НТЛ Элин

Применение 1‑Wire

О признании 1‑Wire‑сетей в качестве международного стандарта и серьёзности отношения к этому коммуникационному решению со стороны маститых разработчиков и производителей электроники говорят многочисленные факты. Например, нет практически ни одного универсального микроконтроллера, в литературе по применению которого не обсуждались бы способы организации на его базе мастера 1‑Wire‑интерфейса.

Автоматизация

Наиболее последовательно отстаивает линию на использование технологии 1‑Wire‑сетей в области автоматизации американская фирма Embedded Data Systems (преемница знаменитого пионера этого способа автоматизации – компании Point Six, которая уже в середине 90х годов работала в области 1‑Wire‑автоматизации). Можно сказать, что компания Embedded Data Systems сделала себе имя на внедрении и пропаганде преимуществ 1‑Wire‑интерфейса для целей автоматизации. При этом основным направлением компании является разработка самых различных средств и систем для нуждающихся в автоматизации отраслей промышленности. Embedded Data Systems поставляет широчайший спектр продукции, включая: различные типы контроллеров, адаптеров и хабов для организации 1‑Wire‑сетей, разнообразные 1‑Wire‑зонды для измерения высоких и низких температур, датчики влажности, давления освещённости, сенсоры протечек, счетчики импульсов, информационные дисплеи, платы сбора информации, устройства сопряжения с различным оборудованием и многое другое. Причём практически каждый из поставляемых этой компанией приборов содержит элементы 1‑Wire‑технологии.

Другим значимым примером применения 1‑Wire‑сетей для автоматизации, несомненно, можно считать всю деятельность такого известного мирового производителя качественной электроники для организации различных систем автоматизации, как Systronix. Линейки завершённых инструментальных средств, функциональных модулей и контроллеров управления, а также многочисленные примеры их использования, и высокий рейтинг продаж поставляемых изделий, позволяют говорить об успешности и востребованности концепции 1‑Wire‑сетей, выбранной этой компанией для решения самых разнообразных проблем автоматизации.

Однако поистине революционную роль в развитии 1‑Wire‑систем сыграло появление оригинальной технологии Link, созданной специалистами небольшой фирмы iButtonLink из Техаса, которая ранее являлась дочерним предприятием компании Dallas Semiconductor, а сейчас позиционируется, как коммерческий партнёр Maxim Integrated. Благодаря использованию алгоритмов цифровой фильтрации, эта технология многократно улучшает механизм активной подтяжки шины данных 1‑Wire‑магистрали, что позволяет получать действительно идеальные сигналы обмена в сетях с длиной кабеля до 300 метров при обслуживании до 250 ведомых абонентов. Кроме того, это решение обеспечивает возможность свободной топологии и значительную устойчивость 1‑Wire‑систем к электромагнитным помехам. Сейчас выпускается широкая номенклатура Link‑адаптеров, включая модификации для COM‑порта, USB‑порта, OEM‑конструкции для встроенных решений, USB‑1‑Wire‑Hub для обслуживания четырёх отдельных 1‑Wire‑ветвей и т.д. Таким образом, применяя достижения технологии Link, разработчики 1‑Wire‑систем приобрели надёжный неприхотливый инструмент, с помощью которого можно успешно решать самые непростые задачи автоматизации даже в жёстких условиях промышленного производства.

