[RATINGS]
Применение 1-Wire
Научно-техническая лаборатория
“ЭлИн”
О признании 1-Wire-шины в качестве международного стандарта и серьезности отношения к этому интерфейсу со стороны маститых разработчиков и производителей электроники говорят многочисленные факты. Например, нет практически ни одного универсального микроконтроллера, в литературе по применению которого не обсуждались бы способы организации на его базе мастера 1-Wire-линии.
Автоматизация
Наиболее последовательно отстаивает линию на использование технологии 1-Wire-сетей в области автоматизации американская фирма Embedded Data Systems (преемница знаменитого пионера этого способа автоматизации — компании PointSix). Можно сказать, что эта компания сделала себе имя на внедрении и пропаганде преимуществ 1-Wire-интерфейса для целей автоматизации. И это, несмотря на то, что основной областью ее деятельности является не оснащение оранжерей и не создание систем пожарной сигнализации, а разработка средств и систем для обслуживания высокотехнологичных отраслей машиностроения и химической промышленности, и даже изготовление электроники для уникального экспериментального и научного оборудования. Подтверждением этому служит широчайший спектр продукции, который выпускается фирмой (разнообразные зонды для измерения высоких и низких температур, датчики влажности, давления и кислотности с особыми функциями, специальные оптические сенсоры, платы сбора информации, устройства сопряжения с различным аналитическим оборудованием и многое другое), причем почти каждый из поставляемых приборов содержит элементы однопроводной технологии.
К значимым примерам применения 1-Wire-систем для автоматизации, несомненно, можно отнести деятельность таких известных мировых производителей, как SYSTRONIX или AAG Electronica. Линейки завершенных инструментальных средств, 
а также многочисленные примеры их использования, и высокий рейтинг продаж поставляемых изделий позволяют говорить об успешности и востребованности концепции однопроводной шины, применяемой этими компаниями для решения самых разнообразных проблем распределенной автоматизации.
Однако поистине революционную роль в развитии однопроводных систем сыграло появление оригинальной технологии LINK, созданной специалистами небольшой фирмы iBUTTONLINK из Техаса, которая является дочерним предприятием компании Dallas Semiconductor. Благодаря использованию алгоритмов цифровой фильтрации, эта технология многократно улучшает механизм активной подтяжки 1-Wire-линии, что позволяет получать действительно идеальные сигналы обмена на длинах кабеля более 300 метров с использованием до 250 ведомых устройств. Кроме того, это решение обеспечивает возможность свободной топологии и значительную устойчивость однопроводных систем к электромагнитным помехам. Сейчас выпускается широкая номенклатура LINK-адаптеров, включая модификации для COM-порта, OEM-конструкции для встроенных решений, USB-1-Wire-Hub на 4 отдельных линий и т.д. Таким образом, применяя достижения iBUTTONLINK, разработчики 1-Wire-систем приобрели надежный неприхотливый инструмент, с помощью которого можно успешно решать самые непростые задачи автоматизации даже в условиях промышленного производства.
На новый уровень вывела однопроводную технологию фирма Hobby Boards, которая разрабатывает и производит целый спектр однопроводных устройств и приборов. Эти изделия позволяют контролировать самые различные параметры и реализовать, таким образом, недорогой мониторинг и/или управление самыми разнообразными процессами. Фирмой массово поставляются самые разнообразные однопроводные датчики, эффективные 1-Wire-hub, ЖК-индикаторы с 1-Wire-интерфейсом, а также однопроводные силовые переключатели и регуляторы различных электроцепей. Причем основным вкладом компании Hobby Boards в популяризацию и продвижение однопроводных решений является то обстоятельство, что она предлагает как уже полностью готовые изделия, так и недорогие наборы для самостоятельного конструирования, ориентированные на людей, увлеченных электроникой. При этом обеспечивается всеобъемлющая информационная поддержка пользователей на всех этапах их взаимодействия с 1-Wire-устройствами, включая подробные инструкции, принципиальные схемы, варианты разводки печатных плат, средства программной поддержки и т.д.
Метеостанции
Другим примером, наглядно демонстрирующим на практике возможности технологии однопроводной шины, является проект построения полностью автоматических метеорологических станций (1-Wire Weather Station (1-WWS)), который разрабатывался совместно фирмами PointSix, AAG Electronica, Dallas Semiconductor и Texas Weather Instruments. Вначале (еще в середине 90-х годов) было создано несколько экспериментальных систем 1-WWS, построенных на базе ведущего персонального компьютера с адаптером DS9097U, управляющего комплексом из трех термометров DS18S20 для контроля температуры, микросхемы DS2438 для обслуживания датчика влажности воздуха, компонента DS2423 для определения скорости ветра и 16-ти электронных меток DS2401, определяющих его направление. Эти первые метеосистемы были установлены и успешно испытаны в процессе длительной эксплуатации в штате Техас. Причем отдельные 1-WWS комплектовались дополнительными однопроводными решениями, которые обеспечивали контроль сигналов от датчиков: барометрического давления, разрядов молнии, количества осадков на поверхности, солнечной активности, влажности почвы и т.д. Данные со всех сенсоров, регистрируемые каждой из подобных систем, поступали в персональный компьютер и через Интернет транслировались в режиме реального времени на центральный операторский пульт. Там выполнялись прием, обработка и архивация результатов о погоде всего региона, получаемых благодаря анализу информации от нескольких территориально рассредоточенных станций. 
