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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(gè)或多個(gè)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(chǔ)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(dòng)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(shì)，而1-Wire接口在串行通信中不失為一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
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(gè)或多個(gè)外設(shè)器件通信。以前，μC的外設(shè)是以存儲(chǔ)器映射方式與數(shù)據(jù)和地址總線連接的。對(duì)地址線譯碼以獲得片選信號(hào)，從而在有限的地址范圍內(nèi)為每個(gè)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(chǔ)器字節(jié)的數(shù)目)]。例如，與一個(gè)16字節(jié)外設(shè)通信時(shí)，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(shí)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(jì)者還應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：
除這些特性外，具體應(yīng)用還會(huì)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(dòng)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
表2. 1-Wire、LIN總線和SensorPath總線系統(tǒng)的性能差異
除了時(shí)鐘線外，I2C/SMBus還為總線上傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)提供一個(gè)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(gè)啟動(dòng)條件，并跟隨從器件地址和一個(gè)數(shù)據(jù)方向位(讀/寫)，最后結(jié)束于一個(gè)停止條件。對(duì)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(gè)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(shí)會(huì)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(gè)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(gè)或多個(gè)地址位，以在總線上掛接多個(gè)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(shí)刻可在軟件控制下激活某個(gè)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(diǎn)查找或枚舉功能，因此很難處理節(jié)點(diǎn)數(shù)動(dòng)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。
LVDS18、RS-48519和CAN20可實(shí)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(gè)主機(jī)。這些標(biāo)準(zhǔn)中低壓差分信號(hào)(LVDS)是速率最快的，如果總線長(zhǎng)度不超過10m，可工作在100Mbps速率下。可用的數(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(jì)，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(diǎn)的形式給出。一個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)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(jì)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(shí)時(shí)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(dòng)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(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)沒有任何限制。CAN節(jié)點(diǎn)支持熱插拔，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)可以動(dòng)態(tài)變化。
類似文章出現(xiàn)在2006年9月出版的Electronic Products上。
參考資料
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(gè)或多個(gè)外設(shè)器件通信。以前，μC的外設(shè)是以存儲(chǔ)器映射方式與數(shù)據(jù)和地址總線連接的。對(duì)地址線譯碼以獲得片選信號(hào)，從而在有限的地址范圍內(nèi)為每個(gè)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(chǔ)器字節(jié)的數(shù)目)]。例如，與一個(gè)16字節(jié)外設(shè)通信時(shí)，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(shí)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(jì)者還應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)：
- 通過何種方式選擇某個(gè)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(shí)鐘線，或借助內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)流中的時(shí)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(duì)差分線上傳輸(兩根線按相反的方向同時(shí)轉(zhuǎn)換其電壓)。
- 通信線路的兩端均使用匹配電阻實(shí)現(xiàn)阻抗匹配(通常用于差分信號(hào)傳輸)，還是不匹配或僅在一端匹配(通常用于單端總線)。
除這些特性外，具體應(yīng)用還會(huì)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(dòng)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(diǎn)：- 互連布線一定要簡(jiǎn)單(信號(hào)線越少越好)。
- 必須能夠輕松地通過軟件實(shí)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。
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(dòng)器，可以極大地?cái)U(kuò)展1-Wire總線網(wǎng)絡(luò)的距離。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器
對(duì)于基于協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)者需要軟件驅(qū)動(dòng)程序來產(chǎn)生通信波形(鏈路層)，識(shí)別并尋址網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)層)的單個(gè)從器件/節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送/接收數(shù)據(jù)(傳輸層)。軟件驅(qū)動(dòng)程序與特定操作系統(tǒng)和通信端口有關(guān)。可提供基于各類端口的1-Wire硬件驅(qū)動(dòng)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(huì)限制網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。電源
必須為網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)從器件供電，以實(shí)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(qǐng)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(shí)印刷電路板"10。當(dāng)然由于必須為供電留出時(shí)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(zhǎng)度(電容)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)查找功能
