Protocolo 1 Wire

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD ESCUELA DE ELECTRÓNICA PROFESORES: IVAN CAMOUSSEIGT; GUILLERMO GONZALEZ FECHA: 03-12-09

1. PRESENTACION

En el presente informe se entregara la información necesaria para comprender el funcionamiento y la correcta utilización del protocolo 1-Wire. Ademas a través de un claro y sencillo ejemplo se verificara su funcionamiento gracias a disponer un potente simulador de circuitos como es Proteus de Isis, ademas de contar con el conocimiento adquirido durante el desarrollo del curso.

2. ABSTRACT

This report will submit the information needed to understand the operation and correct use of the 1-Wire protocol. Through a clear and simple example we will verified its operation due to have a powerful circuit simulator such as Proteus Isis, besides having the knowledge acquired during the class.

3. PROTOCOLO DE TRANSMICION 1-WIRE

Dallas Semiconductor ha desarrollado una poderosa tecnología llamada 1-Wire, la cual, utiliza un sólo conductor más su conexión a tierra para efectuar las comunicaciones y la transmisión de energía entre un dispositivo maestro y múltiples esclavos, Figura 1

Figura 1

Una red de dispositivos 1-Wire está conformada por un maestro y uno o más esclavos que poseen un único pin de datos de tipo “opendrain”, al que se conecta una resistencia de “Pull Up” anclada a +5VDC

(nominal), Figura 2. Una de las características de la tecnología 1-Wire, es que cada dispositivo esclavo tiene una única e irrepetible identificación grabada en su memoria ROM al momento de su fabricación.

Figura 2

PROTOCOLO 1-WIREAplicación de Microcontroladores con

Lenguajes de Alto NivelFrancis D. Soto P.; [email protected]



El BUS 1-Wire, permite realizar una comunicación serial asincrónica entre un dispositivo maestro y uno o varios dispositivos esclavos, utilizando un único pin de E/S del microcontrolador. Podemos señalar algunas características de éste bus:

• Utiliza niveles de alimentación CMOS/TTL con un rango de operación que abarca desde 2.8V hasta 6V.

• Tanto el maestro como los esclavos transmiten información de forma bidireccional, pero, sólo en una dirección a la vez, de ésta manera la comunicación es realizada en forma “half duplex”.

• Toda la información es leída o escrita comenzando por el bit menos significativo (LSB).

• No se requiere del uso de una señal de reloj, ya que, cada dispositivo 1-Wire posee un oscilador interno que se sincroniza con el del maestro cada vez que en la línea de datos aparezca un flanco de bajada.

• La alimentación de los esclavos se puede hacer utilizando el voltaje propio del BUS. Para ello, cada circuito esclavo posee un rectificador de media onda y un condensador, durante los períodos en los cuales no se efectúa ninguna comunicación, la línea de datos se encuentra en estado alto debido a la resistencia de “Pull Up”; en esa condición, el diodo entra en conducción y carga al condensador. Cuando el voltaje de la red cae por debajo de la tensión del condensador, el diodo se polariza en inverso evitando que el condensador se

descargue. La carga almacenada en el condensador alimentará al circuito esclavo.

• Las redes de dispositivos 1-Wire pueden tener fácilmente una longitud desde 200m y contener unos 100 dispositivos.

• Todas las tensiones mayores que 2,2 Voltios son consideradas un 1 lógico mientras que como un 0 lógico se interpreta cualquier voltaje menor o igual a 0,8 V.

• La transferencia de información es a 16.3Kbps en modo “Standard” y hasta a 142Kbps en modo “overdrive”.

4. DESCRIPCION DEL PROTOCOLO 1-WIRE

Podemos describir al protocolo 1-Wire como una secuencia de transacciones de información, la cual, se desarrolla según los siguientes pasos: la Inicialización, comandos y funciones de ROM, comandos y funciones de control y memoria, transferencia de bytes o datos.

4.1 INICIALIZACIÓN

Todas las comunicaciones en el bus 1-Wire comienzan con una secuencia de un pulso de Reset y Presencia. El pulso de reset provee una forma limpia de iniciar las comunicaciones, ya que, con él se sincronizan todos los dispositivos esclavos presentes en el bus. Un Reset es un pulso que genera el maestro al colocar la línea de datos en estado lógico bajo por unos 480µs, Figura 3, y luego de 15 a 60µs los esclavos responderán poniendo en bajo la linea durante 60 a 240µs.



