„1-wire” kommunikáció használata érzékelők csatlakoztatására IoT-végpontokhoz

Míg a dolgok internete (IoT) és az ipari IoT (IIoT) végpontjai általában helyi vezérlési területekkel rendelkeznek, egyeseknek olyan egyszerű érzékelőkhöz kell csatlakozniuk, amelyek több mint egy méterre vannak a gazda mikrovezérlő helyétől.

Az ilyen érzékelőkkel való egyszerű kommunikációra hagyományosan SPI vagy I²C soros interfészeket használnak. Mivel azonban a vezérlő algoritmusok egyre bonyolultabbá válnak és egyre több érzékelőt kell alkalmazni, a mikrovezérlőnek több SPI és I²C vonalat kell használnia az érzékelők eléréséhez. Ez bonyolítja a kábelezést, ami növeli a konfiguráció és a karbantartás költségeit, különösen a távolságok növekedésével.
Ez a cikk bemutatja a fejlesztőknek, hogyan használhatják a Maxim Integrated 1 vezetékes protokollját IoT-érzékelők csatlakoztatásához csupán egyetlen vezeték és földelés használatával. Tárgyalja az 1-wire protokoll előnyeit, beleértve az érzékelők hatótávolságának jelentős kiterjesztését, valamint a tápellátás és az adatok ugyanazon a vezetékeken keresztüli biztosítását. Ezután bemutat egy hídeszközt, amely az 1 vezetékes jeleket SPI vagy I²C jelekké alakítja, valamint egy szoftverrel ellátott fejlesztőkészletet, amely segít a tervezőknek az indulásban.

Az IoT- és IIoT-érzékelők egyre elterjedtebb használata

Az IoT- és az IIoT-hálózatok elterjedése a rendszerek és a gyártási folyamatok hatékonyabbá tételéről szól, mégpedig a funkcionalitás bővítésével együtt. Ez magába foglalja az érzékelőkkel történő adatgyűjtést is. Míg egy lakásban helyiségenként talán csupán egyetlen hőmérséklet-érzékelőt tartalmazó termosztát van, egy automatizált épületben vagy IIoT-hálózatban azonban számos hőmérséklet- és páratartalom-érzékelőt helyezhetnek el egyetlen helyiségben, az egész épületre vagy létesítményre vonatkozólag. Például a nyomásérzékelők mellett további érzékelők lehetnek a fűtés, szellőzés és légkondicionálás (HVAC) csatornáiban. A biztonsági rendszerek különböző típusú, több helyen is elhelyezhető érzékelőket is használhatnak.
A gyártó- és szállítószalag-rendszerekben is egyre gyakrabban használnak érzékelőket a folyamatok megfigyelésére és az adatok elemzési célú naplózására például azért, hogy nyomon követhessék, hogyan lehet energiát megtakarítani a rendszerek hatékonyabbá tételével, miközben a biztonságot is javítják.
Az ilyen alkalmazásokban leggyakrabban használt érzékelők a következők: környezeti érzékelők, beleértve a hőmérséklet-, a páratartalom- és a nyomásérzékelőket; vizuális érzékelők, beleértve a láthatófény- és a kapacitív közelítésérzékelőket; valamint helyzetérzékelők, beleértve a mikroelektromechanikus rendszerű (MEMS) gyorsulásmérőket, MEMS giroszkópokat és rezgésérzékelőket. A miniatürizálás és a MEMS-technológiák fejlődése olyan érzékelőket eredményezett, amelyek tokozása kisebb egy hüvelykujj körménél, és csak néhány száz mA áramot vesznek fel. A legtöbb ilyen érzékelő könnyen elérhető SPI vagy I²C kommunikációs interfészen keresztül, amelyek szinte minden mikrovezérlőben megtalálhatóak. Az ilyen egyszerű érzékelőkhöz való kapcsolódáskor nem praktikus egy teljes IoT- vagy IIoT-végpontot, illetve gyermekcsomópontot létrehozni csak a hőmérséklet mintavételezésére, ezért gyakran egyszerűbb és gyorsabb, ha csak az SPI vagy I²C kommunikációs vonalakat vezetjük el közvetlenül hozzájuk.
Egyes esetekben még mindig analóg érzékelőket használnak, például magas hőmérsékletű hőelemeket és bizonyos nyomásérzékelőket. Ezekben az esetekben a mikrovezérlő az érzékelő közelében lévő SPI vagy I²C analóg-digitális átalakítóhoz (ADC) kapcsolódik, amely az analóg érzékelőt helyben mintavételezi. Ezáltal elkerülhető az analóg érzékelők vonalain fellépő feszültségesés, ugyanakkor javul a pontosság.

