提高1-wire总线器件驱动能力的方法

Dallas公司生产的集成电路中,广泛应用了1-wire总线。主机只需1根连线就可以把一个或数个1-wire总线器件连接起来,实现有效可靠的数据通信。但是,在使用1-wire总线驱动多个器件、连接电缆线较长的场合,它的驱动能力是否适应;或者说,应该如何提高1-wire总线器件的驱动能力? 本文就此问题进行分析和实验。

1  1-wire总线简介

从 Dallas公司提供的图1所示读写时序图可以看出,主机读DS18B20 时,首先应该把线拉低至少1μ s,然后在15μs内读总线的逻辑状态（t0~t1）。DS18B20 则在主机拉低总线1μs内开始输出数据,如果为0,继续拉低总线,并在15~60μs（t1~t2）之间释放总线（典型值为30μs）,由上拉电阻把总线拉至高电平;如果数据位为1,则在主机拉低总线1μs后,DS18B20 的DQ端呈现开漏状态,一旦主机释放总线,上拉电阻就把总线拉至高电平。在60μs（t2）之后,1-wire总线还必须继续保持高电平至少1μs,作为两个数据位之间的分隔（称之为“恢复时间”）。由此可见,为了保证所读数据的可靠性,89C2051必须在15μs前读取总线的逻辑状态。


图1  1-wire总线读写时序图

主机在对DS18B20进行写入操作时,首先应该拉低1- wire总线至少1μs 。然后,如果写入数据位是 0,则继续拉低总线至60μs结束（t2）;否则就释放总线,由上拉电阻把总线拉成高电平。而DS18B20则在15~60μs之间（t1~t2）读入数据（典型值为15μs）。同样,在60μs之后（t2）,1-wire总线还必须继续保持高电平至少1μs,作为两个数据位之间的分隔。

2  实验电路参数的分析与实验结果

以1-wire总线的数字温度集成电路DS18B20与单片机89C2051 为例,其接口电路如图2所示,时钟频率为12MHz 。89C2051的P1.0口与DS18B20的DQ相连。1-wire总线器件的DQ口（数据口线）都为开漏结构,以便可以在1-wire总线上挂接多个DS18B20。因此,在1-wire总线上应该加接1个上拉电阻,文献推荐值为4.7kΩ。笔者使用2 m长的4芯屏蔽电缆连接89C2051 和DS18B20 ,其中一芯以及外屏蔽单端接地,其余分别为VCC、GND 和DQ 。经测试,DQ线到地的分布电容为131pF/m 。为了能够测试1-wire总线的驱动能力,在DQ线上加接电容,以便近似地模拟长电缆,等效电路如图3所示。可以通过选择上拉电阻的值,合理安排 t0~t1和t0~t2两个时间段,以提高1-wire总线器件驱动长总线的能力。自然,上拉电阻越小,其拉动1-wire总线的能力就越大,但是要受到 DS18B20的低电平吸入电流的限制。综合考虑各种因素,选取上拉电阻值为1.5kΩ。


图2  89C2051与DS18B20接口电路


图3  1-wire总线逻辑电平转换时的等效电路

由电工学可知,图3（a）中电容C上的电压为


由式（1）可以导得


图3（b）中,电容C上的电压为


由式（3）可以导得


式（3）、（4）中： R = R1//R2 。

在t0~t1阶段,由 89C2051拉低1-wire总线并保持至少1μs。89C2051的I/O口输出低电平时可吸入20mA的电流,其内阻因是非线性特性,不会大于 50Ω。DS18B20的逻辑0输入电平最大可为0.8V;89C2051为0.9V,取 VC = 0.8V,VCC = 5V。把上述数据代入方程（4）,取负载电容C = 10nF,可以得到t =0.9μs;加上SETB指令需时1μs ,稳定所需时间（至少1μs）,取t0~t1 = 3μs。

在t1~t2阶段,无论是89C2051还是DS18B20输出0电平,由于总线电平已经是0电平,不存在阶跃问题,所以不必计算。

如果是逻辑1,不管是由89C2051还是由DS18B20输出, 两者的输出FET均为开漏状态（89C2051有弱上拉,可以忽略）,由上拉电阻把1-wire总线从0电平上拉到高电平。可以用于把总线从0电平上拉到 1电平的时间t1-t2 = 15 - 3 - 1 = 11μs,其中1μs在读DS18B20时用于读操作,在写DS18B20时用来补偿指令MOV DQ,C所需的时间。DS18B20的逻辑高电平最低为2.2V,89C2051为1.9V,取VC = 2.2V 。

把上述数据代入方程（2）,当上拉电阻为4.7kΩ时,可以算得C = 4.0nF;当上拉电阻为1.5kΩ时,C = 12.6nF,相当于96.5m长的屏蔽电缆。

3  实验结果

表1为实验数据,使用2m长的4芯屏蔽电缆,在总线上加接电容以模仿长电缆。程序清单见本刊网络补充版（http://www.dpj.com.cn）。

表1  1-wire总线器件驱动能力与上拉电阻的关系


从表1可以看出,实验结果与理论计算基本相符。由于实验条件的限制,测试是相当粗糙的。更细致的调节,可以使用示波器观察1-wire总线上的波形来对电路参数与程序进行微调,以求得到更好的结果。笔者曾以其它的定时关系编制了实验程序,其驱动能力均不如本程序。