Figura 3

4.2 COMANDOS Y FUNCIONES DE ROM

Una vez que el microcontrolador recibe

el pulso de presencia de los dispositivos esclavos, se puede enviar un comando de ROM. Los comandos de ROM son comunes a todos los dispositivos 1-Wire y se relacionan con la búsqueda, lectura y utilización de la dirección de 64 bits que identifica a esclavos. La Tabla 1, muestra los comandos de ROM utilizados con los dispositivos 1-Wire.

Comando CodigoRead ROM 33hMatch ROM 55hSkip ROM CCh

Search ROM F0hTabla 1

a) Read ROM

Permite al maestro leer el código de 8 bits de la familia, los 48 bits de numero de serie y 8 bits CRC, es decir lee la identificación de 64 bits del dispositivo esclavo. Este comando solo funciona si existe un solo dispositivo, ya que de lo contrario ocurrirá una colisión de datos cuando todos los esclavos transmitan al mismo tiempo.

b) Match ROM:

Seguido de una identificación de 64 bits, este comando permite al maestro direccionar a un dispositivo en especifico cuando existe mas de un esclavo. El dispositivo que coincida con la identificación esperara por la instrucción siguiente, mientras que el resto de los esclavos esperaran por el pulso de reset.

c) Skip ROM:

Permite direccionar de forma directa, sin la necesidad de enviar la identificación. Este comando solo es utilizable cuando existe un solo esclavo, de lo contrario ocurrirá una colisión de datos cuando todos respondan.

d) Search ROM:

A través de este comando se puede leer los 64 bits de identificación de todos los dispositivos esclavos conectados. Se utiliza un método de eliminación de 3 pasos para distinguir cada dispositivo conectado, se explicara en extenso mas adelante. Estos pasos son: leer un bit, leer el complemento del bit y entonces escribe el valor deseado de ese bit.

4.3 COMANDOS Y FUNCIONES DE CONTROL Y MEMORIA

Son funciones propias del dispositivo

1-Wire. Incluyen comandos para leer/escribir en localidades de memoria, leer memorias de “scratchpad”, controlar el inicio de la conversión de un ADC, iniciar la medición de una temperatura o manipular el estado de un bit de salida, entre otros. Cada dispositivo define su propio conjunto de comandos.



4.4 TRANSFERENCIA DE DATOS

La lectura y escritura de datos en el bus 1-Wire se hace por medio de “Slots”, la generación de estos es responsabilidad del maestro. Cuando el maestro lee información del bus, debe forzar la línea de datos a estado bajo durante al menos 1 µs y esperar unos 15 µs para entonces leer el estado de la misma. El estado lógico de la línea en ese momento, estará determinado por el dispositivo esclavo. La Figura 4., muestra el proceso de lectura de un “Slot” típico,

Figura 4



Al momento de efectuar la escritura de un bit en el bus ocurre algo similar, el maestro produce un pulso de entre 1µs y 15µs de duración, para luego colocar en el bus al bit que se desea transmitir. Este bit deberá permanecer en el bus al menos 60µs, Figura 5.

Figura 5



5. TOPOLOGIAS DE CONEXION ENTRE DISPOSITIVOS

La Figura 6., muestra las diferentes

topologías de interconexión entre dispositivos en una red 1-Wire. La topología exclusiva también denominada 1:1, es la más simple de todas, se permite en este tipo de topología la conexión sólo de un dispositivo maestro con un dispositivo esclavo. Es muy utilizada para la medición de parámetros en dispositivos esclavos tipo “stand alone” como por ejemplo: los dispositivos iButton de Dallas Semiconductor.

Figura 6

La topología lineal y ramificada extienden el alcance de la red 1-Wire hasta una distancia de aproximada de 200 metros. En ellas, los dispositivos esclavos pueden interconectarse en forma secuencial y/o a través de ramificaciones.

