Как перестать бояться и полюбить 1-wire25.11.2020 21:17

Мне очень нравится протокол 1-wire своей простотой и удобством для применения в системах «умный дом». Недавно я писал программную эмуляцию одной микросхемы и погрузился во внутренности этого протокола. Чтобы накопленные знания могли принести пользу не только мне, я решил написать данную статью. Но в статье я хочу рассказать не про абстрактные диаграммы сигналов и кодирование данных — перепечаток такого материала есть достаточно, а хочу рассказать про более практические вещи. А именно: рассмотрю проверенные лично схемы адаптеров, собранные из простых и доступных деталей, и расскажу, как из Linux получить доступ к устройствам 1-wire. Попутно расскажу про сам протокол, будет и пример низкоуровневой работы, и пример доступа из JavaScript, а также рекомендации владельцам Raspberry Pi. Эта статья в первую очередь для тех, кто хочет разобраться с протоколом практически с нуля, чтобы начать его использовать в своих проектах. Возможно те, кто уже хорошо знаком с протоколом, также найдут что-то новое для себя.
Протокол 1-wire является проводным протоколом (в отличие от беспроводного), для кого-то это преимущество, а для кого-то — недостаток. Сеть 1-wire состоит из шины, к которой подключаются устройства 1-wire. На шине может присутствовать множество «подчиненных» устройств и только один «мастер». Подчиненные устройства могут общаться только с мастером и только по его запросу. Шина 1-wire состоит только из одной линии «данных» (отсюда и название — «однопроводный»), но для работы также необходима линия «земля», а для питания устройств еще и линия «питания». При небольшом количестве подчиненных и их небольшом энергопотреблении возможно также так называемое «паразитное» питание от линии данных. Таким образом, для подключения устройства по 1-wire Вам понадобится 3 (или 2) провода и мастер сети. Мастером сети может быть, например, микроконтроллер или ПК + адаптер 1-wire.

Физический уровень

Как же по одной линии происходит взаимодействие с множеством устройств? На физическом уровне линия устроена по принципу «монтажного И», это значит, что линия будет в состоянии логической »1» (уровень около 5V), если все устройства на линии перевели ее в состояние логической »1», а в состоянии логического »0» (около 0V), если хотя бы одно из устройств перевело ее в состояение логического »0». На практике это реализовывается подключением линии через резистор (называется «резистором подтяжки») к напряжению питания, а каждое из устройств может только замыкать линию с землей при помощи встроенного транзистора. Такой тип выхода устройств называется «открытый коллектор» или «открытый сток», англ. «open-drain». Резистор подтяжки обычно расположен в мастере сети (адаптере).

Очевидно, что при паразитном питании ток поступает через резистор подтяжки, и чем больше ток потребления устройств, тем ниже будет проседать напряжение линии. Стандартом регламентировано напряжение лиии 4.5–5.5V, хотя многие устройства и могут работать при значительно более низких напряжениях, но не все. Для снижения проседания напряжения можно уменьшить сопротивление резистора подтяжки, но согласно стандарту, сопротивление не должно быть менее 500 Ом. На практике сопротивление резистора подтяжки можно взять 1кОм, если будет использоваться паразитное питание, и, например, 4.7кОм, если питание будет по отдельной линии.

GPIO адаптер

Простейший адаптер 1-wire можно построить с помощью GPIO:

По такой схеме устроен «адаптер» при использовании GPIO микроконтроллера, работающего от напряжения 5V, соответсвенно на его портах допустимо напряжение до 5V. Но на портах Raspberry Pi допустимо напряжение до 3.3V, поэтому резистор подтяжки можно подключать только к 3.3V. Такой адаптер будет работать с некоторыми устройствами, но, как уже говорилось, не все устройства могут работать с пониженным напряжением. Эту проблему легко решить с помощью двунаправленого преобразователя логических уровней:

Диод между истоком и стоком на схемах иногда не обозначают, но он всегда есть в реальных транзисторах.

