1-Wire BUS System

1.1 Netzwerk-Topologien:

1.2 Kenndaten:
1.3 Bedeutung der Kenndaten:
1.4 Bewertung der Topologien:
1.5 Überprüfung des Netzwerks:
1.6 Empfehlungen:

2.1 1-Wire Pin-Belegung:

Richtlinien für 1-Wire® Netzwerke

(1-Wire ist eingetragenes Warenzeichen von Dallas/Maxim)

Die folgende Beschreibung basiert auf der Application Note 148 von Dallas/Maxim "Guidelines for Reliable 1-Wire Networks". Es wird jedem empfohlen die AN148 gründlich zu studieren und im Zweifel dieser den Vorrang einzuräumen. Aus diesem Dokument stammen auch die hier verwendeten Abbildungen.

Netzwerk-Topologien:

Linear-Toplogie:

Die Hauptleitung (Strang) erstreckt sich vom Master bis zum am weitesten entfernten Slave. Alle dazwischen liegenden Slaves sind entweder direkt am Strang oder über kurze Leitungen mit einer Länge von max. 3m angeschlossen.

Abzweig-Topologie:

Der Aufbau entspricht der Linear-Topologie mit dem Unterschied, dass die Slaves über Leitungen mit einer Länge von mehr als 3m (Abzweig, Stub) am Hauptstrang angeschlossen sind.

Stern-Topologie:

Das Netz teilt sich hier am oder in der Nähe vom Master in mehrere große Stränge auf. Die Slaves sind am Ende oder entlang des jeweiligen Strangs angeschlossen.

Kenndaten:

Mit Hilfe der folgenden Kenndaten ist es möglich ein 1-Wire Netz einigermaßen abzuschätzen:

1. Radius (gemessen in Metern); das ist die Kabellänge zwischen Master und dem am weitesten entfernten 1-Wire Device;
2. Gewicht (gemessen in Metern); Gewicht (Weight) ist die Gesamtsumme der Kabellänge mit allen Verbindungen und Abzweigungen;

Ein Stern mit drei Strängen zu 10m, 20m und 30m hat also einen Radius von 30m und ein Gewicht von 60m.

Bedeutung der Kenndaten:

Der Radius kann (theoretisch!!) bis zu 750m betragen. oberhalb dieser Grenze machen Reflexionen den Bus unbeherrschbar. In der Praxis tritt diese Grenze aber schon sehr viel früher auf. Beim Gewicht hingegen kommt es sehr darauf an, was der verwendete Master bewältigen kann. Handelt es sich um ein einfaches Gerät mit einem passiven PullUp, ist die Grenze bereits bei 200m erreicht. Ein ausgeklügelter Bus-Master kann dagegen diese Grenze bis über 500m hinausschieben. Außerdem tragen alle am Bus angeschlossenen Slaves zum Gewicht bei. Als Faustregel gilt: 1 Slave = 1 Meter. Das bedeutet: will man 100 Slaves betreiben, verkürzt sich dadurch die maximal zulässige Buslänge um mindestens 100m. Für Selbstbauer von 1-Wire Komponenten dürfte auch noch von Interesse sein, dass Kapazitäten von Leiterbahnen und elektronischen Schutzmaßnahmen ebenfalls zum Gewicht beitragen. Eine Kapazität von 24pF erhöht das Gewicht um 1m.

Bewertung der Topologien:

