Úvod 1. část

Historie standardu µLan se odvíjí od snah definovat rozhraní mezi snímači, akčními členy a komunikační sítí a její počátky můžeme nalézt v první polovině devadesátých let. (Automatizace 7/2004).

Standard IEEE 1451.4, jehož je MicroLan součástí, je vytvářen s cílem umožnit snadné začlenění provozních přístrojů – snímačů a akčních členů – do libovolného typu nadřazené sítě způsobem plug and play, jako společné komunikační rozhraní pro inteligentní převodníky. Standard IEEE 1451.4 definuje rozhraní MMI (Mixed-Mode Interface) jako možnost kombinovat digitální i analogový přenos v síti a je již
široce podporován a využíván předními výrobci snímačů (např. Bruel&Kjaer, PCB, Endevco). Pozadu nezůstávají ani výrobci specializovaného měřicího softwaru, např. LabView firmy National Instruments.

Standard IEEE 1451.4 tedy definuje relativně jednoduchý a přímý mechanizmus podle něhož se mohou analogové senzory samy identifikovat a dodat např. kalibrační informace z EEPROM paměti vestavěné v samotném senzoru.

µLan je základem digitální části rozhraní MMI jako dvouvodičová sériová sběrnice od firmy Dallas Semiconductor s řízením typu master-slave.

Co je MicroLan ?

Je to především jednoduchá a levná síťová technologie pro automatizaci, užívající protokol 1-Wire® jako základní. Komponenty sítě jsou přístroje a zařízení s 1-Wire rozhraním pro přenos dat a blok 64 bitového, laserem vypáleného, individuálního čísla – adresy, kterým je opatřen každý síťový systém užívající protokol 1-Wire. Takové zařízení je výrobcem deklarováno jako standard MicroLAN. Dalšími součástmi sítě mohou být různé adaptéry a kontroléry.

Definice

1-Wire® síť je levná síť, ve které personální počítače nebo mikropočítače digitálně komunikují přes kabely z kroucených dvoulinek s užitím 1-Wire komponentů.

Oblasti použití sítě MicroLan

• Jakékoliv řídicí systémy, nepříliš náročné na časovou odezvu.
• Měření libovolných analogových signálů.
• Řízení výkonových mechanizmů.
• Síť pro propojení mikropočítačových systémů s jedním řídícím (master) zařízením.

Jak velká to může být síť a jakou může mít topologii ?

Teoreticky může být síť s protokolem 1-Wire velmi rozsáhlá a nemá žádná omezení. Prakticky je však nutno jistá omezení řešit.

Co je 1-Wire ?

Rozhraní s jedním vodičem 1-Wire bylo vyvinuto v 90. letech firmou Dallas Semiconductor a bylo deklarováno pro použití ve třech základních oblastech:

• Přístroje ve speciálních pouzdrech MC pro řešení problémů identifikace, přenosu nebo zpracování
  informace (technologie iButton).
• Programování vnitřní pamětí obvodů s rozhraním 1-Wire.
• Systémy automatizace (technologie 1-Wire sítí).

První oblast použití pro identifikační účely je známa a již dlouho užívána. Druhá úspěšně zajišťuje možnost snadné změny funkce součástek s malým počtem vnějších vývodů, vyráběných firmou Dallas-Maxim. Třetí oblast použití stále ještě čeká na dostatečné ocenění.

Počáteční stav, daný velmi omezeným počtem typů součástek na trhu se rychle mění. V poslední době se objevují mnohá nová použití 1-Wire v nejrůznějších oblastech. Stále více vývojářů obrací svou pozornost k této technologii, což je především umožněno stále rostoucí nabídkou součástek pro 1-Wire síť.