На новый уровень вывела 1‑Wire‑технологию небольшая фирма Hobby Boards, которая разрабатывает и производит целый спектр недорогих устройств‑полуфабрикатов, из которых, как из кирпичиков можно построить 1‑Wire‑сеть любой сложности. По‑существу такие изделия являются OEM‑продуктами, позволяющими контролировать различные параметры и управлять разными исполнительными устройствами. Поэтому используя их легко реализовать, недорогие системы мониторинга и/или управление самыми разнообразными процессами. Фирмой Hobby Boards массово поставляются самые разнообразные 1‑Wire‑датчики, 1‑Wire‑адаптеры для различных портов персональных компьютеров, эффективные 1‑Wire‑hub, ЖК‑индикаторы с 1‑Wire‑интерфейсом, а также силовые переключатели и регуляторы различных электрических нагрузок, также реализованные по 1‑Wire‑технологии. Именно предлагая на рынке подобные OEM‑продукты, а также готовые платы, 1‑Wire‑компоненты и недорогие наборы для самостоятельного конструирования, ориентированные, в том числе, на людей, увлечённых электроникой, компания Hobby Boards внесла наибольший вклад в популяризацию и продвижение 1‑Wire‑решений. При этом обеспечивается всеобъемлющая информационная поддержка пользователей на всех этапах их взаимодействия с 1‑Wire‑устройствами, включая: подробные инструкции, принципиальные схемы, варианты разводки печатных плат, средства программной поддержки и т.д. В настоящее время OEM‑продукты для самостоятельного построения 1‑Wire‑сетей поставляет множество компаний. Среди них iButtonLink, Homechip, Springbok Digitronics Order Center, 1‑wire interest group, Sheepwalk Electronics и другие.

Метеостанции

Другим примером, наглядно демонстрирующим на практике возможности 1‑Wire‑технологии, является проект построения полностью автоматических метеорологических станций (1‑Wire Weather Station (1‑WWS)), который разрабатывался совместно фирмами PointSix, AAG Electronica, Maxim Integrated и Texas Weather Instruments. Вначале (еще в середине 90‑х годов) было создано несколько экспериментальных систем 1‑WWS, построенных на базе ведущего персонального компьютера с адаптером DS9097U, управляющего комплексом из трёх термометров DS18S20 для контроля температуры, микросхемы DS2438 для обслуживания датчика влажности воздуха, компонента DS2423 для определения скорости ветра и 16‑ти электронных меток DS2401, определяющих его направление. Эти первые метеосистемы были установлены и успешно испытаны в процессе длительной эксплуатации в штате Техас. Причём отдельные 1‑WWS комплектовались дополнительными 1‑Wire‑решениями, которые обеспечивали контроль сигналов от датчиков: барометрического давления, разрядов молнии, количества осадков на поверхности, инсоляции, влажности почвы и т.д. Данные со всех сенсоров, регистрируемые каждой из подобных систем, поступали в персональный компьютер и через Интернет транслировались в режиме реального времени на центральный операторский пульт. Там выполнялись приём, обработка и архивация результатов о погоде всего региона, получаемых благодаря анализу информации от нескольких территориально рассредоточенных станций. После успешного завершения этого проекта Texas Weather Instruments уже на протяжении многих лет успешно торгует готовыми полностью автоматическими метеостанциями, не требующими обслуживания человеком. Причём популярность подобных устройств настолько велика по всему миру, что компания Maxim Integrated в своё время была вынуждена начать производство специализированного набора микросхем WS‑1, который включает комплект 1‑Wire‑компонентов, минимально необходимый для построения подобной станции. А полную комплектацию 1‑WWS для многочисленных пользователей со всего мира, включая платы для самостоятельной сборки, сертифицированные механические и конструкционные элементы, выполняет фирма AAG Electronica. В настоящее время из пользователей 1‑WWS сложилось целое сообщество по интересам со своими информационными ресурсами, форумами, литературой и т.д. Например, энтузиаст Tim Bitson, который на профессиональном уровне занимается продвижением 1‑WWS и разработал популярный пакет программ TiniWeatherServer, а также множество оригинальных аппаратных решений для 1‑WWS, является автором популярнейшей книги "Weather Toys", посвящённой особенностям построения 1‑WWS.