Kapcsolódás távoli SPI és I²C érzékelőkhöz

A mikrovezérlő ezekkel az érzékelőkkel az SPI és I²C adatvonalak hatósugarát kiterjesztve kommunikál. Az I2C azonban legfeljebb egy méterig használható, és az SPI-nek is hasonló korlátai vannak. Ezenkívül a teljes duplex SPI négy vezetéket igényel, beleértve egyet-egyet a periféria kiválasztásához. Végeredményben négy SPI-periféria eléréséhez egy buszon hét vezetékre, plusz a tápellátásra és a földelésre, azaz összesen kilenc vezetékre van szükség. A félduplex I²C két vezetéket, valamint tápellátást és földelést igényel a perifériához, azaz összesen négy vonalat. Ugyanakkor a sok nagysebességű jel növeli az elektromágneses interferenciát (EMI), ami áthallásokat okozhat, ez pedig a jelek integritásának csökkenését eredményezi és rontja a rendszer megbízhatóságát.
Olyan megoldásra van tehát szükség, amely a minimumra csökkenti a táp- és adatvezetékek számát és egyszerűsíti a működést, miközben fenntartja a kompatibilitást a meglévő I²C és SPI érzékelőkkel. A Maxim Integrated, hogy megoldja a távoli érzékelőkhöz nagyobb távolságról, ugyanakkor csökkentett számú vezetékkel történő csatlakozás problémáját, kifejlesztette az 1-wire protokollt, amely a legtöbb SPI vagy I²C érzékelő csatlakoztatását egyetlen vezeték és egy földelés segítségével oldja meg. Ez a protokoll az SPI hat és az I²C négy vezetékének számát mindössze két vezetékre csökkenti, amelyek 100 m-es távolságig továbbítják az adatokat és a tápellátást.

Az 1-wire alkalmazása

Az 1 vezeték használatakor a távérzékelő egy „1-wire” típusú kommunikációs híddal rendelkezik, amely az 1 vezetékes protokollt az érzékelőhöz csatlakozó SPI- vagy I2C-kompatibilis jelekké alakítja. Mind az 1 vezetékes híd, mind az érzékelő tápellátása parazitamódon csak az 1 vezetékes jelről és egy földvezetékről történik. Ez lehetővé teszi az 1 vezetékes jelek kis helyigényű vezetését, ami a kisebb vezetékfelhasználás révén költségmegtakarítást eredményez.
Míg az SPI és az I²C külön órajelet használ, az 1 vezeték az órajelet az adatjelbe ágyazza. Az SPI egy adott perifériát egy külön perifériaválasztó jel segítségével címez, amíg az I²C egy 7 bites buszcímet használ, amelyet az adatvonalon továbbítanak; ehhez képest az 1 vezetékes technológia egy minden egyes kommunikációs hídra vonatkozóan fixen huzalozott 56 bites címet alkalmaz. Ez a szélesebb címzési tartomány nemcsak a buszon lévő egyedi perifériák számát növeli, hanem a biztonságot is, mivel a támadók számára nehezebbé teszi az 1 vezetékes buszon lévő periféria címének kitalálását.
Az 1 vezetékes perifériabuszon a szó mérete 8 bit. Egy mikrovezérlővel felépített 1 vezetékes busz-host képes az 1 vezetékes protokoll bit-bangolására, de egy egyszerű UART illesztő is támogatja, így lehetővé válik, hogy egy 8 bites mikrovezérlő is 1 bites busz-host legyen. Az 1 bites busz tartalmazhat SPI vagy I²C perifériákat, de mindkettőt egyszerre nem. Ez a következetesség megakadályozza a konfliktusokat és ütközéseket a buszon, ugyanakkor egyszerűsíti a protokollal való programozást.

