雖然物聯網 （IoT） 和工業物聯網 （IIoT） 端點擁有局部控制區域是很常見的，但有些需要連接到距離主微控制器位置一米以外的簡單傳感器。傳統做法是，SPI 或 I2C 串行接口用于方便地與這些傳感器通信。然而，隨著控制算法變得更加復雜且需要部署更多的傳感器，微控制器必須使用更多的 SPI 和 I2C 線來連接這些傳感器。這樣會增加布線復雜性，從而增加配置和維護成本，特別是在距離增加的情況下。

　　本文將向開發人員介紹如何使用 Maxim Integrated 的 1-Wire 協議，只需使用一條線加接地線就能連接物聯網傳感器，從而降低成本。本文將討論 1-Wire 協議的優勢，包括顯著擴大傳感器的范圍并通過同一條電線提供電源和數據。然后，介紹一種將 1-Wire 信號轉換為 SPI 或 I2C 的橋接設備，以及一個能幫助設計者開啟工作且附帶軟件的開發套件。

　　擴大物聯網和 IIoT 傳感器的使用范圍

　　擴展物聯網和 IIoT 網絡是為了使系統和制造過程在擴大功能的同時更加有效。這涉及通過使用傳感器來收集數據。雖然某個家庭可能在一個房間里安裝一個包含溫度傳感器的恒溫器，但一個自動化建筑或 IIoT 網絡可能在一個房間和整個建筑或設施內放置許多溫度和濕度傳感器。例如，可以將更多的傳感器與壓力傳感器一起放置在暖通空調 （HVAC） 管道中。安全系統也可能使用不同類型的傳感器，而且也可以放置在多個位置。

　　在制造和傳送帶系統中，也越來越多地通過傳感器進行過程監控和記錄數據，用于分析如何在提高安全性的同時使系統更有效，從而實現節能。

　　這些應用中最常見的傳感器是環境傳感器，具體包括溫度、濕度和壓力傳感器、視覺傳感器（含可見光和電容接近傳感器）、位置傳感器（含微機電系統 （MEMS） 加速計、MEMS 陀螺儀）和振動傳感器。MEMS 技術的微型化和進步已使傳感器的封裝比拇指指甲還小，且耗電只有幾百毫安 （mA）。在這些傳感器中，大多數都可以通過 SPI 或 I2C 通信接口輕松訪問，幾乎任何微控制器都提供這兩種接口。當與這些簡單的傳感器連接時，建立一個完整的物聯網或 IIoT 端點或子節點只用于溫度采樣是不切實際的，所以通常更簡單、更快的做法是直接通過 SPI 或 I2C 通信線路連接傳感器。

　　在某些情況下，仍然使用如高溫熱電偶和一些壓力傳感器等模擬傳感器。在這些情況下，微控制器與傳感器位置處的 SPI 或 I2C 模數轉換器 （ADC） 相連接，后者對模擬傳感器進行就地采樣。這樣能夠避免模擬傳感器線路上的電壓降，從而提高精確度。

　　連接遠程 SPI 和 I2C 傳感器

　　微控制器通過延長 SPI 和 I2C 數據線與這些傳感器進行通信。然而，I2C 被限制在不超過一米的范圍內，而且 SPI 也有類似限制。此外，全雙工 SPI 需要四個引腳，包括每個引腳的單獨外設選擇。因此，當一條上總線的 SPI 外設達到四個時需要七個引腳，加上電源和接地引腳，則共需九個引腳。半雙工 I2C 需要兩個引腳連接外設，加上電源和接地線共需四條線。同時，許多高速信號會增加電磁干擾 （EMI） ，產生串擾，導致信號完整性降低、系統可靠性下降。

　　現在所需的是一種這樣解決方案——能最大限度地減少電源和數據布線，簡化操作，同時保持與現有 I2C 和 SPI 傳感器的兼容性。

　　為了解決較遠距離的遠程傳感器連接問題并減少電線數量，Maxim Integrated 開發出一種 1-Wire 協議——用一根電線加上一條接地線連接大多數 SPI 或 I2C 傳感器。該協議將 SPI 的六根線和 I2C 使用的四根線減少到只有兩根線，以傳輸數據和電源，最長可達 100 m。

　　采用 1-Wire 制

　　使用 1-Wire 時，遠程傳感器有一個 1-Wire 通信橋，將 1-Wire 協議轉換為可連接傳感器的兼容型 SPI 或 I2C 信號。1-Wire 橋和傳感器都是由 1-Wire 信號加一根接地線以寄生形式供電。這使得 1-Wire 信號可以在小范圍內布線，從而減少電線使用量，降低成本。

　　雖然 SPI 和 I2C 都使用專門的時鐘信號，但 1-Wire 將時鐘與數據信號一起嵌入。SPI 使用為每個外設選擇的單獨信號對特定外設進行尋址，而 I2C 則是使用沿數據線傳輸的 7 位總線地址；相比之下，1-Wire 使用 56 位地址，即以硬連接方式連接每個單獨的通信橋。這種更寬的尋址范圍不僅增加了總線上獨特外設的數量，而且還提高了安全性，使攻擊者很難猜出 1-Wire 總線上的外設地址。

　　1-Wire 外設總線上的字長為 8 位。微控制器的 1-Wire 總線主機可對單線協議作出位響應，但也可由一個簡單的 UART 驅動器提供支持。這使得 8 位微控制器也能成為 1 位總線主機。一條 1 位總線只能包含 SPI 和 I2C 外設中的某一種，不能同時擁有。這種一致性可防止總線上發生沖突和碰撞，并通過協議簡化了編程。

