PROTOCOLLO 1-WIRE. Schema a blocchi del sistema 1-Wire e struttura del master e dello slave

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Berta Bartolini
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1 PROTOCOLLO 1-WIRE Introduzione La Dallas Semiconductor ha sviluppato un sistema di comunicazione ad un filo noto con il nome di 1-Wire bus. Il protocollo 1-Wire permette l interazione tra molti dispositivi prodotti dalla Maxim/Dallas Semiconductors, come controllori di batteria e termici, memorie, ecc.. Si tratta di un sistema di comunicazione di tipo half-duplex, bi-direzionale e la comunicazione avviene tra un dispositivo detto "master", che controlla uno o più dispositivi detti "slave", che condividono con esso il bus ad un singolo filo. Nella figura di seguito è riportato lo schema a blocchi del sistema di comunicazione e il particolare della struttura interna del master e di un generico dispositivo slave connesso al bus. Schema a blocchi del sistema 1-Wire e struttura del master e dello slave Il dispositivo master, tipico di un sistema 1-Wire, si interfaccia con il singolo filo del bus tramite una porta di ingresso-uscita avente configurazione di tipo open-drain e connessa alla alimentazione positiva V CC (3V o 5V) tramite un resistore R di pull- up. Dispositivi master più complicati contengono al loro interno driver di linea dedicati. Il dispositivo slave riceve l alimentazione elettrica e i dati attraverso l unico filo della linea cui esso è connesso, immagazzinando carica elettrica in un capacitore interno quando la linea è nello stato di idle (inattiva), ovvero quando non c è comunicazione. Nello stato idle la linea è posta alla tensione positiva. Quando inizia la comunicazione il dispositivo si autoalimenta utilizzando la carica immagazzinata nel capacitore interno durante la precedente fase di idle. Numero seriale a 64-bit Ogni dispositivo slave ha un unico, inalterabile, numero seriale identificativo, scritto in esso mediante tecnica di scrittura laser. Ogni dispositivo ha il suo ID e nessun altro dispositivo può avere un ID uguale. Questa caratteristica permette al dispositivo master di selezionare un determinato dispositivo slave tra molti altri dispositivi che sono presenti nello stesso bus. Nella figura seguente è mostrata la struttura dell'id. Struttura del codice ID a 64 bit per un dispositivo 1-Wire

2 I primi 8 bit sono riservati al codice di controllo, i 48 bit successivi costituiscono il numero seriale identificativo del dispositivo e gli 8 bit rimanenti costituiscono il "family code" che identifica il tipo di dispositivo e le funzionalità supportate. Si possono avere 256 tipi di dispositivi slave. Caratteristiche generali del protocollo Il protocollo utilizza per la comunicazione una logica CMOS/TTL e lavora in un intervallo di tensioni di alimentazione compreso tra 2.8V e 6V. La trasmissione è bi-direzionale e di tipo half-duplex (ricezione e trasmissione non possono avvenire contemporaneamente). Nella comunicazione si trasmettono i singoli bit e i bit LSB sono trasmessi per prima. Non è richiesto un clock di sistema in quanto la sincronizzazione avviene con il fronte di discesa del bus pilotato dal master. Le velocità di comunicazione sono due: Standard (15kbps) e Overdrive (111kbps). Nello stato di idle il valore del bus è alto (tensione positive VCC). Formato dei dati Nella sistema di comunicazione ad un filo 1-Wire il dispositivo master gestisce le varie fasi e i diversi dispositivi slave connessi. Per trasmettere/ricevere il singolo bit si utilizza un impulso: per rappresentare un bit "0" si utilizza un impulso "largo" mentre per il bit "1" si utilizza l'impulso stretto. Si veda figura seguente. Impulsi rappresentativi del bit "0" e del bit "1" Reset La comunicazione parte quando il dispositivo master invia sul bus il commando di reset, che consiste in un impulso di durata finita che sincronizza tutti i dispositivi presenti sul bus. Ogni singolo slave risponde al comando di reset con un impulso di presenza mettendo basso il bus, come rappresentato nella figura seguente. Diagramma temporale del bus nella fase di reset Durante la fase di reset il master mette a livello basso il bus per un tempo pari a 480µs rilasciandolo successivamente e lasciando il controllo allo slave, che deve rispondere. Dopo di 70µs (550µs dall'inizio) il master legge il bus per capire se il dispositivo slave è presente: se il bus è posto basso allora lo slave è presente altrimenti il master legge il bus alto e lo slave non è presente. L intera fase di reset dura 960µs.