Výhodnost tohoto síťového standardu můžeme vidět vezmeme-li v úvahu analýzy, které vypovídají, že více než 60% objektů vyžadujících automatizaci, nebude potřebovat větší přenosovou rychlost než 16 kbit/s. Pak využití veškerých výhod standardu 1-Wire jako:

• jednoduché a originální řešení adresovatelnosti účastníků;
• jednoduchý protokol;
• jednoduchá struktura spojení;
• malé množství potřebných komponentů;
• snadná změna konfigurace sítě;
• značný dosah sítě;
• výjimečně nízká cena technologie jako celku;

hovoří o nezbytnosti obrátit pozornost na tento efektivní nástroj pro řešení úloh komplexní automatizace v nejrůznějších oblastech činnosti.

Díky tomu, že v uvnitř libovolné součástky nebo zařízení, opatřeného síťovou verzí protokolu 1-Wire, je uložena unikátní individuální adresa (nepřekrytí adres přístrojů kdykoliv a kdekoliv vyrobených, zaručuje samotná firma Dallas-Maxim), má taková síť prakticky neohraničený adresový prostor. Při tom je každá 1-Wire součástka nebo zařízení okamžitě připravena k použití v síti 1-Wire, a to bez potřeby jakýchkoliv
programových modifikací. 1-Wire komponenty se samy taktují při přenosu informací, vyhodnocením délky časových intervalů impulzních signálů. Přenos dat v 1-Wire síti je asynchronní a poloduplexní. Veškeré informace obíhající v síti jsou účastníky přijímány jako příkazy nebo jako data. Příkazy jsou generovány řídícím členem (master) sítě, provádí různé varianty hledání a adresace známých zařízení, určují aktivitu
na síti, řídí přenos dat v síti apod.

Standardní rychlost práce 1-Wire sítě 16kbit/s byla vybrána jednak pro zajištění maximální spolehlivosti přenosu dat na velké vzdálenosti, jednak pro přizpůsobení k rychlosti nejrozšířenějších typů mikropočítačů, které musí být v zásadě použity pro řídící členy 1-Wire sběrnice. Standardní hodnota rychlosti přenosu může být libovolně zmenšována díky zavedení vynuceného zpoždění mezi vysíláním jednotlivých bitů dat, prodlužováním časových rámců protokolu. Nebo také zvýšena přechodem na zvláštní zrychlený režim přenosu tzv. Overdrive 125kbit/s, který je možno připustit na nevelké vzdálenosti a kvalitní, jinými komponenty nepřetěžované spojovací linky.

V síti 1-Wire se používají standardní TTL úrovně signálů a napájení většiny komponent může být z vnějšího zdroje s pracovním napětím od 2,8 do 6 V. Alternativou vnějšího zdroje je parazitní napájení, založené na využití elektrické energie impulzů předávaných po lince dat a akumulované vestavěnou kapacitou. Mimo to mohou jednotlivé komponenty 1-Wire sítí využívat režim napájení po sběrnici dat.

Zvláště přitažlivou vlastností technologie 1-Wire je výjimečně jednoduché nastavení, odladění a obsluha sítě s libovolnou konfigurací. Pro začátek postačí libovolný personální počítač, jednoduchý adaptér pro 1-Wire a volně šířené programové vybavení od firmy Dallas Semiconductor iButton Viewer. Sestavit, organizovat a řídit prakticky libovolně složitou síť standardu 1-Wire je tak možno doslova v několika minutách. Program iButton Viewer nabízí maximální komfort pro vývojáře s možností identifikovat 1-Wire zařízení na síti a prověřit v plném rozsahu její funkci.

Řídící členy sítě

Firmou Dallas-Maxim jsou také dodávány jednotlivé druhy adaptérů umožňujících libovolnému personálnímu počítači funkci řídícího členu (master) 1-Wire sítě. Patří k nim adaptéry pro paralelní port typu DS1410E, pro sériový typu DS9097E, DS9097U a pro USB typ DS9490R. Tyto součástky mají různé funkční možnosti a konstrukční zvláštnosti, což zajišťuje vývojáři velkou svobodu při jejich výběru.