После успешного завершения проекта Texas Weather Instruments уже на протяжении нескольких лет успешно торгует готовыми полностью автоматическими метеостанциями, не требующими обслуживания человеком. Причем популярность подобных устройств настолько велика по всему миру, что фирма Dallas Semiconductor в свое время была вынуждена начать производство специализированного набора микросхем WS-1, который включает комплект однопроводных компонентов, минимально необходимый для построения подобной станции. А полную комплектацию подобных систем для многочисленных пользователей со всего мира, включая платы для самостоятельной сборки, сертифицированные механические и конструкционные элементы, выполняет фирма AAG Electronica. В настоящее время из пользователей 1-WWS сложилось целое сообщество по интересам со своими информационными ресурсами, форумами, литературой и т.д. Например, Tim Bitson, который уже больше десяти лет занимается этой темой, и разработал популярный пакет программ TiniWeatherServer, а также множество других аппаратных решений для однопроводной метеостанции, является автором популярнейшей книги «Weather Toys», посвященной особенностям построения 1-WWS, с масштабной информационной поддержкой этого проекта на сайте www.weathertoys.net.
Многоточечные системы контроля температуры
Именно цифровые термометры являются теми ключевыми однопроводными компонентами, которые всегда тянули за собой все другие 1-Wire-решения в области распределенной автоматизации. Микросхемы DS18#2# постоянно были наиболее популярными, неизменно востребованы в самых различных приложениях и имеют наиболее высокий рейтинг продаж среди всех компонентов с 1-Wire-интерфейсом. Это обусловлено, в первую очередь, их оптимальными метрологическими характеристиками, удачным аппаратно-конструктивным решением, возможностью простого объединения в дешевую распределенную сеть, на фоне очень доступной цены. Сегодня в мире работают уже тысячи систем температурного контроля, построенные на базе этих уникальных компонентов. Они применяются при мониторинге микроклимата самых различных объектов, при ревизии любых операций по переработке и хранению пищи и медикаментов, для контроля температуры во многих областях промышленного производства, в холодильной технике и т.п. Множество фирм выпускают конструктивно завершенные защищенные первичные преобразователи на базе микросхем DS18#2#, предназначенные для эксплуатации в агрессивных средах. Их включают в качестве отдельных узлов в состав самого различного оборудования. Для обслуживания только датчиков этого типа создаются специализированные платы и контроллеры, составленные из них сети подключают к специализированным и персональным компьютерам. 
А примеры программных кодов и подпрограмм для обслуживания компонентов DS18#2# есть в библиотеке любого из микроконтроллеров. Безусловно, свою существенную лепту в популяризацию этого направления внесли и известные суперпроекты «OWFS and OWHTTPD» от Paul H Alfille или «DigiTemp» от Brian C. Lane’s , посвященные совместному применению цифровых 1-Wire-термометров и персональных компьютеров, работающих в операционных средах DOS, Windows, Linux.
Умный дом (Home Automation)
«Умный дом» — это комплекс автоматики, который управляет инженерными системами жилища. Например, освещением, отоплением, вентиляцией, кондиционированием, энергоснабжением, водоснабжением, электроприводами, оборудованием пожарных и охранных систем и прочим.
Температура — это часто основа и мерило комфорта любого жилища, а в чрезвычайной ситуации — индикатор пожара. На сегодняшний день для многоточечного контроля температуры ничего лучше применения однопроводных термометров по соотношению функциональность/цена еще не придумано. Поэтому в абсолютном большинстве проектов направления «Умный дом» именно датчики DS18#2# чаще всего обеспечивают функции термометров. А это часто тянет за собой применение и других компонентов с 1-Wire-интерфейсом: ключи для переключения силового оборудования, АЦП для контроля других параметров микроклимата, регистры для управления различным бытовым оборудованием и т.д. Хотя подход, связанный с подстройкой всех подсистем автоматизации под однопроводную магистраль управления совсем необязателен, систем типа «Умный дом» (если они делаются за разумные деньги), где, так или иначе, присутствуют 1-Wire-решения, сегодня достаточно много, если не большинство.