Схема адаптера с использованием GPIO для Raspberry Pi будет выглядеть следующим образом:

В этой схеме убран резистор подтяжки, подключенный к истоку, с этим «хаком» схема продолжит работать. Т.к. напряжение на GPIO (и на истоке) станет меньше чем 3.3V (напряжение на затворе) на величину напряжения затвор-исток, при которой открывается транзистор. Напряжения на GPIO будет достаточно, чтобы GPIO его воспринимал как логическую »1».

Канальный уровень

Для понимания принципа работы следующего типа адаптера, разберемся, как работает мастер 1-wire на канальном уровне. В 1-wire есть всего четыре примитива канального уровня: отправка ресет, чтение присутствия, отправка бита 0, отправка бита 1 и она же по совместительству чтение бита. Для понимания принципа будет достаточно рассмотреть только два последних: отправка бита 0 реализуется путем установки на линии логического »0» в течение 60–120 мкс, отправка бита 1 — путем установки »0» в течение около 8 мкс, чтение бита — путем последующего чтения состояния линии, если линия вернулась в »1», значит подчиненное устройство передало бит 1, если задержалась в »0» не менее, чем на 15 мкс — значит подчиненное таким способом передало бит 0.

Пассивный адаптер

Следующий типа адаптера построен на использовании UART. Если по UART на скорости 115200 BAUD передать байт FFh, то на TX появится логический »0» только во время передачи стартового бита, это около 8 мкс, подчиненные устройства это воспримут как отправку бита 1, а если передать байт 00h — появится логический »0» примерно на 78 мкс, подчиненные устройства это воспримут как отправку бита 0. А что если TX соединить с RX? Мы будем получать из UART ровно то, что передали: передали FFh — получили FFh. А если эту линию принудительно задержать в логическом »0» чуть дольше, то получим уже не FFh, а, например, FEh, FCh, F8h, F0h и т.д. Таким простым способом реализуется чтение бита. Схема адаптера, построенного на использовании UART, он еще называется «пассивным» адаптером, будет такой:

По такой схеме также часто строится «адаптер» для микроконтроллера, имеющего аппаратный UART. В схеме необходимо использовать только диод Шоттки, т.к. важно малое падение напряжение на диоде. Диод в этой схеме — это «хак» для преобразования выхода «пуш-пулл» (англ. push-pull) в подобие выхода «открытый коллектор». В выходе пуш-пулл к выходу коммутируется транзисторами либо земля, либо напряжение питания, а в выходе открытый коллектор коммутируется только земля, а для «обозначения» логической »1», выход переводится в высокоимпедансное состояние, в этом состоянии выход можно подтянуть резистором к любому напряжению и он беспрепятственно приобретает это напряжение.

Здесь стоит упомянуть адаптер для RS232, хоть этот интерфейс уже практически и не встречается. На канальном уровне UART и RS232 это один и тот же протокол, но на физическом они отличаются: в UART используется напряжение 0V и 5V (или 3.3V, такой адаптер будет немного позже), а в RS232 — +12V и -12V соответственно. Вот схема адаптера 1-wire для RS232, взятая из Dallas Application Note 74:

Как мы помним, в Raspberry Pi на всех портах допустимо напряжение до 3.3V, поэтому нужен вот такой «пассивный» адаптер для UART 3.3V:

В этой схеме также необходимо использовать только диод Шоттки.

Аппаратные адаптеры

Существует еще и третий тип адаптеров — аппаратные, это микросхемы-конвертеры в 1-wire, выпускаются они для трех протоколов: USB, UART, i2c. У них есть преимущества по сравнению с предыдущими типами, например, в «пассивном» адаптере используется прием/передача целого байта для приема/передачи одного бита, а в аппаратном на этом получаем выигрыш в 8 раз (на самом деле аппаратно реализованы и другие функции: ресет, алгоритм поиска), кроме скорости это и упрощение, и сокращение кода, что очень актуально для микроконтроллеров.

