1-wire網(wǎng)絡(luò)的電纜選擇與保護(hù)

2019-11-03 10:05:45

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供稿：網(wǎng)友

魏智　　1　選擇電纜

　　1-wire網(wǎng)絡(luò)包含三個部分：主機(jī)、電纜、以及1-wire器件。在主機(jī)和1-wire器件之間的電纜可以通過數(shù)據(jù)線上的電感、電阻及電纜電容進(jìn)行等效建模，其電纜電容一般為電纜長度與線長比容的乘積，一般5類雙絞線的比容為50pF/mo同樣，電纜的電阻是線路長度乘以每條導(dǎo)線第米的等效電阻。1-wire器件通?？梢酝ㄟ^其輸入電容（Cin）、固定放電電流（Idisc）、寄生電源電路（Di、Ri、Cload）及其在通信時的10μA的空閑電流來保持其接口與通信協(xié)議同步，當(dāng)1-wire端口晶體管導(dǎo)通時，其標(biāo)稱阻抗于100Ω。而當(dāng)總線被置為0.4V的邏輯低電平時通?？晌?mA的電流。

　　電纜是連接主機(jī)和1-wire從機(jī)器件的媒介，其物理屬性在很大程度上直接影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，對于30米之內(nèi)的短距離電纜，阻抗特性的負(fù)面影響可能還不太明顯，因此是否選擇有源上拉的1-wire網(wǎng)絡(luò)并不重要。即使是扁平的標(biāo)準(zhǔn)電話線電纜也可用于1-wire器件數(shù)量有限的網(wǎng)絡(luò)連接。但是1-wire網(wǎng)絡(luò)總線越長，電纜的影響就越明顯，電纜的選擇也就變得更加重要。

　　任何電纜都會表現(xiàn)出傳輸線效應(yīng)，實際電纜的電阻、電容和電感參數(shù)有所不同，這些參數(shù)由電纜的幾何形狀、電纜尺寸、導(dǎo)線的間距及其絕緣層決定，同時也確定了電纜的特性阻抗和能夠支持的信號帶寬以及傳輸速度，特別是電纜阻抗降低了邏輯“0”電平的噪聲裕量。盡管對于總的電纜長度來說100Ω的特性阻抗是可以接受的，但參數(shù)范圍在30pF/m--100pF/m的電纜電容會增加MicroLAN驅(qū)動器的容性負(fù)載，這不僅增大了網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)（t），同時在主機(jī)晶體管導(dǎo)通或總線放電時也增大了電纜上的尖峰電流。

　　如果晶體管在電容中的儲存電荷完全放電之前切換，電纜中的殘余電流將導(dǎo)致電纜上出現(xiàn)瞬間的電壓尖峰信號，該電壓尖峰信號，將會干擾正常的通信。當(dāng)總線下拉晶體管和有源上拉關(guān)閉時，電纜中殘余電流應(yīng)當(dāng)注意在每種情況下所生成的尖峰信號都是反向的。

　　在電纜的遠(yuǎn)端，當(dāng)下拉晶體管關(guān)閉時，由于其感應(yīng)電壓的尖峰信號為負(fù)極性，因此最靠近電纜終端的1-wire器件將得到反向偏置而使二極管反偏。從而使該1-wire器件不能應(yīng)答主機(jī)。這種感應(yīng)電壓主要是由差分電感產(chǎn)生的，將兩條導(dǎo)線的終端短接、可從電纜輸入端測得這個差分電感。雖然這種差分電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單根導(dǎo)線的電感（理想情況下可忽略）。但是隨著兩個導(dǎo)體之間距離的增加，還是建議使用密度較大的雙絞線電纜。因為在兩根導(dǎo)線中互為反向滾動的電流可以相互抵消從而抑制干擾信號的影響，同時，雙絞線還有助于減少附近干擾源的耦合信號。

　　隨著寄生電感的增加，（Lx di/dt）將產(chǎn)生導(dǎo)致位錯誤的電壓漂移，并至少在電纜終端的第一個1-wire器件產(chǎn)生反向偏置。這些電壓尖峰信號是主機(jī)晶體管在電纜電容沒有完全放電之前關(guān)閉時由駐留在數(shù)據(jù)和返回線路中的殘余電流產(chǎn)生的。當(dāng)然，解決方案是將下拉晶體管保持為打開狀態(tài)，直到總線完全放電為止。最好在總線的遠(yuǎn)端配置肖特基二極管來避免電感生成過高的電壓?？墒褂枚O管跨接電纜，并使用陰極接數(shù)據(jù)線、陽極接返回線，這樣，每一節(jié)點(diǎn)只需一個二極管。

　　另一個問題是所推薦的非屏蔽5類雙絞線有兩對或多對電纜。當(dāng)每對導(dǎo)線之間的電容約為50pF/m時，不同雙絞線對之間的電容將接近30pF/m。把不用的導(dǎo)線接地將會給1-wire增加30pF/m的電容負(fù)載。因此，屏蔽不用導(dǎo)線可將電纜兩端保持為開路狀態(tài)。另外，要避免在同一捆電纜上同時運(yùn)行兩個1-wire網(wǎng)絡(luò)，以避免電容負(fù)載按照數(shù)據(jù)模式不斷變化而導(dǎo)致通信不穩(wěn)定。