Многоточечные системы контроля температуры

Именно цифровые термометры являются теми ключевыми 1‑Wire‑компонентами, которые всегда “тянули” за собой все другие 1‑Wire‑решения в области распределенной автоматизации. Поскольку микросхемы DS18#2# постоянно были наиболее популярны, неизменно востребованы в самых различных приложениях и имеют наиболее высокий рейтинг продаж среди всех компонентов с 1‑Wire‑интерфейсом. Это обусловлено, в первую очередь, их оптимальными метрологическими характеристиками, удачным аппаратно‑конструктивным решением, возможностью простого объединения в дешёвую распределенную сеть, на фоне очень доступной цены. Сегодня в мире работают уже тысячи систем температурного контроля, построенные на базе этих уникальных компонентов. Они применяются при мониторинге микроклимата самых различных объектов, при ревизии любых операций по переработке и хранению пищи и медикаментов, для контроля температуры во многих областях промышленного производства, для создания регулирующих контуров различных нагревателей, в холодильной и климатической технике и т.п. Множество фирм выпускают конструктивно завершённые защищённые первичные преобразователи на базе микросхем DS18#2#, предназначенные для эксплуатации в агрессивных средах. Их включают в качестве отдельных узлов в состав самого различного оборудования. Для обслуживания только датчиков этого типа создаются специализированные платы и контроллеры, а составленные из них сети подключают к специализированным и персональным компьютерам. Примеры же программных кодов и подпрограмм для обслуживания компонентов DS18#2# есть в библиотеке приложений практически любого микроконтроллера. Безусловно, свою существенную лепту в популяризацию этого направления внесли и известные суперпроекты “OWFS 1‑Wire File System” от Paul H Alfille и “DigiTemp” от Brian C. Lane's, посвящённые совместному применению цифровых 1‑Wire‑термометров и персональных компьютеров, работающих в операционных средах DOS, Windows, Linux. В России тоже есть интересные проекты на эту тему: Temp Keeper от Павла Воробьева и DS1820 SERVER от Сергея Иванцова.

Еще большие возможности открывают перед создателями многоточечных систем температурного контроля более продвинутые термометры с 1‑Wire‑интерфейсом типа DS28EA00, оснащённые дополнительными управляющими GPIO‑выводами. Такие микросхемы позволяют не только провести многоточечную идентификацию и осуществить эффективный контроль температуры, но и отрабатывают простейшие функции по включению/выключению силовых устройств, связанных с нарушением заданного температурного режима. Например, управляют состоянием нагревателей или, напротив, агрегатов охлаждения, расположенных локально непосредственно в контрольных точках, оснащённых датчиками DS28EA00.

Умный дом (Home Automation)

“Умный дом” ‑ это комплекс автоматики, который управляет инженерными системами жилища. Например, освещением, отоплением, вентиляцией, кондиционированием, энергоснабжением, водоснабжением, электроприводами, оборудованием пожарных и охранных систем и прочим. Температура – это часто основа и мерило комфорта любого жилища, а в чрезвычайной ситуации — индикатор пожара. На сегодняшний день для многоточечного контроля температуры ничего лучше применения 1‑Wire‑термометров по соотношению функциональность/цена еще не придумано (хотя первый прототип таких термометров с обозначением DS1820 появился ещё в 1992 году). Поэтому в абсолютном большинстве проектов направления “Умный дом” именно датчики DS18#2# чаще всего обеспечивают функции термометров. А это, как правило “тянет”, за собой применение и других компонентов с 1‑Wire‑интерфейсом: ключей для переключения силового оборудования, АЦП для контроля других параметров микроклимата, портов ввода/вывода для управления различным бытовым оборудованием и т.д. Хотя реализацию всех аспектов контроля и управления, возникающих при автоматизации современного жилища, вовсе необязательно решать только посредством 1‑Wire‑технологии, систем типа “Умный дом” (если они делаются за разумные деньги), где, так или иначе, присутствуют 1‑Wire‑решения, сегодня достаточно много, если не большинство. Поэтому многие разработчики и поставщики, специализирующиеся на создании и продвижении систем автоматизации зданий, предлагают множество устройств оснащённых 1‑Wire‑интерфейсом. Например: ukrocketman, Brain4home, Linux HomeAutomation и другие.