Но главное преимущество аппаратных адаптеров это «активная» подтяжка. Разберемся с этим подробнее, для наглядности рассмотрим случай с паразитным питанием. При кратковременном нахождении линии в логическом »0», устройства питаются от своих встроенных конденсаторов, разряжая их, а при возвращении линии в логическую »1», конденсаторы начинают заряжаться, потребляя повышенный ток от линии. Как мы помним, ток идет через резистор подтяжки, имеем RC-цепь с переходным процессом с постоянной времени t=R*C, что проявляется в медленном нарастании напряжения на линии. Очевидным выходом в этой ситуации является кратковременное уменьшение сопротивления резистора подтяжки для сокращения постоянной времени переходного процесса. Эта техника и называется активной подтяжкой, реализовывается путем коммутации линии с напряжением питания на несколько микросекунд (вспоминаем тип выхода пуш-пулл). Это очень помогает на длинных или не очень качественных линиях, т.к. сами проводники также имеют сопротивление.

Конверторы из USB и i2c мне не доводилось использовать, а вот схему с применением микросхемы-конвертера из UART (DS2480B) я приведу, но позже и в чуть более продвинутом исполнении.

Гальваническая развязка

В предыдущих рассмотренных схемах линии земля, питание и данные прямо или косвенно соединяли внутренние схемы всех устройств. Такой вариант подойдет, если устройства будут под Вашим контролем и в безопасной среде, скажем в пределах квартиры или дома. Но если, например, датчик, работающий по 1-wire необходимо установить на крышу (метеостанция), то необходимо задуматься о защите. В данном случае речь идет о защите внутренних схем дорогостоящего оборудования от повышенного напряжения или статических разрядов. Защитить ПК или Raspberry Pi можно, отвязав его гальванически от всех линий 1-wire.

Развязывать необходимо две вещи: питание (и вместе с ним землю) и сигналы. Питание адаптера можно обеспечить от отдельного БП или использовав DC-DC преобразователь с гальванической развязкой (например B0505S). Сигналы можно развязать с помощью оптронов, это пара светодиод-фототранзистор в закрытом общем корпусе. Оптрон позволяет передавать сигнал только в одном направлении, а линия 1-wire является двунаправленной и, к сожалению, нет простых схем сделать двунаправленную гальваническую развязку. Это же касается GPIO, USB и i2c. А вот в UART обе линии RX и TX являются однонаправленными, поэтому получится сделать адаптер как пассивный, так и на аппаратном 1-wire-UART конвертере. Необходимо учесть, что в пассивном адаптере используется скорость UART 115200 BAUD, а аппаратный производит обмен данными на скорости 9600 BAUD. При выборе оптронов необходимо обращать внимание на параметры tON, tOFF, они должны быть существенно меньше 1/BAUD.

К сожалению у меня не нашлось быстрых оптронов, а PC817C, которые были в наличии, уверенно работали только до 19200 BAUD. Примерно таким образом я бы реализовал пассивный адаптер с гальванической развязкой, но, в отличие от остальных схем, эту схему я не проверял:

Полевой транзистор в этой схеме использован для создания большого входного сопротивления «приемной» части. Бонусом гальванической развязки является то, что схема одинаково будет работать и при напряжении UART 5V, и при 3.3V.

И, как было обещано, схема адаптера с применением 1-wire-UART конвертера (микросхема DS2480B) с гальванической развязкой:

Это самый совершенный из всех перечисленных адаптеров.

Приведу также свой вариант его реализации на макетной плате:

Две перемычки используются для подачи GND и +5V на DC-DC в случае UART 5V, а при подключении к UART 3.3V одна убирается и контакт подключается к +5V, второй перемычкой землю также можно сделать отдельной от земли UART.

