Сеть microLAN. Общие сведения.

Создавая шину microLAN, фирма Dallas Semiconduktor поствила перед собой, казалось бы, неразрешимую задачу. Идея состояла в том, чтобы соединить между собой множество различных микросхем, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, используя при этом всего один сигнальный провод. Разумеется, кроме сигнального 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 подключённых к ней микросхем. Сама постановка такой задачи уже была достаточно дерзкой. Фирма Dallas Semiconduktor блестяще справилась с этой задачей. Шина 1-Wire и основанные на ней сети microLAN с успехом применяются в электронной технике. Как то:
- максимальная протяжённость шины до 300 м;
- скорость передачи информации 16,3 Кбит/с;
- максимальное количество адресуемых элементов на шине 256;
- уровни напряжений на шине соответствуют стандартным КМОП/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 шины 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 могут работать только на шине малой протяжённости и при условии, когда уровень внешних электрических помех сведён к минимуму.

Шина microLAN построена по технологии Master/Slave. На шине должно быть, по крайней мере, 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 того чтобы Master мог обращаться к любому из ведомых устройств по шине, каждое ведомое устройство содержит в себе индивидуальный код (ID-код).

Полезным свойством шины является возможность автоматического обнаружения факта подключения новых компонентов. Протокол 1-Wire включает в себя специальную команду поиска, при помощи которой Master-устройство может осуществлять автоматический поиск ведомых устройств. В процессе поиска Master определяет ID коды для всех подключённых к сети микросхем. Поиск происходит путём постепенного отсеивания несуществующих адресов. Поэтому для того, чтобы найти все устройства, подключённые к шине (их ещё называют узлами связи), требуется довольно значительное время. Средняя скорость поиска элементов в сети microLAN составляет примерно 75 узлов в секунду.

При разработке протокола 1-Wire большое внимание было уделено надёжности 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 надёжной и устойчивой работы всех элементов в сети microLAN используется механизм двухэтапной записи информации с применением промежуточной, так называемой "блокнотной памяти". А также методы контроля целостности передаваемой информации методом контрольных сумм.

Идеальным применением для сети microLAN является система телеметрии и автоматики в производственных или бытовых помещениях. Представьте себе, что на пасеке по всем ульям в разных местах установлены миниатюрные датчики температуры, влажности, звука и др. Все они соединены между собой одной двухпроводной линией и подключены к единому управляющему устройству. Этим устройством может быть персональный компьютер, снабжённый специальной программой, либо специально разработанный блок на основе микроконтроллера. Кроме того, по все ульям рассредоточены миниатюрные исполнительные устройства.

При разработке сетей microLAN фирмой Dallas Semiconduktor позаботились о том, чтобы обеспечить самый широкий набор вариантов её 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. Для согласования шины microLAN с компьютером фирма Dallas Semiconduktor разработала специальные микросхемы - преобразователи интерфейса. Такие устройства могут подключаться как к LPT порту компьютера, так и к любому его COM порту и работать в качестве моста, согласующего порты компьютера с шиной 1-Wire. Существует даже вариант реализации 1-Wire интерфейса непосредственно на выходах COM порта, без применения дополнительных элементов. Этот способ возможен только в том случае, если в нашем компьютере для реализации последовательного COM интерфейса используется микросхема Intel 8250. Протокол 1-Wire в этом случае реализуется программным путём. Соответствующую программу можно найти на сайте фирмы Dallas Semiconduktor (http://www.maxim-ic.com).

Иногда при построении сети microLAN использование топологии, состоящей всего из одной 1-Wire шины, оказывается недостаточно. Ограничения могут быть вызваны слишком большой суммарной ёмкостью 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 управляется по той же самой 1-Wire шине, которую он же и коммутирует. На рисунке показана схема подключения дополнительной ветви сети при помощи микросхемы разветвителя типа DS2409. Встроенный 1-Wire интерфейс принимает команды из сети и управляет электронным коммутатором К и системой управления (У пр). По команде из ведущего устройства шина "ответвление" может быть подключена или отключена от основной шины. Если ответвление подключено к основной шине, то эти две шины представляют собой одно целое.

Команды, посланные ведущим устройством, распространяются на все ведомые устройства, подключённые к обеим ветвям. Когда шина-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 управляющего Master устройства для дополнительной шины. 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 содержать любое количество ответвителей. При этом структура сети будет напоминать дерево. Древовидная структура позволяет включать различные ветви сети по мере надобности. Остальные ветви временно отключаются и не создают дополнительной нагрузки.

Как можно было убедиться из всего сказанного, шина microLAN имеет огромные возможности и большие перспективы. Однако, долгое время шина microLAN не получала широкого распространения из-за того, что номенклатура микросхем, оснащённых 1-Wire интерфейсом, была не слишком велика. В последнее время фирма Dallas Semiconduktor разработала множество новых типов микросхем. Для того чтобы вы могли почувствовать весь диапазон возможностей этой технологии, приведём краткий обзор производимых в настоящее время 1-Wire совместимых микросхем. Все микросхемы с 1-Wire интерфейсом можно разделить на две большие группы:

1. Микросхемы, предназначенные для монтажа при помощи пайки.

2. Микросхемы в специальном, мобильном исполнении, получившие название iButton.

Текст: А. В. Белов А. В. Белов