　　實際的 1-Wire 解決方案

　　對于希望通過 1-Wire 總線連接 SPI 或 I2C 外設的設計人員，Maxim Integrated 提供了帶有指令定序器的 DS28E18Q+T -Wire 轉 I2C/SPI 橋接器（圖 1） 。

圖 1：具有指令定序器的 DS28E18Q+T 1-Wire 轉 I2C/SPI 橋接器可連接 1-Wire 總線 IO 和 GND 引腳。（圖片源：Maxim Integrated）

　　參照圖 1，當 IO 為高電平時，寄生功率從總線獲取，并通過 SENS_VDD 引腳向外設供電。該橋接器對 1-Wire 指令進行緩沖并將其轉換為適當的 I2C 或 SPI 指令。

　　IO 引腳和 GND 均連接 1-Wire 總線，并通過其狀態機發送到前端。每個器件都有一個 56 位 ROM ID，前綴是 8 位 1-Wire 家族代碼，表明該器件是 DS28E18Q+T 的修訂版。這樣，微控制器固件會對特定的 DS28E18Q+T 進行唯一識別，使其能夠靈活地應對器件系列的任何變化。該器件有一個含有 8 位循環冗余校驗（CRC） 代碼的 48 位唯一序列號。

　　前端通過一個 144 字節指令緩沖器將轉換后的數據發送給指令定序器，其中包括來自 IO 總線的 128 字節數據和內部使用的 16 字節數據。指令定序器處理指令，并在其緩沖器中存儲多達 512 字節的 I2C 或 SPI 指令，以便隨后發送給外設，而不是由 1-Wire 總線一次處理一個指令。

　　該 512 字節緩沖器還允許 DS28E18Q+T 協調其內部電源行為。這樣，利用針對與外設通信進行的計時，就能夠保持寄生電源。指令定序器在向 I2C/SPI 主控器和 GPIO 控制器發送指令時會保持這一時序，后者處理數據，使其符合 I2C 和 SPI 標準。

　　將一個 470 納法拉 （nF） 外部電容器被連接到 CEXT 引腳，在 1-Wire 總線運行期間作為 DS28E18Q+T 的儲能器件。所連接的外設可以通過 SENS_VDD 引腳獲得寄生電源。對于 SPI 操作，四個引腳 SS#、MISO、MOSI 和 SCLK 為所連接的外設提供全雙工通信。I2C 操作只使用兩個具有交替功能的引腳，SDA 和 SCL。用于 SPI 操作的 SS# 和 MISO 沒有用于 I2C 操作，因此可用作通用 I/O （GPIO），并具有 GPIOA 和 GPIOB 替代功能。這提供了更大的靈活性，可用于點亮位于傳感器處的診斷 LED，或管理傳感器或 ADC 上的配置引腳以改變設備的運行特征。

　　使用 Maxim Integrated DS28E18Q+T，微控制器上的單 UART 只需兩條線就能與同一條 1-Wire 加接地線總線上的許多傳感器進行通信；每個傳感器都與 DS28E18Q+T 相連，距離最遠可達 100 m。這對暖通空調系統特別有用，因為在這種系統中，只有兩根線可以穿過風管，沿著風管上的每個通風口監測溫度和濕度。通過監測可能由障礙物造成的熱點或冷點，這種方法提高了系統效率。

　　1-Wire 的開發

　　為方便使用 1-Wire 協議進行開發，Maxim Integrated 推出 DS28E18EVKIT# 評估系統。該評估系統這包括一個硬件開發板（圖 2）和軟件。

圖 2：采用 Maxim DS28E18EVKIT# 評估板，開發人員能夠輕松將 SPI 或 I2C 外設連接到 1-Wire 總線。該系統的隨附軟件可用于編程和監控總線和外設行為，以及幫助生成微控制器設備驅動程序。（圖片源：Maxim Integrated）

　　開發人員使用該評估板可對 DS28E18Q+T 進行編程和監控。為便于開發，該板配有一個 USB 適配器，可將該板與 Windows 計算機上的 USB 端口連接。為幫助進行開發，開發人員需要下載并運行 DS28E18EVKIT# 評估套件軟件。如圖 3 所示，通過評估軟件可對 DS28E18Q+T 及其連接的外設進行編程和監控。

圖 3：使用 DS28E18EVKIT# 評估軟件，開發人員可通過 USB 適配器配置板載 DS28E18Q+T 并監控其行為。512 字節指令定序器存儲器可用來存儲數據，然后發送至外設，執行傳感器操作。（圖片源：Maxim Integrated）

　　該軟件可以向 DS28E18Q+T 評估板發送指令，并為目標 SPI 或 I2C 外設進行配置。該軟件可以選擇外設的地址范圍，將待執行的外設指令填入 512 字節指令定序器存儲器中。該軟件還有助于配置目標微控制器的 UART 驅動器，無需為學習 1-Wire 通信協議而耗費精力。開發人員也可以在自己的應用中使用評估板，以節省構建和配置傳感器節點所需的時間和精力。

　　結論

　　隨著物聯網和 IIoT 系統增加了更多的傳感器，特別是在距離的不斷增大情況下，到傳感器的布線變得更復雜、更昂貴。另一個可能使構建傳感器網絡復雜化的問題是傳感器供電問題。如圖所示，Maxim Integrated 的 1-Wire 協議和相關硬件可以通過只用一根線加上接地線來提供數據和電源，從而使得與傳感器網絡的連接更加容易和高效。