Návrháři pak postačí základní znalosti elektronických obvodů k samostatnému sestavení schematu jednoduchého adaptéru 1-Wire sítě pro personální počítač. Často je jako řídící prvek (master) sběrnice použit univerzální mikropočítač. Pro jeho propojení s 1-Wire sítí se volí různé metody. Od jednoduchých, kdy řídící program plně realizuje protokol 1-Wire rozhraní, až po varianty, umožňující odlehčit významné zdroje mikropočítače použitím specializovaných obvodů.

Např. obvod DS1481 je určen pro bezprostřední připojení k vývodům paralelní komunikace mikropočítače. Pro realizaci 1-Wire systému na základě mikropočítače s 3 V napájením mohou být nasazeny pasívní obvody DS1482, přizpůsobující úrovně signálů standardní 1-Wire sběrnici. Pokud je řídící člen (master) linky vybaven standardním sériovým obvodem UART, je vhodné použít obvod DS2480B. A obvod
DS2490 přizpůsobuje 1-Wire linku pro práci s USB rozhraním. Oba zajišťují „aktivní přidržení“ 1-Wire sběrnice, zaručující kvalitu přenosu signálu na dlouhých problematických linkách a zvyšují zatížitelnost řídícího členu (master). Většina adaptérů pro personální počítače je rovněž navržena na bázi podobných obvodů.

Při návrhu složitých mikropočítačových systémů s deficitem strojového času potřebného pro realizaci 1-Wire protokolu, se nejracionálněji jeví idea použít specializovaný zákaznický obvod pro obsluhu sběrnice a propojit takový číslicový automat systémovou sběrnicí bezprostředně se základním procesorem. Firma Dallas Semiconductor rozpracovala soubor doporučení pro návrh takového řešení s názvem DS1WM. Ten byl realizován také specialisty Xilinx Inc. v podobě praktického příkladu pro programovatelné obvody z rodin Virtex a Spartan. Firma Dallas Semiconductor rovněž vyrábí mikropočítač DS80C400, mající implementovánu podporu 1-Wire protokolu.

Velmi perspektivní se jeví použití PDA (Personal Digital Assistant) na platformách PalmOS, Handspring a WinCE/PocketPC pro řízení 1-Wire komponent pracujících v síti. Pro připojení se při tom používají specializované adaptéry pro sériové rozhraní s malou spotřebou. Taková řešení mohou být velmi racionální při návrhu autonomních a mobilních 1-Wire systémů.

Tvorba programového vybavení řídícího členu (master) pro řízení 1-Wire sítí, rovněž nepředstavuje neřešitelný problém. Firmou Dallas Semiconductor je volně šířen profesionální programový paket od iButton TMEX SDK, který je univerzálním prostředkem pro profesionální programátory. Ten značně zjednodušuje proces tvorby programů pro obsluhu 1-Wire zařízení, připojených přes standardní typy adaptérů
k personálním počítačům s operačními systémy Windows. Obsahuje komplet odladěných driverů a utilit pro realizaci plnohodnotného 1-Wire protokolu. Pro vývojáře je paket iButton TMEX SDK se speciálním standardizovaným API-interface. Mimo to je na serveru společnosti Dallas Semiconductor volně dostupná řada realizačních příkladů pro některé populární procesory a také knihovny funkčních programových modulů 1-Wire rozhraní pro různé programovací platformy.

Řízené komponenty 1-Wire sítě

Řízené (slave) komponenty s 1-Wire rozhraním jsou dodávány ve dvou základních provedeních. Buď v pouzdrech MicroCAN, podobných diskovým kovovým bateriím, nebo v běžných pouzdrech pro montáž do plošných spojů. Kovové pouzdro plní funkci ochrany vnitřního obvodu před vnějšími vlivy. Vývody obvodu jsou připojeny ke dvěma vzájemně izolovaným polovinám pouzdra, sloužícím jako připojovací kontakty. V podobném provedení jsou komponenty iButton. Komponenty pro sestavu 1-Wire sítě jsou obvykle v plastových pouzdrech. To je také dáno tím, že mohou mít více než dva vývody. Mimo vývody potřebné pro přenos dat po 1-Wire síti mají ještě vývody pro napájení a připojení vnějších obvodů např. senzorů nebo výkonových členů.

