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透过 1-Wire 通讯有效连接 IoT 端点中的感测器
 

【作者: Rich Miron】2021年10月08日 星期五

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本文说明开发人员如何利用1-Wire通讯协定,以符合成本效益的单一线路加上接地方式连接 IoT 感测器;并且探讨1-Wire通讯协定如何大幅延伸感测器的范围,以及在相同电线上提供电力与数据。


物联网(IoT)与工业物联网(IIoT)端点经常会采用局部控制区域,有些端点甚至要连接远离主机微控制器位置一公尺外的简易型感测器。传统的作法,会使用 SPI或I2C介面以便与这些感测器进行通讯。然而由於控制演算法日益复杂,要部署的感测器也越来越多,微控制器必须使用更多SPI与 I2C线路,才可触及这些感测器,这样子会增加接线的复杂性,进而提高配置与维护的成本,尤其是距离拉长的时候。


本文说明开发人员如何利用Maxim Integrated的1-Wire通讯协定,以符合成本效益的单一线路加上接地方式连接 IoT 感测器;并且探讨1-Wire通讯协定的优点,包括大幅延伸感测器的范围,以及在相同电线上提供电力与数据。同时会介绍一款桥接装置,可将 1-Wire 讯号转换成 SPI 或 I2C,以及介绍一款开发套件与软体,协助设计人员着手开发。


延伸 IoT 与 IIoT 感测器的用途

IoT 与 IIoT 网路的延伸,在扩充功能性的同时,也让系统与制程更加有效率。这当中涉及使用感测器收集资料。在家里某个房间中可能有一个恒温器,其中含有温度感测器,若是自动化大楼或 IIoT 网路则会在房间,甚至在整个大楼或设施中放置多个温度与湿度感测器。举例而言,额外的感测器可能放在暖通空调(HVAC)管道中,并且搭配压力感测器。保全系统也有可能会使用不同类型的感测器,而且也有可能放在不同的位置。


制造以及输送带系统使用感测器的情况也越来越常见,以便监测制程并记录资料,藉此进行分析,例如如何让系统更有效率以便节省能源,同时还可提升安全性。


这些应用最常见的感测器有环境型,包括温度、湿度与压力;至於视觉型感测器,包括可见光与电容量接近感测器;位置感测器则包括微机电系统(MEMS)加速计、MEMS陀螺仪、振动感测器。


MEMS技术的小型化与进展得以让封装内的感测器尺寸比指甲更小,且仅消耗数百 mA。绝大多数感测器都可轻松透过SPI或I2C通讯介面进行存取,两种介面几??任何微控制器都有内建。介接这些简易型感测器时,若单纯只是为了进行温度取样,就打造整个 IoT或IIoT端点或子节点,其实是不实际的。因此通常较简单且更快速的作法是铺设直接连到感测器的 SPI 或 I2C 通讯线路就好。


在某些情况下,仍会使用类比感测器,例如高温热电偶与一些压力感测器。在这些情况下,微控制器会介接感测器端的SPI或I2C类比数位转换器,以便以本机方式对类比感测器进行取样。如此即可避免类比感测器线路上出现压降,进而提升准确性。


介接远端的 SPI 与 I2C 感测器

延伸SPI与I2C数据线路的范围,微控制器即可与这些感测器通讯。然而,I2C的范围限制在一公尺以内,SPI的限制也差不多。此外,全双工SPI需要四个引脚,包括每个SPI的单独周边选择引脚。


有监於此,若要触及汇流排上的四个SPI周边,就需要七个引脚,加上电源及接地,总共会有九个引脚。半双工 I2C 则需要两个引脚,再加上电源与接地,要连接周边,共需要四个引脚。同时,许多高速讯号都会增加电磁干扰(EMI),然後产生串音,这会降低讯号完整性并降低系统可靠度。需要的解决方案,必须能降低功耗与资料写入,并简化操作,同时还可与既有的 I2C 和 SPI 感测器维持相容性。