Por último, la topología tipo estrella, la cual, en la práctica es la más utilizada, permite la conexión de ramas a través de un punto común denominado nodo de conexión, sin embargo, esta topología limita la cantidad de dispositivos esclavos en comparación con las anteriores, ya que, incrementa la capacitancia equivalente en el punto central de conexión al estar las ramas conectadas en paralelo.

6. CONEXION ENTRE UN MICROPROCESADOR Y LOS DISPOSITIVOS ESCLAVOS

En la práctica, se puede utilizar

cualquier pin de entrada – salida del microcontrolador- para efectuar la conexión a dispositivos esclavos 1-Wire, incluso cada pin del microcontrolador puede implementar cualquiera de las topologías anteriormente mencionadas con un sólo dispositivo esclavo o con muchos de ellos conectados en forma simultánea. La única consideración que hay que tener es la colocación de una resistencia de “Pull Up” generalmente de valor 2KΩ, antes mencionadas. Esto se puede observar en la Figura 7., en la cual, se han conectado dos dispositivos esclavos 1-Wire a través del pin PORTB<1>.

Figura 7

En la práctica, es mucho más fácil manejar un sólo dispositivo esclavo por cada pin del microcontrolador, esto elimina la necesidad de conocer a priori el serial del dispositivo. Como hay uno sólo dispositivo en la línea o pin de conexión, el microcontrolador puede acceder a la memoria del dispositivo esclavo a través de la función de ROM CCh Skip ROM.



7. CALCULO DEL CRC-8, IDENTIFICACION DE ERRORES

Cuando se transmite información en

forma serial, es necesario verificar la posible existencia de errores que pudieran ocurrir durante la comunicación. Existen varios métodos para efectuar este chequeo. Uno de los más simples consiste en añadir un bit extra a cada byte transmitido de modo que el número de unos contenidos en el paquete de 9 bits siempre sea par o impar. Este procedimiento se le conoce como verificación de paridad y permite encontrar errores que ocurren en un bit, pero no es confiable cuando cambia más de un bit dentro del byte.

Uno de los mecanismos de detección de errores más eficientes es el Chequeo de redundancia Cíclica (del inglés Cyclic redundancy Check) conocido por sus iniciales CRC. El CRC de un conjunto de datos, es un número de cierta cantidad de bits que contiene el resultado de la aplicación de una expresión matemática al mencionado conjunto de datos. Así, si el CRC es de 4 bits se denominará CRC4, si es de 8 bits se llamará CRC8, si es de 16 bits será CRC16, etc.

El algoritmo utilizado para el cálculo de CRC de Dallas Semiconductor (DOW CRC), Figura 8, cuyo resultado se incluye en la identificación de los dispositivos 1-Wire. Este CRC es de 8 bits y se calcula introduciendo los primeros 56 bits, correspondientes al serial del dispositivo y el código de la familia a la que pertenece el dispositivo. Los errores detectables por el CRC8 implementado por Dallas Semiconductors son:

• Cualquier número impar de errores sobre los 64 bits transmitidos.

• Todos los errores de dos bits que se

presenten en la ID de 64 bits.

• Cualquier grupo de errores de hasta 8 bits incorrectos.

• La gran mayoría de los errores de más de 8 bits incorrectos.

Figura 8



El cálculo del CRC8 puede hacerse de varias formas. La primera de ellas es evidentemente por hardware, siguiendo el esquema de la Figura 8. Cuando se implementa por software, una forma simple de hacerlo, es por medio de una tabla de 256 bytes, la cual, es llamada repetidas veces a medida que se introducen los bytes hasta obtener el valor definitivo del CRC. Este método es muy sencillo, pero presenta el inconveniente de requerir el uso de 256 bytes de la memoria del microcontrolador.

La Figura 9 muestra un iButton típico de Dallas Semiconductor. La figura presenta una fotografía frontal del dispositivo, en la cual, se pueden observar claramente el serial de 64 bits del dispositivo compuesto de: 48 bits (6 bytes) del serial único, 8 bits (1 bytes) de CRC y 8 bits (1 bytes) de la familia del dispositivo.

Figura 9

Cada iButton viene estampado de fábrica con ésta numeración y por supuesto cada iButton tendrá un serial de identificación único.