K nejjednodušším řízeným (slave) komponentům patří obvod DS2401, nebo jeho modifikovaná varianta určená pro vnější napájení DS2411, a elektronický spínač DS2405 řízený 1-Wire rozhraním. První obvod je často použit k identifikaci a určení stavu, např. mechanického přepínače. Druhý obvod DS2405 umožňuje dálkově realizovat funkce spínaní.

Nejznámějšími řízenými komponentami, na jejichž základě je realizován asi největší počet použití, jsou obvody číslicových teploměrů DS18S20, s dnes již nevyráběnou variantou obvodu DS1820. Výhody těchto číslicových teploměrů, ve srovnání s jakýmikoliv jinými teplotními senzory, jsou zřejmé. Také vynikající metrologické charakteristiky (obvody není nutno kalibrovat) a dobrá odolnost proti poruchám je staví na první místo při návrhu systémů mnohabodových teplotních měření či monitorování v rozsahu teplot -55oC až 125oC. Dovolují monitoring v reálném čase a díky vestavěné energeticky nezávislé paměti pro uložení mezních hodnot, mohou signalizovat překročení zadaných mezí teploty.

Mnohem sofistikovanější je obvod DS18B20, jehož rychlost převodu je určena počtem bitů výsledku, může být programován řídícím členem (master) v průběhu jeho obsluhy. Kód odečtený z tohoto teploměru je přímo hodnotou měřené teploty a nevyžaduje doplňující dekódování. Jejich nekalibrovaná, avšak mnohem levnější verze, obvod DS1822, představuje optimální řešení pro vývojáře levných mnohabodových systémů měření a řízení teplotních procesů. Pro uživatele využívající jen parazitní režim napájení firma Dallas-Maxim
dodává levné 1-Wire obvody DS18S20-PAR, DS18B20-PAR, DS1822-PAR. Obvody DS1822, DS18B20, DS18S20, DS1920 mají dokonce charakter certifikovatelných měřicích prostředků.

Čtyřkanálový jednodrátový A/D převodník typu DS2450 a dvoukanálový s pamětí typu DS2423, jsou určeny k řešení úloh spojených s digitalizací analogových a impulzních signálů. První z nich je připojitelný k mnoha převodníkům fyzikálních veličin jako tlak, váha, napětí, vlhkost, proud, osvětlení a také teplota v případech, kdy nelze použít obvody DS18S20 pro extrémní rozsah teplot atp. Druhý může úspěšně ošetřit mnohé druhy senzorů s impulzním výstupem používaných v technice, jako jsou optické čítače, otáčkoměry, měřiče spotřeby, kapacitní senzory vlhkosti, měřiče radiace atp.

Mezi nezbytné součásti 1-Wire sítí v automatizaci patří univerzální dvojité a adresovatelné spínače typu DS2104P, s nimiž mohou být realizována mnohá použití, především diskrétní informace ze snímačů polohy, průchodu, přítomnosti, požární signalizace a řízení silových spínačů topení, motorů, ventilátorů apod.Mimoto mohou být obousměrné individuálně programovatelné vývody obvodu DS2406P použity jako pomalý sériový interface mezi mikropočítačem a 1-Wire sítí.

Jako standardní přenosový člen doporučuje firma Dallas-Maxim v zařízeních s mikropočítači použít statickou paměť DS2404. K obsahu této paměti je možný obousměrný přístup a to jak ze strany 1-Wire sběrnice, tak ze strany sériového rozhraní řízeného mikropočítačem. Přenos informací mezi řízeným členem (master) a sofistikovaným připojeným zařízením, řešícím jakýkoliv lokální problém, lze pak snadno zvládnout. Obvod DS2424 má také hodiny reálného času a kalendář. Data ukládaná do paměti je tak možno doplnit časovými značkami.