为了解决连接更远的远端感测器问题,同时减少电线数量,Maxim Integrated开发出1-Wire通讯协定,只需透过一条电线加上接地,就能连接绝大多数的SPI与I2C感测器。比起 SPI 的六条电线与I2C的四条,1-Wire可减少电线数量至两条,并可同时传输数据与电力至最远100 公尺。


运用 1-Wire

使用1-Wire时,远端感测器具有1-Wire 通讯桥接器,可将 1-Wire 通讯协定转换成相容的SPI或I2C讯号,以便介接感测器。1-Wire桥接器与感测器都只要透过1-Wire讯号再加上接地线即可寄生受电,如此即可在小型区域中布建1-Wire讯号,也因为使用更少电线,因此能够节省成本。


SPI与I2C都采用专属时脉讯号,而1-Wire则内建时脉并搭配数据讯号。SPI 可针对各个周边,使用个别选择讯号对特定周边进行定址;I2C则使用沿着数据线传输的 7 位元汇流排位址;相较之下,I2C则采用56位元位址,以硬接线方式接到各个单独的通讯桥接器。宽广的定址范围不仅可在汇流排上增加独特周边的数量,也可提升安全性,因此恶意人士更不容易猜到 1-Wire 汇流排上周边装置的位址。


1-Wire 周边汇流排的字组大小为 8 位元。微控制器 1-Wire 汇流排主机可位元响应 1-Wire 通讯协定,但亦有简易 UART 驱动程式的支援。因此甚至能让 8 位元微控制器当作 1 位元汇流排主机。1 位元汇流排可含有 SPI 或 I2C 周边,但无法两者兼备。此一致性可预防汇流排上产生冲突与冲撞,并可简化通讯协定的编程作业。


实际的 1-Wire 解决方案

若设计人员想要在 1-Wire 汇流排上介接 SPI 或 I2C 周边,Maxim Integrated 提供 DS28E18Q+T 1-Wire 对 I2C/SPI 桥接器搭配命令定序器。



图1 : DS28E18Q+T 1-Wire 对 I2C/SPI 桥接器搭配命令定序器可介接 1-Wire 汇流排 IO 与 GND 引脚。(source:Maxim Integrated)
图1 : DS28E18Q+T 1-Wire 对 I2C/SPI 桥接器搭配命令定序器可介接 1-Wire 汇流排 IO 与 GND 引脚。(source:Maxim Integrated)

在图 1 中,当 IO 处於高位时会从汇流排撷取寄生电源,并可在 SENS_VDD 引脚上取用以供电给周边装置。桥接器会缓冲并转换 1-Wire 命令成适当的 I2C 或 SPI 命令。


IO 引脚与GND会连接到 1-Wire汇流排,并以其状态机传送到前端。每个装置会以 56 位元ROM ID进行识别,并以8位元的 1-Wire 系列代码作为前缀,藉此指明DS28E18Q+T的修订版本。如此即可透过微控制器的韧体,提供特定DS28E18Q+T的唯一识别资讯,就可灵活地在装置系列中指出任何变更。装置有48位元的唯一序号,搭配 8 位元的循环冗馀检查(CRC)码。


前端会使用144位元组命令缓冲器,将转换後的资料传送到命令定序器,缓冲器中含有来自IO汇流排的128位元组资料,及内部用的16位元组。命令定序器会处理命令并在缓冲器中储存多达512位元组的I2C或SPI命令,以便之後传送到周边装置,而不是由 1-Wire汇流排依序处理命令。


此512位元组缓冲器亦可让DS28E18Q+T协调其本身内部的电源活动,如此一来,在与周边装置通讯的时间,也可维持寄生电力。命令定序器可在传送指令到I2C/SPI主控与 GPIO控制器时维持此时间,并由控制器处理资料,以便符合 I2C 与 SPI 标准。


