платформы нижнего уровня

Платформа 1-WIRE: общий обзор

: общие сведения : : архитектура : : элементная база и схемотехника : : функциональные узлы и модули : : программное обеспечение : : правовая защита : : примеры проектов : : резюме :

 

Разработчиком платформы 1-Wire является Dallas Semiconductor Corporation (US). В 2001 году она была приобретена гигантом мировой микроэлектроники фирмой Maxim Integrated Products (US). Платформа включает серию микросхем и устройств iButton на их основе, а также различные адаптеры, наборы для макетирования и программное обеспечение.

Производство микросхем и устройств iButton является исключительной прерогативой фирмы Maxim, их клонирование другими производителями политикой лицензирования не предусмотрено. В то же время сторонние фирмы разрабатывают и производят на основе микросхем данной платформы разнообразные модули для систем автоматизации, адаптеры, контроллеры, системы макетирования, а также ПО.

Рис.1. Компоненты платформы 1-Wire.

 

Платформа разрабатывалась с конца 80-х до конца 90-х годов и предназначалась для задач контактной идентификации объектов, в т.ч. с функциями измерения и регистрации температуры, влажности, параметров автономного электропитания, а также с функциями съема, хранения и переноса данных. Широко распространенным образцом такого рода применения является ключ-таблетка для домофона. Менее известным, но также широко распространенным является использование платформы 1-Wire для решения задач идентификации и регистрации параметров картриджей, материнских плат, биологических объектов, идентификации и защиты от несанкционированного доступа различных боксов, контейнеров и т.п. Суть данного целевого назначения и принципа действия отражена в термине «Touch Memory» (контактная память), который часто используют для упоминания устройств iButton. Подробную информацию о штатных областях применения и достоинствах платформы 1-Wire можно найти на следующих страницах сайта фирмы Maxim Integrated:

• Maxim>Products>Communication>1-Wire.
• Maxim>Products>Communication>iButton.
• AN1796. Overview of 1-Wire Technology and Its Use.
• AN3967. Selecting a Serial Bus.

Несмотря на такое изначально узкоцелевое назначение, платформа 1-Wire по своим технико-экономическим характеристикам оказалась весьма подходящей для бюджетных решений определенных категорий АСУ ТП. Продвижение платформы в нишу автоматизации явилось предпосылкой ее использования в дальнейшем и в системах «умного» дома, в первую очередь в системах контроля микроклимата и метеоусловий, что обусловлено составом датчиков. Особо по вкусу платформа пришлась мелким частным компаниям и разного рода умельцам, разработавшим для нее ряд программных средств, контроллеров, периферийных модулей, а также создавшим ряд проектов домашней автоматизации.

Оценки доли платформы на рынке систем домашней автоматизации отсутствуют.

 

Базовыми решениями, на которых основана платформа, являются следующие:

A. Двухпроводный интерфейс.

Интерфейс 1-Wire имеет всего два провода - общий, который часто именуют «обратным» (return) и сигнальный, по которому передаются сигналы управления и данные. Напряжение питания абонентов при этом формируется путем пикового детектирования напряжения на сигнальном проводе, т.е. используется т.н. «паразитное» питание (рис.2), возможность реализации которого достигается низким энергопотреблением разработанной для 1-Wire элементной базы и применением выходных каскадов с открытым коллектором.

Рис.2. Схема формирования «паразитного» питания.

 

Вместе с тем в устройствах, имеющих функцию автономной регистрации данных, т.е. без подключения к магистрали, предусматривается внутренний источник питания (литиевая батарейка), а питание устройств с повышенным потреблением производится от внешнего источника по отдельной линии.

Ограничение магистрали всего двумя линиями позволяет обеспечить гарантированный контакт внешних цепей устройства iButton с цепями контактного устройства магистрали «легким движением руки», т.к. для этого требуется механическое сопряжение всего двух пар элементов. Именно в этом, собственно говоря, и заключается главное достоинство «двухпроводности» применительно к первоначальным задачам платформы 1-Wire.

B. Индикация подключения в горячем режиме.

Протокол 1-Wire предусматривает выдачу устройством, поключаемым к магистрали в горячем режиме, импульса, оповещающего о появлении на магистрали нового устройства. Необходимость такого оповещения также дикутется особенностями целевого назначения платформы, поскольку обмен с устройством iButton должен инициироваться в момент его подключения к магистрали.