Na bázi hodin reálného času DS2404 firma Dallas-Maxim vyrábí ještě dva užitečné obvody DS2415 a DS2417 jako levnou variantu pro hodiny a kalendář. Obvod DS2417 má také oddělený vývod přerušení, takže může časově řídit vnější zařízení nebo zajistit synchronizaci práce dalších zařízení na sběrnici 1-Wire.

Možnosti 1-Wire sítí dále rozšiřuje číslicový potenciometr s 256 kroky a s 1-Wire rozhraním DS2890.

Nabídka obvodů pokračuje univerzálním obvodem DS2408. Je to po jednotlivých bitech programovatelný obousměrný, osmibitový obvod, umožňující realizovat libovolné rozhraní mezi vnějšími zařízeními a 1-Wire sběrnicí. Obvod má obousměrný vývod synchronizace pro řízení přenosu dat. Obvodem DS2408 je možno obousměrně komunikovat po osmi nezávislých kanálech při řízení displejů, klávesnic, diskrétních senzorů apod.

Některé komponenty 1-Wire sítí obsahují místo pro uložení rozsáhlých bloků dat, jako jsou tabulky nebo kalibrační konstanty, identifikační údaje apod., doplňované samotným uživatelem. Tak je také možno uložit speciální služební informaci spojenou s užitím konkrétního komponentu a zvláštností jeho použití bezprostředně do 1-Wire obvodu. Díky tomu není třeba pro řízení práce každé nové 1-Wire sítě vytvářet programové vybavení. Často postačí mít jeden standardní program, který se rekonfiguruje v závislosti na specifice konkrétního systému. Pokud je nutno v průběhu práce systému uložit doplňující informace, jsou pro tento účel ve výbavě návrháře speciální 1-Wire obvody obsahující jak pevnou DS2502; DS2505; DS2506, tak dynamickou DS2430A; DS2432; DS2433 paměť různé kapacity.

Celá řada komponentů rodiny iButton v pouzdrech MicroCAN může být také použita v 1-Wire sítích jako řízené (slave) obvody, řešící specifické úlohy identifikace, ukládání a přenosu informace. Např. pro realizaci procedury identifikace se v systémech průmyslové automatizace obyčejně užívají přenosné knoflíkové paměti DS1990A. Mnohobodový teplotní monitoring může být snadno řešen sítí několika obvodů DS1921#, jinak zvaných Termochron. Každý registruje hodnoty teploty měřené v určitých, předem zadaných časových intervalech a ukládá je do paměti. Chová se tedy jako naprogramovaný záznamník.

Pro přenos dat, shromážděných autonomním 1-Wire systémem do personálního počítače jsou vyráběna různá zařízení iButton, mající roli „transportních knoflíků“. Jsou to především obvody energeticky nezávislých pamětí, které mají v konstrukci lithiovou baterii tak, jako řada „knoflíků“ od DS1992 (1kbit) po DS1996 (64kbit). Mezi nimi nalezneme modifikaci DS1994 (4kbit), mající také hodiny reálného času
vhodné na generování časových značek autonomních datových záznamníků.

Pro tyto účely mohou být také použity obvody s elektricky mazatelnou pamětí EEPROM, modifikací DS1971(32B), DS1973(512B) a DS1977(32kB). Při přenosu velkých objemů dat je vhodné „transportní knoflík“ použít současně s adaptérem USB typu DS9490B, který zajišťuje vysokou přenosovou rychlost. Kterýkoliv „transportní knoflík“ může být začleněn a použit i v síti. Pro připojení pouzder MicroCAN se používají speciální konektory typu DS9100 a DS9098P nebo jednoduché svorky typu DS9094.