Идентификация и защита электронных изделий

К одному из наиболее востребованных типовых применений 1‑Wire‑компонентов, относится маркирование и защита картриджей для принтеров и копировальных аппаратов, а также идентификация и защита информации для любых требующих этого электронных изделий (особенно с учётом использования встроенного в них дешевого механизма шифрования SHA). Различные оснащённые 1‑Wire‑интерфейсом чипы идентификаторов и чипы памяти от Maxim Integrated сегодня очень широко распространены для реализации защиты CRUM (Customer Replaceable Unit Monitor ‑ заменяемых пользователями блоков мониторинга), входящих в состав большинства копировальных и множительных устройств. Среди них особенно популярны микросхемы DS2401, DS2411, DS2431, DS2432, DS28E01‑100, DS2433, DS250x и д.р. При этом они часто исполняют сразу несколько функций, используя минимум контактов для обмена информацией (только шины DATA и RET). Например, роль идентификатора оборудования, аутентификатора легальности доступа, счетчика копий (или расхода тонера) и т.д. Чипы с 1‑Wire‑интерфейсом сегодня используются в картриджах огромного числа моделей копировальных аппаратов от таких известных фирм‑производителей, как: Xerox, Sharp, Fujitsu, Minolta, Lexmark, Epson и т.д. Причём многие компании, производящие копировальное оборудование, закупают эти микросхемы в промышленных масштабах именно из‑за встроенного SHA‑механизма. Такое решение является в настоящее время наиболее оптимальным в соотношении эффективность/цена по сравнению с любыми иными вариантами аппаратной защиты. Поэтому сегодня большинство продвинутых разработчиков и производители массовой бытовой электроники (сотовых телефонов, коммуникаторов, фотоаппаратов, плееров и т.д.) используют в составе своей продукции 1‑Wire‑компоненты, содержащие встроенный узел SHA‑шифрования: DS2432, DS28E01‑100, DS28E02, DS28E10, DS2704, DS2704 и другие.

Менеджмент автономных источников энергии

Довольно перспективной областью, в которой в полной мере используются преимущества технологии 1‑Wire‑сетей, и которой особенно много внимания уделяет компания Maxim Integrated, является менеджмент автономных химических источников тока ‑ аккумуляторных батарей. Под менеджментом здесь понимается, – прежде всего, строгая и полная идентификация источников энергии, сохранение в памяти, встроенного в батарею электронного устройства, особенностей её изготовления и индивидуальных технических характеристик, наиболее полный мониторинг их основных эксплуатационных параметров на протяжении всего срока службы, а также формирование корректного управляющего воздействия, связанного с восстановлением заряда обслуживаемого аккумулятора. От правильного менеджмента и знания истории эксплуатации батареи во многом зависит выбор алгоритма её повторного заряда, что непосредственно связанно с эффективностью использования и сроком службы многих типов аккумуляторов. Для этого каждая из батарей многоэлементных энергетических конструкций (особенно для мобильных или беспроводных устройств и средств бесперебойного питания) снабжается индивидуальным многофункциональным 1‑Wire‑компонентом ‑ 1‑Wire‑микросистемой, превращаясь по существу в интеллектуальный системный элемент автономного питания. При этом исповедуется комплексный сетевой подход к проблеме менеджмента энергетических элементов, когда 1‑Wire‑решения позволяют организовать недорогую многоточечную сеть комплексного обслуживания устройств менеджмента и управления зарядом, что даёт возможность сопровождать, как отдельные автономные источники энергии, так и целые батареи, составленные из множества единичных энергетических ячеек.