C. Уникальный идентификатор устройства

Каждая микросхема 1-Wire содержит уникальный 64-битный код, записываемый на этапе производства. Данный код позволяет индивидуализировать все выпускаемые устройства 1-Wire, для чего производитель гарантирует отсутствие одинаковых кодов (аналогично MAC-адресам сетевых адаптеров). При подключении к магистрали данный код считывается контроллером и используется для идентификации связанного с этим устройством объекта, а также для определения типа устройства. При подключении к магистрали нескольких устройств их коды могут использоваться в качестве их адресов, что позволяет строить технологические сети, получившие название MicroLAN.

 

Замечание. Для задач автоматизированного управления, к которым, в том числе, относятся и задачи «умного дома», данные решения не дают каких-либо преимуществ. Так, нет ощутимой разницы при использовании в современном интерьере двухпроводного и, например, четырехпроводного кабеля, тем более, что использование исполнительных устройств все равно потребует отдельной линии питания. Также не актуальна для домашней автоматики возможность подключения устройства в «горячем» режиме, если только это не ключ электронного замка. Использование же в качестве адреса устройства его идентификатора вместо установки фиксированного, регламентированного проектом, вообще сопряжено с определенными неудобствами наладки и ремонта сети, хотя разработчик и предлагает соответствующие алгоритмы самонастройки и адаптации, а также возможность установки с помощью внешних перемычек для ряда устройств дополнительного 4-х битного локального адреса. Пригодность платформы для отдельных ниш автоматизации вытекает из ее дешевизны, простоты применения, наличия в составе ряда востребованных датчиков, устройств сопряжения со стандартными интерфейсами, драйверов для распространенных операционных систем, а также наличием возможности расширения функционала за счет применения элементной базы общего назначения.

 

Сеть на базе протокола 1-Wire имеет централизованную архитектуру. Информационный обмен происходит под управлением центрального контроллера - «мастера», остальные сетевые устройства имеют статус «слэйв» (рис.3). В качестве контроллера сети может использоваться любое программируемое устройство, имеющее внешний интерфейс. Для согласования контроллеров с магистралью 1-Wire в составе программно-технических средств платформы имеются адаптеры и драйверы для проводных последовательных интерфейсов RS-232, RS-485, I2C, SPI, Ethernet, для параллельного интерфейса LPT, а также для Wi-Fi.

Рис.3. Конфигурация сети MicroLAN на базе протокола 1-Wire

 

Топология сети может иметь как линейную, так и ветвящуюся древовидную структуру. Основные параметры интерфейса 1-Wire следующие:

• максимальная длина магистрали при использовании витой пары - до 300 м;
• максимальное количество абонентов на магистрали максимальной длины - до 250;
• скорость обмена по магистрали максимальной длины - до 16,3 кбит/c;

Для магистрали рекомендуется ипользовать стандартную витую телефонную пару CAT5. В случае использования стандартного телефонного провода с двумя парами вторую пару использовать для других целей не рекомендуется во избежание увеличения емкости линии, т.е. в случае подачи внешнего питания на устройства желателен отдельный кабель.

Обмен данными по магистрали включает три фазы (рис.4):

• фазу сброса, включающую импульс сброса от контроллера и ответный импульс подтверждения присутствия от абонента (абонентов);
• фазу выборки устройства, включающую команду его выборки (по коду, без кода, групповую, поиска) и его код, если командой он предусмотрен;
• фазу записи/чтения данных, включающую код команды и данные.

Рис.4. Циклограмма обмена данными

 

Логика всех устройств тактируется отрицательным фронтом сигналов контроллера как в режиме записи, так и в режиме чтения. Биты кодируются длительностью положительного импульса: «1» передается длинным импульсом, а «0» - коротким. В режиме записи все импульсы данных формируются контроллером. В режиме чтения контроллер формирует последовательность единиц, а абонент накладывает на них свою маску нулей (рис.5).

Рис.5. Тактирование и кодирование на физическом уровне

 

Более подробные сведения об архитектуре магистрали 1-Wire приведены в следующих официальных документах фирмы Maxim:

• Reading and Writing 1-Wire Devices Through Serial Interfaces.
• 1-Wire Extended Network Standard.

Архитектура ЗУ и регистров периферийных устройств платформы организована таким образом, что совокупность всех сетевых устройств может быть представлена как единая файловая система, что позволяет работать с сетью как с интегрированным носителем данных. Описание ее структуры приведено в AN114 1-Wire File Structure.

 

Номенклатура микросхем платформы 1-Wire и устройств iButton включает как простые носители кода идентификации, так и носители кода идентификации с дополнительными функциями, в т.ч.