Létező 1 vezetékes megoldások

Azon tervezők számára, akik SPI vagy I²C perifériához szeretnének csatlakozni 1 vezetékes buszon keresztül, a Maxim Integrated a DS28E18Q+T parancsszekvenszerrel ellátott 1-Wire-to-I2C/SPI hidat ajánlja (1. ábra).

1. ábra A DS28E18Q+T parancsszekvenszerrel ellátott 1-Wire-to-I2C/SPI híd egy 1 vezetékes busz IO és GND kivezetéseihez csatlakozik
(Kép: Maxim Integrated)

Az 1. ábrán látható, hogy a parazitateljesítményt az IO magas szintjénél veszik ki a buszból, és bocsátják rendelkezésre a perifériák táplálására a SENS_VDD kivezetésen keresztül. A híd puffereli és fordítja az 1 vezetékes parancsokat a megfelelő I²C vagy SPI parancsokra.
Az IO kivezetés és a GND az 1 vezetékes buszhoz csatlakozik, és az állapotgépével együtt a front-endre kerül. Minden eszközt egy 56 bites ROM ID azonosító azonosít, amely előtt egy 8 bites, 1 vezetékes családkód áll, amely a DS28E18Q+T verzióját jelöli. Ez lehetővé teszi egy adott DS28E18Q+T egyedi azonosítását a mikrovezérlő firmware-je által, így az elég rugalmasan tud reagálni az eszközcsaládban bekövetkező változásokra. A készülék 48 bites egyedi sorozatszámmal rendelkezik, amelyhez 8 bites ciklikus redundanciaellenőrző (CRC) kód tartozik.
A front-end a lefordított adatokat a parancsszekvenszer számára egy 144 bájtos parancspuffer segítségével küldi el, amely 128 bájtnyi IO buszról származó és 16 bájtnyi belső használatra szánt adatot tartalmaz. A parancsszekvenszer feldolgozza a parancsokat, és maximum 512 bájtnyi I²C vagy SPI parancsot képes tárolni a pufferében, hogy később elküldhesse a perifériának, ahelyett, hogy az 1 vezetékes busz egyenként dolgozná fel a parancsokat.
Ez az 512 bájtos puffer lehetővé teszi azt is, hogy a DS28E18Q+T koordinálja saját belső energiaellátásának viselkedését annak érdekében, hogy a perifériával való kommunikáció időzítése lehetővé tegye a parazita-energiaellátás fenntartását. A parancs-szekvenszer fenntartja ezt az időzítést, amikor utasításokat küld az I2C/SPI Master és GPIO vezérlőnek, amely úgy dolgozza fel az adatokat, hogy azok megfeleljenek az I²C és SPI szabványoknak.
A CEXT kivezetéshez egy 470 nF kapacitású külső kondenzátor csatlakozik, amely a DS28E18Q+T számára tartalék tápellátásra szolgál az 1 vezetékes busz működése közben. A csatlakoztatott perifériák számára a parazita-tápellátás a SENS_VDD kivezetésen áll rendelkezésre. SPI üzemmódban az SS#, MISO, MOSI és SCLK nevű négy kivezetés biztosítja a csatlakoztatott perifériával a teljes duplex kommunikációt. Az I²C üzemmód csak két, váltakozó funkciójú kivezetést használ, az SDA-t és az SCL-t. Az SPI üzemmódhoz szükséges SS# és MISO kivezetések I²C üzemmódban nem használatosak, így általános célú I/O-ként (GPIO) használhatók GPIOA és GPIOB alternatív funkcióval. Ez nagyobb rugalmasságot biztosít, amely felhasználható diagnosztikai LED-ek működtetésére az érzékelő helyén, vagy az érzékelő, illetve az ADC konfigurációs kivezetéseinek kezelésére az eszköz viselkedésének megváltoztatása céljából.
A Maxim Integrated DS28E18Q+T használatával egyetlen mikrovezérlő UART-ja mindössze két vezetéket alkalmazva kommunikálhat számos érzékelővel ugyanazon az 1 vezetékes plusz földbuszon; minden érzékelő egy DS28E18Q+T-hez csatlakozik, amely akár 100 m távolságra is lehet. Ez különösen hasznos lehet a fűtés, szellőzés és légkondicionálás (HVAC) rendszerei esetében, ahol így elegendő csupán két vezetéket keresztülvezetni egy levegőcsatornán a hőmérséklet és a páratartalom ellenőrzésére annak hossza mentén, minden egyes szellőzőnyílásnál. Ez javítja a rendszer hatékonyságát azáltal, hogy ellenőrzi az akadályok miatt esetlegesen keletkező meleg vagy hideg helyeket.