Z hlediska zapojení, historického vývoje a spolehlivé funkce na problémových linkách můžeme všechny řízené (slave) komponenty 1-Wire rozhraní odlišit a rozdělit na skupiny:

1. DS2401, DS2405 – první obvody s 1-Wire rozhraním v plastových pouzdrech, shodné s prvními modely iButton pro krátké sběrnice, (do roku 1994);
2. DS1820, DS2407P, DS2450, DS2404, DS2415, DS2417, DS1920 atd. – druhá verze speciálně určená pro dlouhé sběrnice (do roku 2000), výroba je postupně ukončovaná;
3. DS18S20, DS18B20, DS1822, DS2438, DS2406P, DS2409, DS2890, DS1973 atd. – ve srovnání s předchozí verzí je to třetí varianta, velmi odolná proti kolizím v 1-Wire síti.
4. DS2411, DS2408, DS1921#, DS1977 – poslední varianta, nejspolehlivější v prostředí 1-Wire sítě, (od roku 2003).

Přenosová media a topologie

Základem 1-Wire sítě jsou tři vodiče:

• DATA – datová sběrnice;
• RET – zpětný nebo zemní vodič;
• EXT_POWER – externí napájení nejen řízených (slave) obvodů, ale i dalších senzorů a systémů řízení.

Použité kabely, délka linky a počet řízených zařízení spolu s topologií sítě do značné míry ovlivňují dosažitelné parametry sítě.

Při utváření složitých 1-Wire sítí je třeba vzít v úvahu možné snížení dosahu sítě, ať již využitím stávajících vedení, množstvím zařízení na sběrnici atd. Tyto vlivy lze omezit především vhodnou volbou topologie, někdy značně odlišné od struktury společné sběrnice. Pak je možno použít větvení sítě 1-Wire do několika úrovní. K tomu účelu je vhodný buď běžný adresovatelný obvod typu DS2406, který zabezpečí
větvení komutováním zpětného vodiče 1-Wire sběrnice, nebo specializovaný obvod DS2409 pro přímou komutaci sběrnice dat. Tato varianta se zdá vhodnější, protože komponenty na odepnuté větvi řízené tímto obvodem vždy zůstávají v aktivním stavu. Postupná obsluha každé větve sítě při odpojených ostatních větvích umožňuje významně prodloužit délku společné sběrnice a zvětšit počet zařízení na ní.

Pokud by byla realizace 1-Wire systému na základě personálního počítače spojena s potížemi, je optimální volbou použití inteligentního adaptéru pro sériový port typu Link. Ten využívá ke své činnosti mikropočítač. Vzhledem k tomu, že zařízení ze strany sériového portu plně emuluje práci známého adaptéru DS9097U, je možno využít veškeré dříve rozpracované programové vybavení. Obvod také díky vlastnímu
sofistikovanému vybavení je schopen práce na problémových 1-Wire vedeních i v podmínkách rušení. Link mnohonásobně zlepšuje mechanismus „aktivního přidržení“ na lince, což umožňuje udržet kvalitní signál přenosu i při délkách kabelu nad 300m a také zvýšit počet zařízení na sběrnici nad 100. Užití algoritmu pro číslicovou filtraci významně zvyšuje odolnost 1-Wire sběrnice proti poruchám.

Závěr

Účelem první části bylo uvést čtenáře do problematiky sítě µLan s protokolem 1-Wire, ukázat na její přednosti, základní koncepci, potřebné vybavení a součástkovou základnu. Ve druhé úvodní části pak budou popsána reálná použití a funkční projekty. Následná pokračování budou již určena pro ty, kteří by se rádi blíže seznámili s detailními principy, protokoly a konkrétními technickými parametry, s cílem realizace samostatného projektu. Závěrem budou publikována některá jednoduchá a ověřená zapojení.

DOWNLOAD & Odkazy

• Dallas Semiconductor – Maxim - http://www.maxim-ic.com/
• Elin - http://www.elin.ru/
  
• Další články o 1-Wire na HW serveru - Sběrnice 1-Wire™