• с функциями различных типов ЗУ - Memory EPROM, EEPROM, ROM, NV SRAM;
• с функциями измерения температуры - Temperature Sensors;
• с функциями мониторинга, защиты и конфигурирования элементов электропитания - Battery Monitors, Protectors, and Selectors и Battery ID and Authentication;
• с функциями хронирования - Timekeeping & Real-Time Clocks,

а также интерфейсные микросхемы для сопряжения контроллеров с магистралью 1-Wire - 1-Wire Interface Products.

Номенклатура «таблеток» iButton Products кроме устройств простой идентификации тоже, как и микросхемы, содержит устройства с расширенными функциями - с различными видами запоминающих устройств, с функциями измерения и регистрации температуры (Termochron), а также с функциями измерения и регистрации влажности (Hydrochron). Последнее обеспечивается использованием в их составе соответствующих датчиков.

Авторизованным дистрибьютором элементной базы 1-Wire в РФ является фирма Rainbow Electronics (дополнительный сайт iButton.Ru).

Вся схемотехника, реализующая архитектуру, уже заложена в микросхемах платформы. При разработке периферийных устройств разработчику остается только добавить обвязку для сопряжения с датчиками, актюаторами и устройствами индикации, элементы защиты внешних цепей и, если потребуется, элементы внешнего электропитания. При разработке интерфейсных адаптеров необходима, соответственно, обвязка для сопряжения микросхем - драйверов магистрали с интерфейсом контроллера сети. На рис. 6 в качестве примера приведен фрагмент схемы модуля дискретного ввода-вывода фирмы ЭлИн.

Рис.6. Фрагмент схемы модуля дискретного ввода-вывода фирмы ЭлИн

 

 

 

 

 

На базе комплектующих 1-Wire, выпускаемых фирмой Maxim, производится достаточно большое разнообразие конструктивно и функционально законченных устройств для систем автоматизации, в т.ч. для «умного» дома. Такие устройства включают различные адаптеры и серверы магистрали, модули ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, датчики, кабели и пр. Номенклатура, характеристики и цены таких устройств приведены на сайтах их производителей, к числу наиболее известных из которых относятся:

• НТЛ ЭлИн (RU);
• Фрактал (RU);
• Embedded Data Systems (US);
• iButtonLink LLC (US);
• Sheepwalk Cottage Ltd (GB);
• RDing Technology Ltd Co (CN);
• Systronix (US).
• Midon Design (GB)

Наиболее развитую номенклатуру OEM-устройств, включающую в т.ч. и управляемые розетки для коммутации электропитания, предлагает НТЛ ЭлИн. За рубежом наибольшей популярностью пользуются модули фирмы Embedded Data Systems. Однако в целом число OEM-производителей невелико, они не относятся к категории «гигантов» индустрии средств автоматизации и, кроме того, в значительной степени ориентированы на рынок домашних умельцев.

Рис.7. Примеры OEM-модулей 1-Wire

 

 

Фирма Maxim Integrated предоставляет для программирования систем на базе 1-Wire библиотеки API и SDK для широкого ряда платформ - персональных компьютеров с ОС Windows/Linux/MacOS, мобильных устройств, микроконтроллеров, .NET и JAVA. Их общее описание приведено в AN155 1-Wire Software Resource Guide Device Description, а описание конкретных пакетов со ссылками на скачивание дистрибутивов и документации приведено в следующих документах:

• iButton: 1-Wire Public Domain Kit;
• 1-Wire API for Java Software Development Kit;
• iButton: 1-Wire SDK for Windows;
• 1-Wire Software Authorization SDK;
• 1-Wire Drivers - Getting Started.

Предлагается также программный cканер сети OneWire Viewer, позволяющий находить и идентифицировать подключенные к сети устройства и отображать полный перечень их параметров и данных.

Из сторонних разработок наибольший интерес представляют следующие:

OWFS - One Wire File System (разработчик - Paul Alfille). Свободно распространяется по лицензии GPLv2. Предназначен для UNIX-платформ, но при использовании UNIX-эмулятора cygWin может работать и в среде Windows. Имеет веб-интерфейс, что делает возможным удаленный доступ, в т.ч. через Интернет. OWFS является самой популярной программной средой для домашней автоматизации на базе платформы 1-Wire.

Бенукс. Программная среда для различных задач автоматизации, ориентированная в т.ч. на OEM-модули разработки НТЛ ЭлИн. Является коммерческим продуктом. Позволяет взаимодействовать с системой автоматизации по различным каналам, в т.ч. с помощью веб-интерфейса и SMS. Предоставляет возможности автоматизированного управления по сценариям.

jHomeNet - свободно распространяемы программный комплекс для сервера 1-Wire на Java (автор Dave Irvin, проект с 2008 года не развивается).