В настоящее время компания Maxim Integrated выпускает ряд прецизионных кристаллов с 1‑Wire‑интерфейсом для мониторинга, менеджмента, защиты и управления восстановлением заряда автономных источников питания самых различных типов и назначений (DS2438, DS2740, DS2756, DS2775, DS2776, DS2777, DS2778, DS2780, DS2781, DS2784, DS2788 и т.д.). К ним также относятся 1‑Wire‑микросистемы семейства DS276#, которые в отличие от иных модификаций подобных устройств, требующих внешней обвязки с использованием прецизионных и стабильных пассивных компонентов, обеспечивают более высокую точность при контроле тока, расходуемого контролируемой батареей. Это достигается, в том числе, за счёт встроенного в полупроводниковый кристалл калиброванного резистивного шунта, изготовленного по специальной технологии, а также благодаря наличию в составе подобных приборов специального аппаратно‑программного механизма предварительной калибровки.

Ограничения и сопряжение с промышленными и глобальными сетями

Объективный сравнительный анализ возможностей различных популярных последовательных интерфейсов, таких, как 1‑Wire, SPI, I2C, USB и др., в отношении физического размера сети, драйверов сети, обеспечения электропитанием, скорости обмена, инвентаризации абонентов, выбора функций и т.д. доказывает, предпочтительность и конкурентоспособность 1‑Wire‑интерфейса, особенно для разработчика, решающего вопрос о рациональном и эффективном сопряжении микроконтроллера и периферийного оборудования при конструировании низкопотребляющих автономных систем. Поэтому применение 1‑Wire‑интерфейса, прежде всего, при организации сети распределённых устройств в полевых условиях является на сегодняшний день наиболее оптимальным решением с точки зрения надёжности, минимизации энергопотребления, обеспечения максимальной протяженности кабеля магистрали, минимальности используемых аппаратных средств, эффективности адресуемости абонентов, общей дешевизны решения и т.д.

Однако, безусловно, 1‑Wire‑сети имеют свою, строго определенную нишу для применения при построении систем автоматизации. Бессмысленно всерьёз использовать их для передачи больших массивов информации, при построении, к примеру, систем видеонаблюдения или скоростного обмена, связанных с обслуживанием быстрых процессов, или же сравнивать возможности 1‑Wire‑сетей с такими мощными сетевыми промышленными интерфейсами, как ProfiBus, FeldBus, LonWorks, Industrial Internet и т.д. Применение 1‑Wire‑технологии, особенно при автоматизации широко рассредоточенного технологического оборудования, высоком уровне помех и жёстких требованиях к надёжности (когда важным является каждое показание и каждое управляющее действие, а программное обеспечение не может фильтровать случайные сбои), безусловно, НЕ ОПРАВДАНО. Надёжность 1‑Wire‑интерфейса априори намного хуже промышленных сетевых интерфейсов RS485 и CAN, которые имеют специальные аппаратные методы подавления помех и исключения ошибок.

Можно даже сформулировать основные на сегодняшний день ограничения для применения систем, построенных на базе 1‑Wire‑сетей в области автоматизации:

  • необходимость непрерывной временной синхронизации или синхронной работы отдельных устройств в сети (эта проблема может быть решена вводом в структуру магистрали 1‑Wire‑сети дополнительной шины для передачи сигнала общей синхронизации),
  • низкая скорость обмена информацией и, как следствие, невозможность высокой динамики при обслуживании быстрых процессов в режиме реального времени (если контролируемый быстрый процесс является относительно непродолжительным, локальный микроконтроллер в составе 1‑Wire‑сети может обслужить его, сохранив результирующие данные в буферной памяти, а затем уже осуществить их передачу непосредственно к мастеру),
  • невысокая помехозащищенность (может быть значительно улучшена при тщательной прокладке магистрали, её экранировке, гальваническом разделении абонентов, программной фильтрации ошибок и снижении скорости обмена),
  • сложность в реализации мультимастерного режима работы сети (специализированный ветвитель 1‑Wire‑сетей DS2409 или его схемотехническая замена разрешают проблему конфликтов между несколькими ведущими в составе одной 1‑Wire‑сети).