Идентификация и защита электронных изделий
К одному из наиболее востребованных типовых применений однопроводных компонентов, относится маркирование и защита картриджей для принтеров и копировальных аппаратов, а также любых требующих этого электронных изделий (особенно с учетом использования встроенного в них дешевого механизма шифрования SHA). Однопроводные чипы DS2401, DS2411, DS2431, DS2432, DS28E01-100, DS2433, DS250x и д.р. от Dallas Semiconductor чрезвычайно широко распространены для реализации защиты CRUM (Customer Replaceable Unit Monitor — заменяемых пользователями блоков мониторинга), входящих в состав большинства копировальных и множительных устройств. При этом они часто исполняют сразу несколько функций, используя минимум контактов для обмена информацией (только шины DATA и RET). Например, роль идентификатора оборудования, аутентификатора легальности доступа, счетчика копий (или расхода тонера) и т.д. Однопроводные чипы сегодня используются в картриджах огромного числа моделей копировальных аппаратов от таких известных фирм-производителей, как: Xerox, Sharp, Fujitsu, Minolta и т.д. Причем многие компании, производящие копировальное оборудование, закупают эти микросхемы в промышленных масштабах именно из-за встроенного SHA-механизма. Такое решение является в настоящее время наиболее оптимальным в соотношении эффективность/цена по сравнению с любыми иными вариантами аппаратной защиты.
Менеджмент автономных источников энергии
Довольно перспективной областью, в которой в полной мере используются преимущества технологии 1-Wire-сетей, и которой особенно много внимания уделяет компания Dallas Semiconductor, является менеджмент автономных химических источников тока — аккумуляторных батарей. Под менеджментом здесь понимается, — прежде всего, строгая и полная идентификация источников энергии, сохранение в памяти встроенного в батарею электронного устройства особенностей ее изготовления и индивидуальных технических характеристик, наиболее полный мониторинг их основных эксплуатационных параметров на протяжении всего срока службы, а также формирование корректного управляющего воздействия, связанного с восстановлением заряда обслуживаемого аккумулятора. От правильного менеджмента и знания истории эксплуатации батареи во многом зависит выбор алгоритма ее повторного заряда, что непосредственно связанно с эффективностью использования и сроком службы многих типов аккумуляторов. Для этого каждая из батарей многоэлементных энергетических конструкций (особенно для мобильных или беспроводных устройств и средств бесперебойного питания) снабжается индивидуальным однопроводным компонентом, превращаясь по существу в интеллектуальный системный элемент автономного питания. При этом исповедуется комплексный сетевой подход к проблеме менеджмента энергетических элементов, когда 1-Wire-решения позволяют организовать недорогую многоточечную шину комплексного обслуживания устройств менеджмента и управления зарядом, что дает возможность сопровождать как отдельные автономные источники энергии, так и целые батареи, составленные из множества единичных энергетических ячеек.
В настоящее время компания Dallas Semiconductor выпускает ряд прецизионных кристаллов с 1-Wire-интерфейсом для мониторинга, менеджмента, защиты и управления восстановлением заряда автономных источников питания самых различных типов и назначений (DS2436, DS2438, DS2720, DS2740, DS2751, DS2756, DS2770, DS2780, DS2781 и т.д.). К ним также относятся кристаллы семейства DS276#, которые в отличие от иных модификаций подобных устройств, требующих внешней обвязки с использованием прецизионных и стабильных пассивных компонентов, обеспечивают более высокую точность при контроле тока, расходуемого контролируемой батареей. Это достигается, в том числе, за счет встроенного в полупроводниковый кристалл калиброванного резистивного шунта, изготовленного по специальной технологии, а также благодаря наличию в составе подобных приборов специального аппаратно-программного механизма предварительной калибровки.
Ограничения и сопряжение с промышленными и глобальными сетями
Безусловно, 1-Wire-сети имеют свою, строго определенную нишу для применения при построении систем автоматизации. Бессмысленно всерьез использовать их для передачи больших массивов информации, при построении, к примеру, систем видеонаблюдения или скоростного обмена, связанных с обслуживанием быстрых процессов, или же сравнивать возможности однопроводных сетей с такими мощными сетевыми промышленными интерфейсами, как ProfiBus, FeldBus, LonWorks, Industrial Internet и т.д. Применение однопроводной технологии, особенно при автоматизации широко рассредоточенного технологического оборудования, высоком уровне помех и жестких требованиях к надежности (когда важным является каждое показание и каждое управляющее действие, а программное обеспечение не может фильтровать случайные сбои), безусловно, НЕ ОПРАВДАНО. Надежность 1-Wire-интерфейса априори намного хуже промышленных шин RS485 и CAN, которые имеют специальные аппаратные методы подавления помех и исключения ошибок.
