù)速率高達(dá)480Mbps (USB 2.0)或1600Mbps (FireWire)。尺寸有限的數(shù)據(jù)包以及接收/緩沖/重發(fā)通信機(jī)制增加了傳輸時間，反過來降低了有效的數(shù)據(jù)吞吐能力。USB的拓?fù)浜蛥f(xié)議允許最多連接126個節(jié)點，F(xiàn)ireWire允許最多63個節(jié)點，使用無源電纜時節(jié)點間的最大傳輸距離為4.5m。專為包括PC外設(shè)、多媒體、工業(yè)控制和航空(僅FireWire)應(yīng)用而設(shè)計，USB和FireWire器件可以帶電插入系統(tǒng)(熱插拔)。該特性允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)動態(tài)變化。

LVDS18、RS-48519和CAN20可實現(xiàn)掛接主機(jī)和從機(jī)的總線型結(jié)構(gòu)，甚至可以連接多個主機(jī)。這些標(biāo)準(zhǔn)中低壓差分信號(LVDS)是速率最快的，如果總線長度不超過10m，可工作在100Mbps速率下?？捎玫臄?shù)據(jù)速率及吞吐可以更快或更慢，具體取決于網(wǎng)絡(luò)尺寸。LVDS電氣標(biāo)準(zhǔn)專為背板應(yīng)用而設(shè)計，支持熱插拔功能，但不包含任何協(xié)議。

RS-485也僅定義了電氣參數(shù)。RS-485定義了負(fù)載和每條總線的最大負(fù)載數(shù)目(32)，而不是以節(jié)點的形式給出。一個電氣節(jié)點的負(fù)載可以小于1。12m網(wǎng)絡(luò)距離下的典型數(shù)據(jù)速率可高達(dá)35Mbps，1200m距離下數(shù)據(jù)速率可達(dá)100kbps，這些特性足以滿足數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用。RS-485設(shè)備的協(xié)議通常基于原來設(shè)計用于RS-232的部分協(xié)議。

與此不同，控制器局域網(wǎng)(CAN)為分布式實時控制定義了通信協(xié)議，安全性非常高，專門面向汽車應(yīng)用和工業(yè)自動化領(lǐng)域。數(shù)據(jù)速率從40m距離下的1Mbps到1000m距離下的50kbps。尋址方式是基于消息的，協(xié)議本身對節(jié)點數(shù)沒有任何限制。CAN節(jié)點支持熱插拔，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)可以動態(tài)變化。

結(jié)語

在簡單、低成本總線系統(tǒng)中，與LIN總線和SensorPath相比，1-Wire系統(tǒng)的從器件可提供最廣泛的功能和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器。I2C和SMBus除了需要數(shù)據(jù)線和參考地之外，還需要時鐘線和VCC電源，當(dāng)然可供選擇的器件功能也非常多。SPI和MICROWIRE需要額外的片選線，但可以提供更高的數(shù)據(jù)速率。除支持寄生供電和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點查找功能外，1-Wire接口和協(xié)議還支持熱插拔，這一特性通常僅在使用差分信號的高速系統(tǒng)以及SMBus 2.0兼容產(chǎn)品中才提供。iButton?產(chǎn)品是使用極為廣泛的熱插拔1-Wire器件，熱插拔是這類器件的正常工作方式。事實已經(jīng)證明，1-Wire器件在下列應(yīng)用中極為有效：全球識別號21、電路板/配件標(biāo)識與認(rèn)證10、溫度檢測和執(zhí)行裝置等。另外一種非常成功的1-Wire產(chǎn)品是具有安全存儲器和質(zhì)詢-響應(yīng)機(jī)制的器件，它能以最低的成本實現(xiàn)雙向認(rèn)證和軟件代碼保護(hù)22, 23。

類似文章出現(xiàn)在2006年9月出版的Electronic Products上。

參考資料

1. Interbus Club. www.interbusclub.com/ (industrial automation)
2. The valid M-Bus standard. www.m-bus.com/ (meter reading)
3. "Overview of 1-Wire Technology and Its Use." www.maxim-ic.com/AN1796 (intro to 1-Wire)
4. LIN Local Interconnect Network. www.lin-subbus.org/ (LIN specification)
5. National Semiconductor. "Cost Effective Partitioning of IO and Management Functions in PCs - Introduction of SensorPath? Technology." www.national.com/nationaledge/jan04/article.html (SensorPath)
6. "性能優(yōu)異的1-Wire網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動器 " www.maxim-ic.com.cn/AN244 (硬件驅(qū)動器)
7. "1-Wire網(wǎng)絡(luò)可靠設(shè)計指南" www.maxim-ic.com.cn/AN148 (1-Wire網(wǎng)絡(luò))
8. "1-Wire軟件資源指南" www.maxim-ic.com.cn/AN155 (軟件驅(qū)動器)
9. "確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時間" www.maxim-ic.com.cn/AN3829 (恢復(fù)時間)
10. "利用1-Wire產(chǎn)品標(biāo)識印刷電路板" www.maxim-ic.com.cn/AN178 (電路板識別)
11. " Dallas工程期刊," 第2期 pdfserv.maxim-ic.com/cn/ej/DallasEJ2.pdf (動態(tài)網(wǎng)絡(luò))
12. "The I2C-Bus Specification, Version 2.1, January 2000." www.nxp.com/acrobat_download/literature/9398/39340011.pdf (I2C)
13. "SMBus Specifications." www.smbus.org/specs/ (SMBus)
14. "M68HC11E Family." www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/M68HC11E.pdf (SPI)
15. "MICROWIRE? Serial Interface." www.national.com/an/AN/AN-452.pdf (MICROWIRE)
16. The Air Power Australia Website. "Firewire." www.ausairpower.net/OSR-0201.html (FireWire)
17. "USB 2.0 Specification." www.usb.org/developers/docs (USB specification)
18. National Semiconductor. "LVDS Owner's Manual: Low-Voltage Differential Signaling." www.national.com/appinfo/lvds/files/ownersmanual.pdf (LVDS)
19. Lammert Bies' Website. "RS485 serial information." www.lammertbies.nl/comm/info/RS-485.html (RS-485)
20. Robert Bosch GmbH. "CAN Specification, Version 2.0." www.semiconductors.bosch.de/pdf/can2spec.pdf (CAN specification part A)
    CAN in Automation (CiA). "CAN Specification 2.0, Part B." www.can-cia.org/downloads/ciaspecifications/?269 (CAN specification part B)
21. "利用1-Wire器件建立全球標(biāo)識符" www.maxim-ic.com.cn/AN186 (全球標(biāo)識符)
22. "保護(hù)您的研發(fā)成果—雙向認(rèn)證及軟件功能保護(hù)" www.maxim-ic.com/AN3675 (雙向認(rèn)證)
23. "利用單總線接口的SHA-1安全存儲器實現(xiàn)Xilinx? FPGA的身份識別及防拷貝機(jī)制" www.maxim-ic.com.cn/AN3826 (FPGA保護(hù))

另請參考

• 1-Wire和iButton
• 接口與互連
• 需要I2C轉(zhuǎn)換器嗎？ Maxim為您提供！
• SMBus 2線接口電池管理IC
• USB
• LVDS線驅(qū)動器/接收器
• 汽車電子指南
• RS-485技術(shù)資料