8. ALGORITMO DE SEARCH ROM

Cuando existe un sólo dispositivo conectado al bus 1-Wire puede omitirse el direccionamiento mediante el uso del

comando SKIP ROM. También puede utilizarse el comando READ ROM para leer la identificación del esclavo y direccionarlo. Pero, ¿Qué hacer cuando existe más de un dispositivo en la red 1-Wire al mismo tiempo?. Quizás, podríamos leer manualmente los seriales de identificación de todos los esclavos a conectar en el bus. Con el comando READ ROM, leeríamos su identificación (serial) para luego almacenarla en una memoria EEprom externa o en la memoria EEprom del microcontrolador. Posteriormente, se deberá repetir el procedimiento con todos los demás dispositivos hasta llegar al último. Una vez identificado cada dispositivo y su serial, El microcontrolador maestro podrá enviar a la red 1-Wire el comando Match ROM 55h seguido del serial de identificación del dispositivo en particular con el cual desee comunicarse, de esta forma, el dispositivo esclavo elegido quedará activo y los demás dispositivos 1-Wire en la red quedarán fuera de línea hasta que se produzca en la red una condición de RESET.

Previendo esta situación, todos los dispositivos que emplean la tecnología 1-Wire, soportan un comando de ROM llamado Search ROM, el cual, permite al maestro identificar los seriales independientes de cada dispositivo conectado a la red en forma automática.

8.1 Buscando dispositivos en el Bus 1-Wire

La búsqueda de dispositivos en una

red 1-Wire deberá comenzar un “RESET” realizado por el maestro, quien luego deberá enviar un comando Search ROM. En ese momento, cada dispositivo esclavo enviará al bus el primer bit de su identificación, seguido del complemento del mismo. El maestro, deberá leer estos dos bits. Las combinaciones



posibles de estos dos bits, se muestran en la Tabla 2

ID BIT ~ID BIT Significado

0 0Conflicto en el BUS, BUS en corto circuito

0 1

Todos los dispositivos

tienen un 0 en este bit

1 0Todos los

dispositivos tienen un 1 bit

1 1No hay

dispositivos conectados

Tabla 2

A continuación, el maestro escribirá un bit en el bus y cada esclavo comparará este bit con el que él previamente había transmitido. En caso de que los bits sean diferentes, el esclavo entrará en estado de espera, del cual, sólo saldrá al producirse un nuevo reset. Si ambos bits coinciden, el esclavo trasmitirá el siguiente bit de su ID seguido de su complemento. El proceso se repetirá hasta que se completen los 64 bits de identificación en cada dispositivo esclavo.

Pero, ¿Qué bit transmitió el maestro?. En el caso de las dos combinaciones centrales mostrada en la Tabla 2, 01 y 10, el maestro tomará el bit recibido ID BIT, lo almacenará en una variable temporal donde al final del proceso se obtendrán los 64 bits de la ID de uno de los dispositivos

Cuando se produce una primera discrepancia (se reciben dos ceros consecutivos), el maestro colocará un 0 en el

bus y almacenará el bit, en el cual, se produjo la colisión. Esto hará que los dispositivos cuya ID fuese 1 en la posición donde se presentó la colisión, dejen de participar en la búsqueda. El bit que se envía al bus se almacena en la variable temporal de la ID. Ahora bien, el proceso de búsqueda continúa y al momento de presentarse otra colisión se compara el bit en el que ésta ocurre con la posición del cero del párrafo anterior; si coinciden, entonces se enviará un 1 por el bus (ID bit se toma igual a 1). Si la posición de la colisión actual es mayor que la anterior deberá escogerse un cero, mientras que, si es menor debe repetirse el camino tomado en la búsqueda pasada para ese mismo bit.

9. EJEMPLO DE FUNCINAMIENTO

Para ejemplificar el funcionamiento del protocolo 1-Wire realizaremos una sencilla pero clara aplicación de este. Para ello utilizaremos el compilador PIC C CCS, y el simulador Proteus. Para trabajar usaremos la PIC16f873, solo por disponer de una cantidad de memoria mas que necesaria para la programación, para el trabajo con 1-wire usaremos la librería de licencia GNU de j.d.sandoz, ya que CCS no nos provee de una librería.