Эмуляторы адаптеров

За неимением микросхемы DS2480B можно воспользоваться ее программной эмуляцией на любом микроконтроллере AVR, который имеет аппаратный UART. Такой МК установлен практически во всех Arduino. Здесь приведу схему, как из популярного программатора USBasp на микроконтроллере ATmega8A сделать 1-wire адаптер:

Для прошивки Вам, естественно, понадобится второй программатор. Код эмулятора и готовую прошивку можно скачать отсюда, код взят из проекта tinyowd, в эмуляторе не реализована активная подтяжка и некоторые функции.

Сетевой уровень

На сетевом уровне мастер при общении с подчиненными устройствами уже может оперировать байтами. Как мы помним, на канальном уровне при отправке бита 1 происходит и одновременное чтение, и в ответ можно получить бит 0. Таким образом при отправке байта, на его основе формируется байт ответа, в котором некоторые биты могут быть обнулены.

Все подчиненные устройства «слышат» мастера однвременно, но отвечать должно только одно. Для этого после начальной процедуры «отправка ресет, чтение присутствия» осуществляется процедура «адресации подчиненного», после которой весь последующий обмен данными осуществляется только с выбранным подчиненным, а все остальные устройства эти данные игнорируют до следующего цикла «отправки ресет».

Существует всего четыре команды сетевого уровня, которые понимают все без исключения подчиненные: CCh (SKIPROM), 33h (READROM), 55h (MATCHROM), F0h (SEARCHROM). Но есть и некоторые другие, например, ECh (ALARM), A5h (RESUME) и Overdrive-варианты предыдущих команд, которые понимают не все устройства. На самом деле две первые команды адресуют не одно, а все устройства, первая (SKIPROM) используется для широковещательной рассылки команд, например «запустить на всех устройствах измерение температуры», а сама температура будет прочитана позже по отдельности с каждого устройства. Вторая (READROM) используется только когда известно, что устройство на шине может быть только одно. Но для проверки на сетевом уровне есть еще контрольная сумма адреса, так что, если ответят несколько устройств, контрольная сумма это позволит выявить.

Адреса 1-wire, их еще называют идентификаторами, имеются только у подчиненных устройств. Адреса имеют длину 8 байт, из которых независымые только 7, а восьмой байт содержит контрольную сумму этих семи байтов адреса. Адреса всех устройств уникальны, они прошиваются при изготовлении и изменить их уже нельзя. Первый байт адреса всегда одинаков для одного типа микросхем, т.е. по нему можно однозначно определить название микросхемы. Этот байт носит название «адрес семейства».

После процедуры «адресации подчиненного» последующий обмен данными уже относится к сеансовому и более высоким уровням модели ISO OSI и может отличаться для разных семейств устройств.

Низкоуровневая работа

Продемонстрирую, насколько просто происходит работа с DS2480B. Для этого в одном терминале из командной строки bash запускаем:

while IFS= read -rd "" -n1 c;do printf "%02x\n" "'$c";done 

stty -F /dev/ttyAMA0 raw pass8 4800
echo -ne '\x00' > /dev/ttyAMA0

stty -F /dev/ttyAMA0 9600

echo -ne '\x01' > /dev/ttyAMA0

echo -ne '\xc1' > /dev/ttyAMA0

echo -ne '\xe1' > /dev/ttyAMA0

echo -ne '\x33' > /dev/ttyAMA0

echo -ne '\xff\xff\xff\xff\xff\xff\xff\xff' > /dev/ttyAMA0

cd
33
28
8d
f4
44
02
00
00
a6

sudo modprobe ds2490

sudo modprobe i2c-<контроллер>
sudo modprobe ds2482
sudo echo 'ds2482 0x18' > /sys/bus/i2c/devices/i2c-0/new_device

sudo modprobe w1-gpio

dtoverlay=w1-gpio,gpiopin=4
dtoverlay=w1-gpio,gpiopin=17
dtoverlay=w1-gpio,gpiopin=27