Jede Abzweigung verursacht an der Anschlussstelle eine Impedanz-Fehlanpassung. Diese erzeugt unerwünschte Reflexionen auf der Leitung, die das Nutzsignal verfälschen können. Je länger ein Abzweig ist, desto stärker treten sie in Erscheinung. Unter diesem Gesichtspunkt betrachtet schneidet die Stern-Topologie am schlechtesten ab. Die verschiedenen Stränge bilden Äste mit starker Fehlanpassung, die sich gegenseitig ungünstig beeinflussen. Diese Topologie ist mit Abstand am schwierigsten in den Griff zu bekommen. In der AN148 wird daher ausdrücklich von nicht-geschalteten Stern-Topologien (unswitched star-type Topologies) abgeraten. Die beste Topologie ist die Linear-Topologie. Bei Abzweiglängen unter 3m treten so gut wie keine Reflexionen auf. Bei dieser Topologie wird die höchste Zuverlässigkeit erzielt. Eine Zwischenposition nimmt die Abzweig-Topologie ein. Hier ist bereits mit Reflexionen zu rechnen. Diese müssen aber nicht unbedingt störend in Erscheinung treten, insbesondere, wenn die Länge nicht zu groß ist. In kleinen Netzen mit einem Gewicht von unter 100m (manchmal auch 200m) ist die Wahl der richtigen Toplogie jedoch zweitrangig. Es gibt genügend Beispiele dafür, dass in dieser Größenordnung auch "Kraut und Rüben"-Verdrahtungen funktionieren.

Überprüfung des Netzwerks:

Ein so im Laufe der Zeit gewachsenes Netz ist jedoch schwierig zu bewerten, da nicht feststellbar ist, wie weit es sich bereits der Zuverlässigkeitsgrenze genähert hat. Die komplexeste und schwierigste Aufgabe für den Master ist die Suche nach Slave Devices. Normalerweise findet die Kommunikation nur immer mit einem einzigen Device statt. Bei der Device Suche ist dagegen der gesamte Bus betroffen. Nach einem Ausscheidungsverfahren sollten dabei alle Devices erkannt werden. Wenn diese Funktion jederzeit reproduzierbar erfolgreich ausgeführt werden kann, also jedesmal alle Devices gefunden werden, dann kann man davon ausgehen, dass alle anderen 1-Wire Funktionen ebenfalls ordnungsgemäß ablaufen. Diese Funktion liefert also einen brauchbaren Zuverlässigkeitstest mit dem man sein Netz von Zeit zu Zeit testen sollte.

Empfehlungen:

Busmaster:

Der 1-Wire Baustein DS9490R ist ein USB-1-Wire Adapter der neuesten Generation. Er kann mit allen 1-Wire Devices kommunizieren und beinhaltet bereits ein leistungsfähiges Bus-Interface, das auch zur Ansteuerung von großen Netzen geeignet ist.

Topologie:

Nach Möglichkeit sollte das Netz in Linear-Topologie aufgebaut werden. Bei kleinen bis mittleren Netzen ist auch die Abzweig-Topologie akzeptabel. Vom Einsatz einer Stern-Topologie ist abzuraten. Bei sehr kleinen Netzen spielt die Topologie eine untergeordnete Rolle. Hier ist jede Topologie anwendbar.

Kabel:

Die empfohlene Kabelqualität ist CAT5. Bessere Qualitäten bringen keinen Vorteil, sie schaden aber auch nicht.

Versorgung der Slaves:

Da die Versorgungsspannung für Slave Devices sehr niedrig (5V) und der Leitungswiderstand relativ hoch (ca. 10?/100m) ist, sollte nach Möglichkeit immer eine Vor-Ort-Versorgung bereitgestellt werden. Bereits ein geringer Strom von 100mA verursacht auf einer 100m-Leitung einen Spannungsabfall von 1V. Es kommen also nur noch 4V am Ende der Leitung an.

1-Wire Pin-Belegung:

Die verwendete RJ45 Pin-Belegung basiert auf einem Standardisierungsvorschlag, der hier zu finden ist: http://www.1wire.org/en-us/p_2.html. Die folgende Definition ist eine Erweiterung des genannten Standards und steht nicht im Widerspruch zu diesem.

1-Wire Pin-Belegung (Farbangaben nach EIA/TIA 568A (links) bzw. EIA/TIA 568B (rechts)):

Die beiden Farbversionen unterscheiden sich lediglich in der Vertauschung der Adernpaare Grün/GrünWeiß und Orange/OrangeWeiß. Entscheidend ist die Einhaltung der Pin-Nummern.