El ejemplo consistirá en enviar a una memoria EEPROM DS2430, la cual es una memoria de 256 bits, los caracteres correspondientes a la palabra UTEM, para luego leerlos desde la misma, la acciones realizadas serán visualizadas en un LCD. La Figura 10 muestre el circuito del ejemplo.



Figura 10

La Tabla 3 indica el procedimiento que se seguirá para realizar la comunicación y en este caso mostrando la transmicion. La Tabla 4 muestra el procedimiento seguida para leer los datos desde la memoria.

Maestro Dato Acción

TX Reset

Indica que comenzara

una transmisión

RX Presence

Respuesta del esclavo,

indicando que esta

preparado

TX CCh

Se comunica de forma

directa ya que hay un solo

esclavo

TX 0FhSe indica que se escribirá

en la memoriaTX Dirección Indica la

dirección de memoria en la

cual se escribirá

TX Dato Dato a transmitir

TX Reset Finaliza la transmicion

Tabla 3

Maestro Dato Acción

TX Reset

Indica que comenzara

una transmisión

RX Presence

Respuesta del esclavo,

indicando que esta

preparado

TX CCh

Se comunica de forma

directa ya que hay un solo

esclavo

TX AAhSe indica que

se leerá la memoria

TX Dirección

Indica la dirección de

memoria en la cual se leerá

RX Dato Dato por recibir

TX Reset Finaliza la transmicion

Tabla 4

Las tablas anteriores muestran los pasos que debemos seguir para la programación de las funciones que nos permitirán hacer el envió y la recepción de



datos desde la EEPROM

El algoritmo del ejemplo se ilustra a continuación.

Figura 11

Como ya sabemos primero debemos iniciar el lcd, es la única inicializacion, ademas de las variables a utilizar en le programa, que debemos realizar ya que la librería 1-Wire solo utiliza un pin par la transmisión, este caso sera el pin RA0. Luego mostramos un mensaje en el lcd y conjuntamente realizamos el envió de los datos a la memoria EEPROM, con la utilización de la función transmicion().

El mismo procedimiento se sigue para leer los datos, solo que ahora usaremos la función recepcion(). Ambas funciones se explican a continuación.

Figura 12

A través de esta función escribiremos los datos de la forma exacta mostrada en la Tabla 3.

Dado que el procedimiento de recepción de datos ya fue ilustrado en la Tabla 4, no se considera necesario mostrar un algoritmo que muestre nuevamente los pasos a seguir, ya que solo se diferencia en la el comando de lectura y en la utilización de la función onewire_read()

La codificación en C se presenta en conjunto con este informe, al igual que el ejemplo.

10. CONCLUSIONES

El protocolo 1-Wire tiene como mayor defecto que aun es de desarrollo exclusivo de Dallas, por lo que no ha conseguido masificarse. Sin embargo y si bien posee una



velocidad de transmisión menor a otros protocolos como el I2C, las prestaciones que posee lo ponen a un nivel competitivo. El hecho de manejar niveles TTL elimina la necesidad de elementos intermedios que realicen cambios en de voltajes; los dispositivos 1-Wire son muy pequeños, ya que solo necesitan 3 pines para lograr la comunicación y la alimentación, lo que genera un gran ahorro de espacio. Pero una de sus principales características es el CRC-8 que permite una alta detección de errores, lo que nos asegura que la información recibida sera realmente la información que solicitamos para realizar alguna tarea. Solo estas cuatro características básicas presentadas nos permiten darnos cuenta de la gran ventaja que es tener conocimiento sobre este protocolo para futuros proyectos.

11. REFERENCIAS

• http://es.wikipedia.org/wiki/1-Wire

• http://www.maxim- ic.com/appnotes.cfm/an_pk/2420

• http://www.maxim-ic.com/products/1- wire/

• Datasheet DS2430

• http://www.roso- control.com/Espanol/EDU/MICRO/20_Clases/10_Teoria/90_Tema_08/Tema_08.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/1-Wire

http://www.roso-control.com/Espanol/EDU/MICRO/20_Clases/10_Teoria/90_Tema_08/Tema_08.pdf



http://www.maxim-ic.com/products/1-wire/

http://www.maxim-ic.com/products/1-wire/

http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/2420

http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/an_pk/2420

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