3 Scrittura dei dati Il processo di scrittura dati da parte del master verso lo slave è iniziato dal master e nella figura seguente si vede l andamento temporale del bus durante la scrittura di un bit "0" e di un bit "1". Dopo la fase di reset il master mette il bus a livello basso per un tempo definito (6µs) se e vuole scrivere uno "0" mantiene il bus a livello basso per altri 54µs per poi rilasciare il bus facendolo evolvere al valore al livello alto aspettando altri 10µs prima di iniziare un altra operazione. Nel caso si voglia trasmettere un bit "1" il master (dopo i 6µs) rilascia il bus per altri 54µs, facendolo evolvere al livello alto grazie alla presenza del resistore di pull-up. Esauriti i 60µs il master aspetta altri 10µs per poi iniziare una nuova fase. Diagramma temporale del bus nella fase di scrittura Lettura dei dati ll processo di lettura di dati inviati dal dispositivo slave da parte del master inizia quando il master mette basso il bus per un tempo finito (6µs) per poi rilasciarlo lasciando il controllo del bus al dispositivo slave. Il master campionerà 9µs dopo il bus per capire cosa il dispositivo slave sta trasmettendo. Infatti, se questo deve trasmettere un bit "0" manterrà basso il bus, mentre rilascerà il bus (facendolo evolvere verso il livello alto) se vuole trasmettere un bit "1". Si veda la seguente figura. Diagramma temporale del bus nella fase di lettura Selezione dei dispositivi In una comunicazione con protocollo 1-Wire la prima azione che si effettua sul bus, necessaria per le successive comunicazioni, è la selezione del dispositivo slave. In un sistema con un singolo slave questa fase è minima e non richiede molto tempo. In un sistema con molti dispositivi slave, la selezione è fatta mediante il suo. Un algoritmo di ricerca binaria permette al master, che controlla il bus 1-Wire (ROM-level commands), di apprendere e conseguentemente di selezionare il rispettivo ID a 64 bit di qualunque altro

4 dispositivo slave presente sulla linea. Quando uno specifico "slave" è selezionato il master utilizza specifici comandi per mandare dati allo slave o leggere dati da esso. Nello stesso tempo, tutti gli altri dispositivi "slave", presenti sulla linea ma non selezionati dal master, ignorano la comunicazione fino al che non arriva un comando di reset che è riconosciuto da tutti. Gestione della sonda di temperatura DS18B20 1-Wire con Arduino Creato dalla Dallas Semiconductor, come precedentemente detto, il sistema di comunicazione a filo unico a bassa velocità e lungo raggio è pensato per dispositivi molto economici, come termometri, sensori di pressione e umidità. Schema elettrico

$h> #define ONE_WIRE_BUS 8 OneWire ourwire(one_wire_bus); DallasTemperature sensors(&ourwire); void setup() { delay(1000); Serial.begin(9600); Serial.$

5 Schema di montaggio Schetch acquisizione temperatura /* Tutorial test Dallas DS18B20 su pin digital 8 */ #include <OneWire.h> #include <DallasTemperature.h> #define ONE_WIRE_BUS 8 OneWire ourwire(one_wire_bus); DallasTemperature sensors(&ourwire); void setup() { delay(1000); Serial.begin(9600); Serial.println("TEMPERATURA RILEVATA DALLA SONDA"); Serial.println("DS18B20");

6 delay(1000); sensors.begin(); } void loop() { Serial.println(); sensors.requesttemperatures(); Serial.print("Temperatura = "); Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0)); Serial.println(" gradi C"); delay(5000); // ogni 5 secondi stampo il valore della sonda } Per chi non avesse le librerie OneWire.h, DallasTemperature.h caricate, possono essere installate in questo modo: aprite la "Gestione librerie" della IDE in Sketch > Inclusione librerie > Gestione Librerie. Modificare i parametri di ricerca in "tutti" e cercare la libreria onewire e dopo dallas DS18B20. Una volta identificate cliccate su installa per ogni singola libreria. Riavviate l'ide ed il gioco è fatto. Per installare manualmente le librerie puoi scaricarle ai link seguenti: One_Wire clicca qui. DallasTemperature clicca qui.

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