sudo apt-get update -y
sudo apt-get install -y owfs ow-shell

## USB адаптер на микросхеме DS2490
#server: usb
## i2c адаптер на микросхеме DS2482
#server: device /dev/i2c-0
## UART адаптер на микросхеме DS2480B
server: device /dev/ttyAMA0
## Пассивный адаптер
server: passive /dev/ttyUSB0
## доступ к адаптерам через драйверы ядра
#server: w1
## [адрес:]порт, на котором owserver принимает соединения от клиентов
server: port localhost:4304
## [адрес:]порт, на котором owhttpd принимает соединения от клиентов
http: port localhost:2121

owdir /
owwrite /1d.40420f484e59/pages/page.6 'Электроэнергия кв.1'

owget -s 10.0.0.1:4304 /1d.40420f484e59/counter.A

server: port 10.0.0.1:4304

var r = new XMLHttpRequest();
r.open("GET", "http://127.0.0.1:2121/json/uncached/", true);
r.responseType = "json";
r.onload = function () {
  var i, h = "";
  if (this.status == 200 && typeof this.response === "object")
    for (i in this.response)
      h += i + "
";
  document.getElementById("owlist").innerHTML = h;
};
r.send();

KERNEL=="ttyAMA0", SUBSYSTEM=="tty", SYMLINK+="owbus0", OWNER="owfs"
KERNEL=="ttyUSB[0-9]*", SUBSYSTEM=="tty", SUBSYSTEMS=="usb",  ATTRS{idVendor}=="0403", ATTRS{idProduct}=="6001", ATTRS{serial}=="FTVNG262", SYMLINK+="owbus1", OWNER="owfs"

dtoverlay=disable-bt
dtoverlay=uart2
dtoverlay=uart3
dtoverlay=uart4
dtoverlay=uart5

AMA0 TX=GPIO14(пин  8) RX=GPIO15(пин 10)
AMA1 TX=GPIO0 (пин 27) RX=GPIO1 (пин 28)
AMA2 TX=GPIO4 (пин  7) RX=GPIO5 (пин 29)
AMA3 TX=GPIO8 (пин 24) RX=GPIO9 (пин 21)
AMA4 TX=GPIO12(пин 32) RX=GPIO13(пин 33)

+-----------------------+------------------+--------------------------+
|                       | 1-wire           | ModBus                   |
+-----------------------+------------------+--------------------------+
| Проприетарный         | Да               | Нет                      |
| Документация          | Открыта          | Открыта                  |
| Физический уровень    | 1-wire           | RS485, RS232, TCP/IP,... |
| Канальный уровень     | 1-wire           | UART                     |
| Сетевой уровень       | 1-wire           | ModBus                   |
| Уровень приложения    | 1-wire           | ModBus                   |
| Только два провода    | да               | возможно в RS485         |
| Паразитное питание    | да               | нет                      |
| Напряжения            | 0..5 V           | до +/-12V в RS485        |
| Дифференциальный сигн.| нет              | да, в RS485              |
| Скорость обмена       | фикс. ~15 kbit/s | выбирается, до 10 Mbit/s |
| Фронты сигналов       | < 8 us           | < 1/BAUD                 |
| Точность тактирования | +/-50%           | +/-5%                    |
| Длина линии           | до 300м          | до 1200м (10^8/BAUD)     |
| Размер пакета         | не ограничен     | до 253 байт              |
| Размер адреса         | 56 бит           | 8 бит                    |
| Контрольная сумма     | 16 бит           | 16 бит                   |
+-----------------------+------------------+--------------------------+

dtoverlay=w1-gpio,gpiopin=4

server: w1
server: port localhost:4304
http: port localhost:2121

server: passive /dev/ttyUSB0
server: port localhost:4304
http: port localhost:2121

owdir /