시리얼 통신 프로토콜: 파트 세븐 - 1-Wire

다양한 직렬 통신 프로토콜이 전자 장치 간 데이터 전송을 위해 사용됩니다. 이는 마이크로컨트롤러가 센서에서 데이터를 읽거나 저장 장치로 데이터를 보내는 것과 같은 작업을 포함합니다. 이 시리즈는 일반적으로 사용되는 몇 가지 인기 있는 프로토콜을 다룰 것이며, 각각의 장단점 비교로 시리즈를 마무리할 예정입니다.

이 시리즈가 직렬 통신 버스를 구현하려고 할 때 유용한 참고 자료가 되어, 특정 애플리케이션에 가장 적합한 옵션을 선택할 수 있기를 바랍니다.

이 글에서는 인기 있는 1-Wire 프로토콜을 살펴볼 것입니다.

1-Wire 프로토콜

1-Wire는 Dallas Semiconductor Corp. (현재 Maxim Integrated)에 의해 개발된 저속 통신 버스로, 접지를 제외한 하나의 신호 데이터 라인을 사용합니다. 이는 마스터 또는 호스트 장치가 단일 데이터 라인을 통해 하나 이상의 슬레이브 장치에 연결되는 마스터-슬레이브 통신 시스템입니다. 각 1-Wire 슬레이브 장치는 고유한 공장 프로그래밍된 64비트 식별 번호(ID)를 가지며, 이는 해당 장치의 주소입니다.

1-Wire 장치는 주로 Maxim Integrated에서 생산되며, 전형적인 트랜지스터 TO-92와 같은 다양한 패키지 유형으로 제공됩니다. 매우 인기 있는 1-Wire 통신 장치는 iButton(댈러스 키로도 알려져 있음)입니다. iButton은 데이터 로거, 온도 및 습도 센서, LED, 메모리 장치, 어댑터 등과 같은 응용 프로그램에 사용되는 작은 모듈형 장치입니다. iButton은 역사적으로 1-Wire의 매우 인기 있는 구현이었지만, 오늘날에는 1-Wire 프로토콜을 구현하는 Maxim Integrated에서 제공하는 많은 센서가 있습니다.

원칙적으로, iButton은 스마트 카드에 사용되는 것과 매우 유사한 마이크로칩입니다. 차이점은 마이크로칩이 둥근 스테인리스 스틸 버튼에 내장되어 있으며, 혹독하고 요구가 많은 환경에서 사용하기 위해 설계되었다는 것입니다. 그들은 1-Wire 버스와의 연결을 위해 물리적 접촉에 의존합니다.

장치가 작동하는 전형적인 1-Wire 전압 범위는 다음과 같습니다:

• 1.71 V (최소)에서 1.89 V (최대)
• 1.71 V (최소)에서 3.63 V (최대)
• 2.97 V (최소)에서 6.63 V (최대)
• 2.8 V (최소)에서 5.25 V (최대)

1-Wire 버스의 가장 흥미로운 특징 중 하나는 외부 전원이 필요 없이 통신 라인을 통해 전원을 공급할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 온도 센서와 같은 외부 센서를 데이터 및 접지선만으로 연결할 수 있으며, 데이터 버스에서 기생 전력을 통해 센서에 전원을 공급할 수 있습니다. 이는 우리가 이 시리즈에서 조사한 다른 시리즈 통신 프로토콜에 비해 상당한 복잡성과 배선을 절약할 수 있습니다.

전형적인 1-Wire 버스 장치 연결은 다음 회로도에서 볼 수 있습니다:

위 예에서, 하나의 마스터 장치가 여러 슬레이브 장치를 제어하고 있습니다.

대부분의 1-Wire 장치는 극히 낮은 전력을 요구하며 전원 공급 핀이 필요하지 않습니다. 이러한 장치들은 1-Wire 데이터 라인에서 필요한 에너지를 추출하여 작동하며, 이를 기생 전원 공급이라고 합니다.

전형적인 1-Wire 장치 기생 전원 구성은 다음 회로도에서 볼 수 있습니다:

다양한 1-Wire 장치들이 있으며, 이들은 온도 감지, 식별, 시간 기록, EEPROM 또는 EPROM(일회용 프로그래밍 가능), 안전한 인증 등의 용도로 사용될 수 있으며, 식별, 소모품 인증, PCB 및 컴퓨터 액세서리, IP 보호, 출입 통제 시스템, 전자화폐, 출퇴근 시간 관리, 식품 또는 약품 안전성의 온도 모니터링 등 다양한 응용 프로그램을 가진 장치의 생성을 가능하게 합니다.

1-Wire 연결에 필요한 풀업 저항값은 장치에 충분한 전류를 공급할 수 있을 만큼 낮아야 하지만, 슬레이브 장치가 데이터 라인을 논리 레벨 0으로 성공적으로 끌어내리지 못하게 할 정도로 낮아서는 안 됩니다.

1-Wire 연결에 대한 전형적인 풀업 저항 값은 1 kΩ에서 4.7 kΩ 사이입니다. 이는 5 V 전원 공급 장치에서 5 mA에서 1.06 mA 사이의 전류를 설정합니다. 예를 들어, DS2480B 장치는 일반적으로 3 mA인 1.5 mA에서 5 mA 사이의 전류 값을 요구합니다.

1-Wire 버스에서는 항상 전체를 총괄하는 하나의 마스터가 있으며, 이는 개인용 컴퓨터나 마이크로컨트롤러일 수 있습니다. 마스터는 전송 충돌을 피하기 위해 버스에서 활동을 항상 시작합니다. 마스터 장치는 여러 슬레이브 장치의 동시 전송으로 인한 충돌을 감지하고 관리하는 책임이 있습니다.

장치들은 데이터를 나타내기 위해 짧고 긴 저전압 펄스를 사용하여 전송합니다. 1–15 µs 저전압 펄스는 논리 레벨 1에 해당하며, 60 µs 저전압 펄스는 논리 레벨 0에 해당합니다. 펄스의 하강(음의) 에지는 슬레이브 장치들이 펄스 폭을 듣기 위해 사용됩니다. 그들은 매우 기본적인 단안정 멀티바이브레이터를 사용하여 그 지속 시간을 측정합니다. 마스터는 리셋 펄스를 보낸 후 8비트 명령을 보내고 통신을 시작하며, 그 후 데이터는 8비트 그룹으로 전송되거나 수신됩니다. 오류 검출은 간단한 8비트 순환 중복 검사(CRC)를 사용하여 구현됩니다.

요약

이 글에서는 인기 있는 1-Wire 프로토콜의 몇 가지 특징을 살펴보고 그 장점과 구현 세부 사항에 대해 논의했습니다. 이 시리즈의 다른 글에서는 사용 가능한 다른 직렬 통신 프로토콜들을 살펴볼 것입니다.

다음 PCB 설계에서 Altium Designer®가 어떻게 도움이 될 수 있는지 더 알고 싶으신가요? Altium의 전문가와 상담하세요.