Существует также большое число специализированных программ, разрабатываемых под узкие задачи (см., например, Средства ML-OEM для модулей НТЛ ЭлИн).

DigiTemp - программа обработки информации с датчиков температуры.

 

Архитектурные, схемотехнические и конструкторские решения элементной базы 1-Wire защищены несколькими большими блоками патентов. Патенты, имея различные формулы изобретений, в большинстве имеют повторяющееся описание всей базовой совокупности решений, а также сложную структуру взаимосвязи друг с другом. Наиболее показательные патенты, относящиеся к схемотехнике и протоколу интерфейса, сведены в таблицу.

 

документ	приоритет	название
US-4948954	15.05.1989	Interface for receiving electronic token
US-5809518	20.05.1996	Command/data transfer protocol for 1-wire bus architecture
US-6239732	13.04.1998	One-wire sevice with A-to-D converter
WO-90/014626	15.05.1989	System with data token/one-wire bus

 

Срок действия первого (основного) блока патентов уже истек. Зарубежное патентование осуществлялось в формате, отличном от формата патентования в США, поэтому у каждого отдельного патента США прямых зарубежных аналогов нет. Например, международная заявка WO-90/014626 является аналогом сразу целого блока из 9-ти патентов США.

Анализ правовой защиты OEM-модулей не проводился, но следует предположить, что на схемотехнику охранных документов нет, поскольку все решения изобретательского уровня заключены в элементной базе 1-Wire/iButton.

 

Примечание. Подробный анализ всех патентов платформы и патентно-лицензионной ситуации является предметом отдельной аналитической базы данных.

 

Безусловным лидером по разработке и реализации проектов автоматизации на базе технологии 1-Wire/iButton на отечественном рынке является упоминавшаяся выше фирма ЭлИн. Подавляющее большинство ее проектов использует данную технологию по прямому назначению, т.е. для автономной регистрации параметров идентифицируемых объектов и процессов с периодическим съемом информации с помощью ручного контактирующего устройства или по двухпроводной сети. Проекты комплексной домашней автоматизации в портфолио фирмы ЭлИн не представлены, но имеется ряд проектов, подпадающих под категорию «Умный Город», которые могут быть в какой-то степени использованы, в т.ч.:

• Система диспетчеризации квартир;
• Система мониторинга сигналов датчиков объектов коммунального хозяйства;
• Аппаратно-программный комплекс мониторинга климатических параметров окружающей среды в помещении (RCMS);

Также в системах домашней автоматизации могут использоваться отдельные типовые решения данной фирмы, в т.ч.

• Контроль температуры, влажности и освещенности;
• Контроль атмосферного давления;
• Регулирование уровня освещенности или яркости;
• Дискретное переключение маломощного оборудования;
• Плавное регулирование мощности силовой нагрузки.

В портфолио фирм, предлагающих проекты домашней автоматизации, платформа 1-Wire упоминается крайне редко. Зато можно найти много проектов домашней автоматизации на этой базе, пригодных для воспроизводства своими руками. Вот некоторые из наиболее интересных и показательных:

• Автоматизация системы отопления;
• Защита от протечек;
• Мониторинг электропотребления;
• 1-Wire барометры;
• Мониторинг снегопада и снежного покрова;

 

Платформа 1-Wire изначально предназначена для задач, существенно более сложных и ответственных, чем задачи домашней автоматизации, но в силу своих достоинств находит применение в ряде систем «Умного Дома». К таким системам прежде всего относятся системы контроля климатических параметров - температуры и влажности, для которых в составе платформы предусмотрены датчики с 1-Wire интерфесом. Однако высокая степень интеграции и номенклатура элементой базы платформы позволяют, путем использования дополнительной обвязки, достаточно просто создавать периферийные OEM-устройства, удовлетворяющие широкому классу задач домашней автоматизации. Входящие в состав платформы библиотеки API и SDK и программный пакет OneWire Viewer, а также свободно-распространяемая операционная среда OWFS и наличие свободно-распространяемых специализированных пакетов упрощают задачу разработки прикладного ПО.

Основной нишей применения платформы 1-Wire в домашней автоматизации являются системы категории «Сделай Сам». При этом главный потенциал платформы - ее уникальная архитектура, ориентированная на задачи мануальной контактной идентификации объектов с функциями автономной регистрации их параметров, в системах «умного дома» не востребована.

* * * * *

 

 

Опубликовано 06.11.2014. Последнее изменение 01.12.2015.

© Janto 2014 Все права защищены