1-Wire
1-Wire bzw. One-Wire oder Eindraht-Bus beschreibt eine serielle Schnittstelle, die mit einer Datenader auskommt. Die Datenader wird als Stromversorgung, Sende- und Empfangsleitung genutzt. Integrierte Bausteine zur Temperaturmessung, Akkuüberwachung, Echtzeituhr, kleiner Speicher etc. öffnen dem Geräteherstellern eine einfache Intergration über eine Ader. Diese Technik kommt daher sehr häufig zur Kommunikation zwischen mehreren Geräten vor, z.B. zwischen einem mobilem Datenerfassungsgerät (PDA) und dessen Akku.
Übersicht
- Die Übertragung erfolgt in Blöcken (à 64 Bit).
- Die Verbindung arbeitet seriell mit einer Datenleitung für Senden und Empfangen (bidirektional).
- Die Datenübertragung erfolgt asynchron, d.h. es wird kein Taktsignal übertragen.
- Übertragen wird im Halbduplexverfahren, d.h. erst wird ein Block gesendet, dann wird ein Block empfangen.
- Die Übertragung erfolgt nach dem One-Master/Multi-Slave Prinzip, d.h. es können pro Bus nur einen Master (Steuereinheit), aber bis zu 100 Slaves (Sensoren, Speicher etc.) eingesetzt werden.
- Jeder Slave hat eine 56 Bit breite Seriennummer (Unique-Device-ID). Über diese muss die Adressierung der Bausteine erfolgen.
- Die Slaves versorgen sich über einen internen Kondensator, der über die Datenleitung aufgeladen wird. Eine externe Spannungsversorgung ist nicht notwendig.
- 1-Wire ist eine Spannungsschnittstelle. Die Spannung ist geräteabhängig zwischen 2,8 und 6 Volt
Elektrische Eigenschaften
Viele 1-Wire-Geräte arbeiten mit einer Betriebsspannung, die zwischen 2,8 V und 5,5 V liegen darf. Bei einigen Geräten sind hingegen nur 3,0 V bis 3,7 V zugelassen, daher sollte unbedingt vorher das Datenblatt beachtet werden. Die Stromaufnahme der 1-Wire-Geräte liegt je nach Baustein zwischen 2 μA und einigen mA.
Eine Besonderheit von 1-Wire-Geräten ist die parasitäre Stromversorgung. Diese ermöglicht das Betreiben eines 1-Wire-Gerätes ohne eine zusätzliche Stromversorgung. Der Strom, der während des Betriebs benötigt wird, wird dabei von einem internen Kondensator geliefert, der sich über die Datenleitung auflädt, wenn der Bus auf High-Pegel ist. Dieser Kondensator ist so ausgelegt, dass er einen Low-Pegel bis ca. 960 μs überbrücken kann.
Der 1-Wire-Bus wird über einen PullUp-Widerstand, der in der Regel zwischen 1,5 und 5 kΩ liegt, auf High-Pegel gezogen. Die Größe sollte je nach Anzahl der Geräte und Leitungslänge entsprechend angepasst werden.
Timing
Da der 1-Wire-Bus im Gegensatz zu vielen anderen Bussystemen keine separate Leitung für das Taktsignal besitzt, spielt das Timing eine besondere Rolle. Da jedes 1-Wire-Gerät einen internen Oszillator besitzt, können die Daten nur asynchron übertragen werden. Um eine logische 1 zu erzeugen, wird der Bus für 5 μs auf Low gezogen, eine logische 0 entspricht 59 μs. Für einen Reset ist ein Low-Pegel mit einer Dauer von 480 μs erforderlich.
Die 1-Wire-Geräte besitzen zusätzlich noch einen Overdrive-Modus, der es ermöglicht, weitaus höhere Übertragungsraten zu erzielen. Um im Overdrive-Modus eine logische 1 zu erzeugen, muss nur noch lediglich für 1-2 μs ein Low-Pegel anliegen, für eine logische 0 sind im Overdrive-Modus schon 6μs ausreichend. Um einen Reset zu erzeugen reichen schon 48 μs aus. Ist das Reset-Signal länger als 80 μs, so gehen die 1-Wire-Geräte in den regulären Betriebsmodus, ansonsten bleiben sie im Overdrive-Modus.
Im regulären Betriebsmodus sind durch die oben aufgeführten Timingbedingugen Datenraten von bis zu 16,3 KBit/s möglich. Der Overdrive-Modus beschleunigt dies auf bis zu 142 KBit/s.
Leitungsanforderungen
Die Verkabelung kann über einfaches verseiltes Kabel (Twisted Pair) erfolgen. Eine Abschirmung ist laut Dallas Semiconductor nicht notwendig. Die nicht verwendeten Adern sollten nicht gegen Masse geschaltet werden, da dadurch eine zusätzliche Kapazität von ca. 30 pF/m (pro Adernpaar) die Anstiegszeit vergrößern würde. Idealerweise sollte ein Twisted-Pair-Kabel der Kategorie 5 verwendet werden. Mit einem passiven PullUp-Widerstand sind so Leitungslängen von bis zu 100 m mit 150 1-Wire-Geräten möglich. Durch die eine Slew rate-Kontrolle und einem aktivem Pullup-Widerstand ist es sogar möglich, Leitungslängen von bis zu 300 m mit 500 1-Wire-Geräten zu realisieren.
Weitere Standards
iButton®: Der registrierte Standard basiert auf der gleichen Technik. Er beschreibt die Kommunikation zu Geräten in Knopfzellengröße.