Можно даже сформулировать основные на сегодняшний день ограничения для применения систем, построенных на базе 1-Wire-сетей в области автоматизации:
- необходимость непрерывной временной синхронизации или синхронной работы отдельных устройств в сети (эта проблема может быть решена вводом в структуру шины сети дополнительной линии для передачи сигнала общей синхронизации),
- низкая скорость обмена информацией и, как следствие, невозможность высокой динамики при обслуживании быстрых процессов в режиме реального времени (если контролируемый быстрый процесс является относительно непродолжительным, локальный микроконтроллер в составе однопроводной шины может обслужить его, сохранив результирующие данные в буферной памяти, а затем уже осуществить их передачу непосредственно к мастеру),
- невысокая помехозащищенность (может быть значительно улучшена при тщательной прокладке магистрали, ее экранировке, гальваническом разделении абонентов, программной фильтрации ошибок и снижении скорости обмена),
- сложность в реализации мультимастерного режима работы сети (специализированный ветвитель 1-Wire-сетей DS2409 разрешает проблему конфликтов между несколькими ведущими на одной однопроводной шине).
Как видно из замечаний, приведенных в скобках, даже очевидные для 1-Wire-сетей, трудности не являются непреодолимыми. Более того, существуют подходы, позволяющие органично интегрировать медленные однопроводные территориально рассредоточенные структуры в состав таких производительных сетей как CAN или Industrial Internet. Это достижимо благодаря применению специальных аппаратно-программных решений, реализуемых на базе современных микроконтроллеров, а также уникального инструмента компании Dallas Semiconductor — устройства TINI (Tiny InterNet Interface).
TINI400 — это электронная микросистема, основой которой является центральный процессор, реализованный на высокопроизводительном сетевом микроконтроллере DS80С400, объединяющем ресурсы целого ряда наиболее распространенных сетевых интерфейсов, как-то: RS232, 1-Wire, CAN 2.0B, Ethernet, не говоря о возможности использования параллельной шестнадцатиразрядной синхронной магистрали, а также автономных узлов для организации стандартных локальных последовательных интерфейсов I2C и SPI. Кроме того, плата TINI400 содержит 1 Мбайт программной Flash-памяти, 1 Мбайт статического ОЗУ, узел часов реального времени, литиевую батарею и электронную идентификационную метку. Работает TINI400 под управлением мощной операционной среды, включающей поддержку TCP/IP и виртуальной машины Java, которая тщательно отработана и испытана еще на моделях плат TINI предыдущих поколений. Т.е. технология программной поддержки платформы TINI на протяжении нескольких лет развивалась специалистами Dallas Semiconductor совместно с сотрудниками компании Sun Microsystems, являясь при этом полностью открытым проектом. Такой подход позволил иметь максимально эффективную обратную связь с конечными пользователями, что помогло выявить и устранить большинство недостатков программного обеспечения. И сейчас на сайте Dallas Semiconductor можно найти всю необходимую документацию и выверенные средства разработки программного обеспечения. Это значительно облегчает построение на базе устройства TINI локальных однопроводных систем удаленного контроля и управления, объединяющих достоинства быстрых и производительных, но дорогих и медленных, но дешевых и оптимальных для множества реальных приложений интерфейсов. Более того, на сегодня в мире сложилось целое направление автоматизации, основанное на применении TINI-технологи, которое поддерживается такими мощными производителями, как SYSTRONIX, SNAP, INTEG Process Groups и др.
Помимо технологии TINI существуют и иные варианты сопряжения 1-Wire-сетей с Ethernet. Например, недорогой модуль фирмы M-TECH из Словакии, который позволяет легко реализовывать самые различные решения по организации однопроводных распределенных систем дистанционного климатического контроля через Интернет. Похожее, но еще более популярное в Европе решение под маркой Poseidon поставляет чешская компания HW group. А фирма Embedded Data Systems предлагает устройство, HA7NET, которое специально предназначено для упрощения интегрирования территориально удаленных однопроводных систем в сети Ethernet. Благодаря встроенной активной подтяжке HA7NET может поддерживать работу трех независимых 1-Wire-линий протяженностью до 300 м, состоящих из 100 устройств каждая.
В заключении необходимо еще раз отметить безусловную эффективность и рациональность использования технологии 1-Wire при построении систем автоматизации контроля и управления для разнообразного рассредоточенного оборудования, когда не требуется высокая скорость при обслуживании, но необходима существенная гибкость и наращиваемость при не высоких затратах на реализацию.
Научно-техническая лаборатория
“ЭлИн”
www.elin.ru, common@elin.ru,
+7 (499) 196-79-65, 196-95-02
Прочитано здесь: http://www.elin.ru/1-Wire/print.php?topic=appls
Эта запись была опубликована 16.10.2007в 10:29 пп. В рубриках: Контроль температуры, Контроль положения, Предложенные студентами, АСУ, МГСУ, Все статьи. Вы можете следить за ответами к этой записи через RSS 2.0. Вы можете оставить свой отзыв или трекбек со своего сайта.
