通过调节上拉电阻来提高1-wire总线器件的驱动能力

Dallas公司生产的集成电路中，广泛应用了1-wire总线。主机只需1根连线就可以把一个或数个1-wire总线器件连接起来，实现有效可靠的数据通信。但是，在使用1-wire总线驱动多个器件、连接电缆线较长的场合，它的驱动能力是否适应;或者说，应该如何提高1-wire总线器件的驱动能力？ 本文就此问题进行分析和实验。

1 1-wire总线简介

从 Dallas公司提供的图1所示读写时序图可以看出，主机读DS18B20 时，首先应该把线拉低至少1μ s，然后在15μs内读总线的逻辑状态（t0~t1）。DS18B20 则在主机拉低总线1μs内开始输出数据，如果为0，继续拉低总线，并在15~60μs（t1~t2）之间释放总线（典型值为30μs），由上拉电阻把总线拉至高电平;如果数据位为1，则在主机拉低总线1μs后，DS18B20 的DQ端呈现开漏状态，一旦主机释放总线，上拉电阻就把总线拉至高电平。在60μs（t2）之后，1-wire总线还必须继续保持高电平至少1μs，作为两个数据位之间的分隔（称之为“恢复时间”）。由此可见，为了保证所读数据的可靠性，89C2051必须在15μs前读取总线的逻辑状态。

图1 1-wire总线读写时序图

主机在对DS18B20进行写入操作时，首先应该拉低1- wire总线至少1μs 。然后，如果写入数据位是 0，则继续拉低总线至60μs结束（t2）;否则就释放总线，由上拉电阻把总线拉成高电平。而DS18B20则在15~60μs之间（t1~t2）读入数据（典型值为15μs）。同样，在60μs之后（t2），1-wire总线还必须继续保持高电平至少1μs，作为两个数据位之间的分隔。

2 实验电路参数的分析与实验结果

以1-wire总线的数字温度集成电路DS18B20与单片机89C2051 为例，其接口电路如图2所示，时钟频率为12MHz 。89C2051的P1.0口与DS18B20的DQ相连。1-wire总线器件的DQ口（数据口线）都为开漏结构，以便可以在1-wire总线上挂接多个DS18B20。因此，在1-wire总线上应该加接1个上拉电阻，文献推荐值为4.7kΩ。笔者使用2 m长的4芯屏蔽电缆连接89C2051 和DS18B20 ，其中一芯以及外屏蔽单端接地，其余分别为VCC、GND 和DQ 。经测试，DQ线到地的分布电容为131pF/m 。为了能够测试1-wire总线的驱动能力，在DQ线上加接电容，以便近似地模拟长电缆，等效电路如图3所示。可以通过选择上拉电阻的值，合理安排 t0~t1和t0~t2两个时间段，以提高1-wire总线器件驱动长总线的能力。自然，上拉电阻越小，其拉动1-wire总线的能力就越大，但是要受到 DS18B20的低电平吸入电流的限制。综合考虑各种因素，选取上拉电阻值为1.5kΩ。

图2 89C2051与DS18B20接口电路

图3 1-wire总线逻辑电平转换时的等效电路

由电工学可知，图3（a）中电容C上的电压为

在t0~t1阶段，由 89C2051拉低1-wire总线并保持至少1μs。89C2051的I/O口输出低电平时可吸入20mA的电流，其内阻因是非线性特性，不会大于 50Ω。DS18B20的逻辑0输入电平最大可为0.8V;89C2051为0.9V，取 VC = 0.8V，VCC = 5V。把上述数据代入方程（4），取负载电容C = 10nF，可以得到t =0.9μs;加上SETB指令需时1μs ，稳定所需时间（至少1μs），取t0~t1 = 3μs。

在t1~t2阶段，无论是89C2051还是DS18B20输出0电平，由于总线电平已经是0电平，不存在阶跃问题，所以不必计算。

如果是逻辑1，不管是由89C2051还是由DS18B20输出， 两者的输出FET均为开漏状态（89C2051有弱上拉，可以忽略），由上拉电阻把1-wire总线从0电平上拉到高电平。可以用于把总线从0电平上拉到 1电平的时间t1-t2 = 15 - 3 - 1 = 11μs，其中1μs在读DS18B20时用于读操作，在写DS18B20时用来补偿指令MOV DQ，C所需的时间。DS18B20的逻辑高电平最低为2.2V，89C2051为1.9V，取VC = 2.2V 。

把上述数据代入方程（2），当上拉电阻为4.7kΩ时，可以算得C = 4.0nF;当上拉电阻为1.5kΩ时，C = 12.6nF，相当于96.5m长的屏蔽电缆。

3 实验结果

表1为实验数据，使用2m长的4芯屏蔽电缆，在总线上加接电容以模仿长电缆。

表1 1-wire总线器件驱动能力与上拉电阻的关系

从表1可以看出，实验结果与理论计算基本相符。由于实验条件的限制，测试是相当粗糙的。更细致的调节，可以使用示波器观察1-wire总线上的波形来对电路参数与程序进行微调，以求得到更好的结果。笔者曾以其它的定时关系编制了实验程序，其驱动能力均不如本程序。

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