A fejlesztés és az 1-wire

Az 1 vezetékes protokollal való fejlesztés megkezdéséhez a Maxim Integrated a DS28E18EVKIT# fejlesztőrendszert kínálja. Ez egy hardverfejlesztő kártyából (2. ábra) és egy szoftverből áll.

2. ábra A Maxim DS28E18EVKIT# fejlesztőlap lehetővé teszi a fejlesztő számára az SPI vagy I²C perifériák egyszerű csatlakoztatását az 1 vezetékes buszhoz. A mellékelt szoftver a busz és a perifériák viselkedésének programozására és felügyeletére, valamint a mikrovezérlő eszközillesztői létrehozásának segítésére használható (Kép: Maxim Integrated)

A fejlesztőkártya lehetővé teszi a fejlesztő számára a DS28E18Q+T programozását és felügyeletét. Fejlesztési célokra a kártyához egy USB adapter tartozik, amely a kártyát egy Windows számítógép USB portjához csatlakoztatja. A fejlesztőnek a fejlesztés segítésére le kell töltenie és futtatnia kell a fejlesztőkészlethez tartozó DS28E18EVKIT# szoftvert. Amint az a 3. ábrán látható, a kiértékelő szoftver lehetővé teszi a DS28E18Q+T és a hozzá csatlakoztatott perifériák programozását és felügyeletét.
A szoftver parancsokat tud küldeni a DS28E18Q+T fejlesztőkártyának, és konfigurálni tudja azt cél SPI vagy I²C perifériaként. Képes kiválasztani a periféria címtartományát, és fel tudja tölteni az 512 bájtos parancsszekvenszer-memóriát a végrehajtandó perifériaparancsokkal. A szoftver segíteni tud a célmikrovezérlő UART illesztőprogramjainak konfigurálásában is, ezért nem kell az 1 vezetékes kommunikációs protokoll minden részletét megtanulni. A fejlesztők saját alkalmazásukban is használhatják a fejlesztőkártyát, ezzel megtakaríthatják az érzékelő-csomópont kiépítésével és konfigurálásával járó időt és ráfordítást.

3. ábra A DS28E18EVKIT# kiértékelő szoftver lehetővé teszi a fejlesztő számára, hogy a kártyán levő DS28E18Q+T-t az USB adapter segítségével konfigurálja és figyelemmel kísérje annak viselkedését. Az 512 bájtos parancsszekvenszer-memória feltölthető adatokkal, majd elküldhető a perifériának az érzékelési művelet végrehajtása céljából
(Kép: Maxim Integrated)

Összegzés

Ahogy az IoT- és IIoT-rendszerek egyre több érzékelővel bővülnek, az érzékelők kábelezése egyre bonyolultabbá és költségesebbé válik, különösen a távolságok növekedésével. Az érzékelők áramellátása szintén olyan probléma, amely megnehezítheti az érzékelőhálózat létrehozását. Amint azt bemutattuk, a Maxim Integrated 1-wire protokollja és a hozzá tartozó hardver egyszerűbbé és hatékonyabbá teheti az érzékelőhálózathoz való csatlakozást azáltal, hogy az adatátvitelt és a tápellátást egyetlen vezetéken, valamint a földelésen keresztül biztosítja.

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu

Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.