　　2　利用MicroLAN耦合器擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

　　在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重或網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時，可將總線分段。這樣做的優(yōu)點(diǎn)可提供有關(guān)1-wire器件在總線上物理位置的有關(guān)信息。設(shè)計時，可以使用一段網(wǎng)絡(luò)作為“主干”，其余為網(wǎng)絡(luò)分支，并根據(jù)需要用DS2409添加或去除“分支”。同時可以利用MicorLAN耦合器來作為節(jié)點(diǎn)控制，以在分支上添加或去除其它網(wǎng)絡(luò)。該方案中，主機(jī)通過激活DS2409來控制主干和分支與總線的連接，從而降低了總線電容和空閑電流負(fù)載。但是，本文前面所述的總電容負(fù)載、空閑電流和電纜長度的限制仍然適用。也就是說，對于主干和LAN上激活的分支，電容負(fù)載也必須足夠低，以保證總線上拉在規(guī)定的時間內(nèi)將總線提升到邏輯“1”的閾值之上，同時應(yīng)1-wire器件的總空閑電流不得將電源電壓降低到2.8V以下。

　　DS2409　MicroLAN耦合器是創(chuàng)建復(fù)雜MicroLAN的關(guān)鍵元件，它包括主、輔發(fā)送器驅(qū)動輸出和漏極開路控制輸出晶體管，其中每個輸出都可由總線主機(jī)通過1-wire網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。主、輔輸出支持“智能啟動”命令，該命令在連接到1-wire總線之前可在選定的輸出上生成一個復(fù)位/在線序列，以允許相應(yīng)的ROM命令只作用于被激活的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。DS2409需要一個5V電源，否則它將短路1-wire總線和中斷分支的通信。由于DS2409未包含用戶內(nèi)存，因此，輔助輸出可通過連接一個1-wire內(nèi)存芯片以存儲所需數(shù)據(jù)，進(jìn)而標(biāo)記節(jié)點(diǎn)位置。DS2430 EEPROM連接到DS2409的輔輸出端，以便為特定節(jié)點(diǎn)提供專用信息（如位置、功能等）。連接到CONT輸出的LED可由于提供正在尋址的特定分支的視覺指示，并可以借助軟件設(shè)置提供特殊視覺效果。

　　3　MicroLAN的保護(hù)措施

　　3.1保護(hù)電路

　　大多數(shù)與1-wire網(wǎng)絡(luò)兼容的器件都帶有能夠承受±10KV人體模型ESD沖擊的保護(hù)電路。但是，當(dāng)計算機(jī)連接到1-wire網(wǎng)絡(luò)時，最好提供額外的保護(hù)措施以免避免系統(tǒng)受ESD和EMI（電磁干擾）的沖擊而損壞?？梢岳枚O管來旁路負(fù)的尖峰信號或吸收高于5V電源的正向電壓。當(dāng)選擇保護(hù)二極管或浪涌吸收電路時，需選擇具有最小結(jié)電容和快速切換時間的元件，ERA82肖特基二極管或通用的1N5817都是不錯的選擇，也可采用SOT-23封裝的肖特基二極管（如BAT54x系列產(chǎn)品等）。

　　如果1-wire　EPROM器件無法使用RS-232至1-wire接口的適配器連接，可利用DS9502 ESD保護(hù)二極管來提供保護(hù)。其工作原理如同7.5V齊納二極管。但是，如果電壓超過其9V觸發(fā)電壓，則將會被嵌位至5.5V。如果ESD超出其額定值，可用DS9502來提供旁路，以避免損壞被保護(hù)電路，DS9502采用6引腳TSOC封裝。

　　3.2DS2480 1-wire線驅(qū)動器

　　為簡化1-wire網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，Dalls開發(fā)了DS2480串行1-wire驅(qū)動器。此IC可直接連接到UART和5V RS-232系統(tǒng)，選用DS2480可利用適配器直接連接到標(biāo)準(zhǔn)COM端口，并可提供1-wire輸出。此IC包含可編程下拉擺率控制和有源上拉。其它特性還包括支持9.6kbps（默認(rèn)）、19.2kbps、57.6kbps和115.2kbps的數(shù)據(jù)速率和可編程1-wire時序。DS2480也可充當(dāng)DS9097U，即連接DB9與RJ11 COM端口的適配器。

　　4　結(jié)論

　　采用相關(guān)技術(shù)（如使用5類雙絞線、擺率控制、有源上拉等）能夠在總線上掛接500個以上的各類1-wire器件，并可在電纜長度達(dá)300米時進(jìn)行可靠通信。而如果不采用擺率控制和有源上拉技術(shù)，則只能保證在總線上最多掛節(jié)150個1-wire器件、并保證電纜長度為100米時通信正常。有關(guān)遠(yuǎn)距離通信或重載MicroLAN的相關(guān)建議如下：

（1）電纜可選擇雙絞電話線或5類雙絞線

（2）可使用肖特基二極管跨接電纜末端，以旁路負(fù)的尖峰信號或吸收高于5V電源的正向電壓。

（3）使用分級結(jié)構(gòu)，可利用DS2409 Micro LAN耦合器將網(wǎng)絡(luò)分隔成多個分支，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

（4）使用基于DS2480的COM端口適配器，可以將DB9連接至RJ11適配器的DS9097U-S09，或?qū)B9接至DS9098插座適配器的DS1411。

（5）控制擺率，可以將下拉時的數(shù)據(jù)線擺率限制在1.1/μs左右。

（6）使用有源上拉來替換無源上拉，以將擺率限制在1.1/μs左右。

摘自《國外電子元器件》2002.3

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