外接的470 nF电容会接至CEXT引脚,可在1-Wire汇流排工作期间当作DS28E18Q+T的储备电源。寄生电源可供连接到SENS_VDD引脚的周边装置使用。若是SPI作业,四个引脚SS#、MISO、MOSI与SCLK可提供全双工通讯给连接的周边。I2C作业仅会使用两个引脚搭配交替功能引脚SDA与SCL。SPI作业用的引脚SS#与MISO,在I2C作业中并不会使用,因此可当作一般用途 I/O(GPIO)搭配交替功能SPIOA与GPIOB。如此即可提供更高灵活性,可用来点亮感测器位置的诊断LED,或管理感测器或ADC上的配置引脚,以更改装置的行为。


透过DS28E18Q+T,微控制器上的单独UART就只需要两条电线加上接地汇流排,即可跟相同1-Wire上的众多感测器进行通讯;每个感测器都可连接到最远100 m外的 DS28E18Q+T。此特点在HVAC系统仅可沿着风道布设两条电线时特别实用,如此即可在各个出风囗全程监测温度与湿度。监测阻碍可能导致的热点或冷点,有助於提升系统的效率。


1-Wire 的开发

若要开始使用 1-Wire 通讯协定进行开发,Maxim Integrated提供 DS28E18EVKIT# 评估系统。此系统含有硬体开发板 (图 2) 与软体。


图2 : Maxim 的 DS28E18EVKIT# 评估板能让开发人员轻松将 SPI 或 I2C 周边装置连接到 1-Wire 汇流排。随附的软体可用来对汇流排及周边装置的行为进行编程与监测,并有助於产生微控制器装置的驱动程式。(source:Maxim Integrated)
图2 : Maxim 的 DS28E18EVKIT# 评估板能让开发人员轻松将 SPI 或 I2C 周边装置连接到 1-Wire 汇流排。随附的软体可用来对汇流排及周边装置的行为进行编程与监测,并有助於产生微控制器装置的驱动程式。(source:Maxim Integrated)

此评估板可让开发人员对 DS28E18Q+T 进行编程与监测。若是开发用途,此板件随附的 USB 配接器可将板件介接到 Windows 电脑的 USB 连接埠。开发人员需要下载并执行 DS28E18EVKIT# 评估套件软体协助进行开发。如图 3 所示,评估软体可对 DS28E18Q+T 与其连接的周边进行编程与监测。



图3 : DS28E18EVKIT# 评估软体能让开发人员透过 USB 配接器配置板载 DS28E18Q+T,并监测其行为。512 位元组的命令定序器记忆体可储存资料,然後传送到周边装置以便执行感测器作业。(source:Maxim Integrated)
图3 : DS28E18EVKIT# 评估软体能让开发人员透过 USB 配接器配置板载 DS28E18Q+T,并监测其行为。512 位元组的命令定序器记忆体可储存资料,然後传送到周边装置以便执行感测器作业。(source:Maxim Integrated)

此软体可传送命令到 DS28E18Q+T 评估板,并针对目标 SPI 或I2C 周边进行配置。可选择周边装置的位址范围,并用要执行的周边装置命令填满 512 位元组的命令定序器记忆体。


此软体亦可协助针对目标微控制器来配置 UART 驱动程式,如此即可省去学习 1-Wire 通讯协定所有细节的麻烦,开发人员亦可在其应用中使用评估板,即可省下打造并配置感测器节点的时间与心力。


结论

随着 IoT 与 IIoT 系统添加更多感测器,感测器的接线越趋复杂与昂贵,特别是距离拉长时。传送电力到感测器也是考量之一,会让感测器网路的架设更为复杂。如本文所述,透过1-Wire 通讯协定与相关硬体能让感测器网路的介接更加简便且有效率,只需透过单一电线加上接地,即可供应数据与电力。


(本文由Digi-Key Electronics公司提供)


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