Как видно из замечаний, приведённых в скобках, даже очевидные для 1‑Wire‑сетей, трудности не являются непреодолимыми. Более того, существуют подходы, позволяющие органично интегрировать медленные территориально рассредоточенные 1‑Wire‑структуры в состав таких производительных сетей как CAN или Industrial Internet. Это достижимо благодаря применению специальных аппаратно‑программных решений, реализуемых на базе современных микроконтроллеров, оснащённых встроенными узлами обслуживания 1‑Wire‑сети. Одно из таких эффективных решений ‑ использование технологии TINI.

TINI – это электронная микросистема, основой которой является центральный процессор, реализованный на высокопроизводительном сетевом микроконтроллере DS80С400, объединяющем ресурсы целого ряда наиболее распространённых сетевых интерфейсов, как‑то: RS232, 1‑Wire, CAN 2.0B, Ethernet, не говоря о возможности использования параллельной шестнадцатиразрядной синхронной магистрали, а также автономных узлов для организации стандартных локальных последовательных интерфейсов I2C и SPI. Кроме того, плата TINI400 содержит 1 Мбайт программной Flash‑памяти, 1 Мбайт статического ОЗУ, узел часов реального времени, литиевую батарею и электронную идентификационную метку. Работает TINI400 под управлением мощной операционной среды, включающей поддержку TCP/IP и виртуальной машины Java, которая тщательно отработана и испытана еще на моделях плат TINI предыдущих поколений. Технология программной поддержки платформы TINI на протяжении нескольких лет развивалась специалистами Maxim Integrated совместно с сотрудниками компании Sun Microsystems, являясь при этом полностью открытым проектом. Это значительно облегчает построение на базе устройств TINI локальных 1‑Wire‑сетей удалённого контроля и управления, объединяющих достоинства быстрых и производительных, но дорогих сетей, и медленных, но дешёвых и оптимальных для множества реальных приложений интерфейсов. Более того, на сегодня в мире сложилось целое направление автоматизации, основанное на применении TINI‑технологи, которое поддерживается такими мощными производителями, как SYSTRONIX, SNAP, EMAC.

Помимо технологии TINI существуют и иные варианты сопряжения 1‑Wire‑сетей с Ethernet. Например, недорогие модули OW‑SERVER и TC‑SERVER от Embedded Data Systems, которые позволяют легко реализовывать самые разнообразные 1‑Wire‑решения по организации дистанционного управления и мониторинга через Интернет. Кроме того, Embedded Data Systems также предлагает устройство, HA7NET, специально предназначенное для упрощения интегрирования территориально удалённых 1‑Wire‑систем в сети Ethernet. Благодаря встроенной активной подтяжке HA7NET может поддерживать работу трёх независимых 1‑Wire‑ветвей с протяжённостью магистрали до 300 м, состоящих из 100 абонентов каждая. А в Европе популярно похожее решение под маркой Poseidon, которое поставляет чешская компания HW group. Семейство систем Poseidon реализовано на базе технологий 1‑Wire и Ethernet. Используя любую из модификаций многофункционального контроллера Poseidon, а также различные оснащённые 1‑Wire‑интерфейсом датчики, преобразователи и хабы, изготавливаемые HW group, пользователь может легко самостоятельно организовать систему полномасштабного мониторинга температуры, влажности, напряжения и тока.

В заключении необходимо еще раз отметить безусловную эффективность и рациональность использования технологии 1‑Wire при построении систем автоматизации контроля и управления для разнообразного рассредоточенного оборудования, когда не требуется высокая скорость при обслуживании, но необходима существенная гибкость, экономичность расхода энергии и наращиваемость при не высоких затратах на реализацию.

Наверх