該特性允許主機(jī)識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中從器件的數(shù)目、類型和地址。這一點(diǎn)對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)動(dòng)態(tài)(變化)的網(wǎng)絡(luò)來說必不可少。請(qǐng)參考Dallas工程期刊(第2期)11第22頁(yè)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(shí)際應(yīng)用可以提供時(shí)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(shí)特性后的派生總線類型。在某個(gè)節(jié)點(diǎn)與總線主機(jī)失去同步的情況下，超時(shí)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(cè)周期可將通信接口復(fù)位至確定的啟動(dòng)條件下。除了時(shí)鐘線外，I2C/SMBus還為總線上傳輸?shù)拿總€(gè)字節(jié)提供一個(gè)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(gè)啟動(dòng)條件，并跟隨從器件地址和一個(gè)數(shù)據(jù)方向位(讀/寫)，最后結(jié)束于一個(gè)停止條件。對(duì)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(gè)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(shí)會(huì)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(gè)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(gè)或多個(gè)地址位，以在總線上掛接多個(gè)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(shí)刻可在軟件控制下激活某個(gè)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(diǎn)查找或枚舉功能，因此很難處理節(jié)點(diǎn)數(shù)動(dòng)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(gè)從器件提供一條額外的片選線。由于具有片選信號(hào)，SPI協(xié)議只定義了針對(duì)存儲(chǔ)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(gè)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(shí)，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(hào)的譯碼邏輯，以尋址某個(gè)特定器件。但是不會(huì)產(chǎn)生地址沖突問題。和I2C總線一樣，不提供節(jié)點(diǎn)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(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)。RS-485、LVDS、CAN、USB 2.0和FireWire
我們對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論，以舉例說明差分傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。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(diǎn)對(duì)點(diǎn)電氣連接。使用先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)(USB)，或采用對(duì)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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)ireWire允許最多63個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用無源電纜時(shí)節(jié)點(diǎn)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(jì)，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(diǎn)數(shù)動(dòng)態(tài)變化。LVDS18、RS-48519和CAN20可實(shí)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(gè)主機(jī)。這些標(biāo)準(zhǔn)中低壓差分信號(hào)(LVDS)是速率最快的，如果總線長(zhǎng)度不超過10m，可工作在100Mbps速率下。可用的數(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(jì)，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(diǎn)的形式給出。一個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)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(jì)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(shí)時(shí)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(dòng)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(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)沒有任何限制。CAN節(jié)點(diǎn)支持熱插拔，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)可以動(dòng)態(tài)變化。
結(jié)語(yǔ)
在簡(jiǎn)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(dòng)器。I2C和SMBus除了需要數(shù)據(jù)線和參考地之外，還需要時(shí)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(diǎn)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(hào)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(shí)已經(jīng)證明，1-Wire器件在下列應(yīng)用中極為有效：全球識(shí)別號(hào)21、電路板/配件標(biāo)識(shí)與認(rèn)證10、溫度檢測(cè)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(chǔ)器和質(zhì)詢-響應(yīng)機(jī)制的器件，它能以最低的成本實(shí)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
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- The valid M-Bus standard. www.m-bus.com/ (meter reading)
- "Overview of 1-Wire Technology and Its Use." www.maxim-ic.com/AN1796 (intro to 1-Wire)
- LIN Local Interconnect Network. www.lin-subbus.org/ (LIN specification)
- National Semiconductor. "Cost Effective Partitioning of IO and Management Functions in PCs - Introduction of SensorPath? Technology." www.national.com/nationaledge/jan04/article.html (SensorPath)
- "性能優(yōu)異的1-Wire網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器 " www.maxim-ic.com.cn/AN244 (硬件驅(qū)動(dòng)器)
- "1-Wire網(wǎng)絡(luò)可靠設(shè)計(jì)指南" www.maxim-ic.com.cn/AN148 (1-Wire網(wǎng)絡(luò))
- "1-Wire軟件資源指南" www.maxim-ic.com.cn/AN155 (軟件驅(qū)動(dòng)器)
- "確定多從機(jī)1-Wire網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)時(shí)間" www.maxim-ic.com.cn/AN3829 (恢復(fù)時(shí)間)
- "利用1-Wire產(chǎn)品標(biāo)識(shí)印刷電路板" www.maxim-ic.com.cn/AN178 (電路板識(shí)別)
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- "The I2C-Bus Specification, Version 2.1, January 2000." www.nxp.com/acrobat_download/literature/9398/39340011.pdf (I2C)
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工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論