通過調節上拉電阻來提高1-wire總線器件的驅動能力

Dallas公司生產的集成電路中，廣泛應用了1-wire總線。主機只需1根連線就可以把一個或數個1-wire總線器件連接起來，實現有效可靠的數據通信。但是，在使用1-wire總線驅動多個器件、連接電纜線較長的場合，它的驅動能力是否適應;或者說，應該如何提高1-wire總線器件的驅動能力？ 本文就此問題進行分析和實驗。

1 1-wire總線簡介

從 Dallas公司提供的圖1所示讀寫時序圖可以看出，主機讀DS18B20 時，首先應該把線拉低至少1μ s，然后在15μs內讀總線的邏輯狀態（t0~t1）。DS18B20 則在主機拉低總線1μs內開始輸出數據，如果為0，繼續拉低總線，并在15~60μs（t1~t2）之間釋放總線（典型值為30μs），由上拉電阻把總線拉至高電平;如果數據位為1，則在主機拉低總線1μs后，DS18B20 的DQ端呈現開漏狀態，一旦主機釋放總線，上拉電阻就把總線拉至高電平。在60μs（t2）之后，1-wire總線還必須繼續保持高電平至少1μs，作為兩個數據位之間的分隔（稱之為“恢復時間”）。由此可見，為了保證所讀數據的可靠性，89C2051必須在15μs前讀取總線的邏輯狀態。

圖1 1-wire總線讀寫時序圖

主機在對DS18B20進行寫入操作時，首先應該拉低1- wire總線至少1μs 。然后，如果寫入數據位是 0，則繼續拉低總線至60μs結束（t2）;否則就釋放總線，由上拉電阻把總線拉成高電平。而DS18B20則在15~60μs之間（t1~t2）讀入數據（典型值為15μs）。同樣，在60μs之后（t2），1-wire總線還必須繼續保持高電平至少1μs，作為兩個數據位之間的分隔。

2 實驗電路參數的分析與實驗結果

以1-wire總線的數字溫度集成電路DS18B20與單片機89C2051 為例，其接口電路如圖2所示，時鐘頻率為12MHz 。89C2051的P1.0口與DS18B20的DQ相連。1-wire總線器件的DQ口（數據口線）都為開漏結構，以便可以在1-wire總線上掛接多個DS18B20。因此，在1-wire總線上應該加接1個上拉電阻，文獻推薦值為4.7kΩ。筆者使用2 m長的4芯屏蔽電纜連接89C2051 和DS18B20 ，其中一芯以及外屏蔽單端接地，其余分別為VCC、GND 和DQ 。經測試，DQ線到地的分布電容為131pF/m 。為了能夠測試1-wire總線的驅動能力，在DQ線上加接電容，以便近似地模擬長電纜，等效電路如圖3所示?？梢酝ㄟ^選擇上拉電阻的值，合理安排 t0~t1和t0~t2兩個時間段，以提高1-wire總線器件驅動長總線的能力。自然，上拉電阻越小，其拉動1-wire總線的能力就越大，但是要受到 DS18B20的低電平吸入電流的限制。綜合考慮各種因素，選取上拉電阻值為1.5kΩ。

圖2 89C2051與DS18B20接口電路

圖3 1-wire總線邏輯電平轉換時的等效電路

由電工學可知，圖3（a）中電容C上的電壓為

在t0~t1階段，由 89C2051拉低1-wire總線并保持至少1μs。89C2051的I/O口輸出低電平時可吸入20mA的電流，其內阻因是非線性特性，不會大于 50Ω。DS18B20的邏輯0輸入電平最大可為0.8V;89C2051為0.9V，取 VC = 0.8V，VCC = 5V。把上述數據代入方程（4），取負載電容C = 10nF，可以得到t =0.9μs;加上SETB指令需時1μs ，穩定所需時間（至少1μs），取t0~t1 = 3μs。

在t1~t2階段，無論是89C2051還是DS18B20輸出0電平，由于總線電平已經是0電平，不存在階躍問題，所以不必計算。

如果是邏輯1，不管是由89C2051還是由DS18B20輸出， 兩者的輸出FET均為開漏狀態（89C2051有弱上拉，可以忽略），由上拉電阻把1-wire總線從0電平上拉到高電平?？梢杂糜诎芽偩€從0電平上拉到 1電平的時間t1-t2 = 15 - 3 - 1 = 11μs，其中1μs在讀DS18B20時用于讀操作，在寫DS18B20時用來補償指令MOV DQ，C所需的時間。DS18B20的邏輯高電平最低為2.2V，89C2051為1.9V，取VC = 2.2V 。

把上述數據代入方程（2），當上拉電阻為4.7kΩ時，可以算得C = 4.0nF;當上拉電阻為1.5kΩ時，C = 12.6nF，相當于96.5m長的屏蔽電纜。

3 實驗結果

表1為實驗數據，使用2m長的4芯屏蔽電纜，在總線上加接電容以模仿長電纜。

表1 1-wire總線器件驅動能力與上拉電阻的關系

從表1可以看出，實驗結果與理論計算基本相符。由于實驗條件的限制，測試是相當粗糙的。更細致的調節，可以使用示波器觀察1-wire總線上的波形來對電路參數與程序進行微調，以求得到更好的結果。筆者曾以其它的定時關系編制了實驗程序，其驅動能力均不如本程序。

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