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1-Wire® ist ein digitales, serielles Bussystem von Maxim / Dallas. Der Begriff 1-Wire leitet sich davon ab, dass der Bus in der kleinsten Ausführung mit nur einer Datenleitung auskommt. Zusätzlich wird eine gemeinsame Masseleitung benötigt. Das einfach aufzubauende Bussystem kann theoretisch bis zu einer Länge von 750m betrieben werden.

Im Wesentlichen unterscheidet man beim 1-Wire Bus drei mögliche Topologien: Linie, Linie mit Abzweigen und Stern. Die unterschiedlichen Verlegeformen werden im weiteren Verlauf näher erklärt um eine möglichst zuverlässige und stabile Lösung für die Sensoren und Aktoren (Slaves) im 1-Wire Bus zu ermöglichen.

 

Topologien für den 1-Wire Bus

1 wire busLinear  

Linear-Topologie:

Alle Slaves sind direkt und ohne Abzweig an der Datenleitung angeschlossen. Diese Topologie ist die empfohlende Installationsart. Die maximale Reichweite[1] von ca. 350m kann mit bis zu 32 Slaves erreicht werden.

1 wire bus stubsLinear mit Abzweigen  

Linear-Technologie mit Abzweigen:

Kurze Abzweigungen von bis zu 3 m Länge sind problemlos möglich. Die maximale Reichweite[1] liegt bei ca. 300m mit bis zu 32 Slaves. Bei längeren Abzweigungen > 3 m verringert sich die maximale Reichweite auf ca. 100m mit bis zu 20 Slaves.

1 wire starStern  

Stern-Topologie:

Alle Slaves werden an einem Punkt zusammengeführt. Die maximale Reichweite[1] verringert sich auf ca. 100m mit bis zu 20 Slaves.

Die optimalste Topologie ist zweifellos die Installation der 1-Wire Slaves in Linie.

Oft lässt die Installation vor Ort die Lineare-Topologie jedoch nicht zu und man muss auf die Linear-Topologie mit Abweigen ausweichen. Hierbei wird zwischen kurzen Abzweigen von bis zu 3m Länge je Abzweig und langen Abzweigen unterschieden. Als lange Abzweige (Stubs) bezeichnet man Abzweige dessen Slaves weiter als 3m von dem Hauptstrang betrieben oder an denen mehr als eine Komponente wiederum in Linie an den Hauptstrang angeschlossen werden. Lange Abzweige sind durchaus zulässig, verringern jedoch die maximale Reichweite enorm. Darüber hinaus gibt es noch eine geschaltete (switched) Linear-Topologie die bei Abzweigungen von über 50m Länge zum Einsatz kommt.

Die ungünstigste Installation ist die Stern-Topologie. Ähnlich wie bei der Linear-Topologie mit langen Abzweigen wird die maximale Reichweite stark eingeschränkt. Bei der Stern-Topologie treten die meisten Signalreflexionen auf, die den Bus erheblich stören können.

Muss unbedingt eine Lineare-Topologie mit langen Abzweigen oder die Stern-Topologie installiert werden, sollte der Einsatz von Repeatern oder einem Hub bzw. mehreren Hubs in Betracht gezogen werden.

Eine Ring-Topologie, also das Ende wird wieder mit dem Anfang verbunden, ist im 1-Wire Bus nicht zulässig. Ein nicht funktionierender Bus wäre die Folge.

 

Terminologie für den 1-Wire Bus

Sicherlich gibt es Installationen die die oben angegebenen Werte zu der maximalen Reichweite und Anzahl von Slaves weit überschreiten und auch problemlos funktionieren. Da ein stabiler 1-Wire Bus von vielen Einflüssen abhängig ist, sind die angegebenen Werte eher gering gehalten. Warum das so ist, erklärt der folgende Abschnitt.

 

Radius und Gewicht

Zwei wesentliche Faktoren für den 1-Wire Bus sind der Radius und das Gewicht:

  • Der Radius des 1-Wire Bus wird gemessen vom Master bis zu der entferntesten Komponeten in Metern.
  • Das Gewicht ist die Summe aller verbundenen Kabel im Bus, ebenfalls in Metern.

Beispiel:

Ist die Installation einer Stern-Topologie mit drei Strängen von jeweils einem Strang mit 10m, einem mit 20m und dem dritten Strang von 30m vorgesehen, beträgt der Radius des 1-Wire Bus 30m (also die längste Strecke vom Master zum entferntesten Slave). Das Gewicht ist die Summe aller Stränge, also 60m (10m + 20m + 30m).

Das Gewicht des 1-Wire Bus limitiert die Spannungsübertragung (zunehmender Kabelwiderstand und -kapazität), während der Radius die Laufzeit der langsamsten Signalreflektion darstellt.

Jeder angeschlossene Slave erhöht das Gewicht des 1-Wire Bus wie ein kleines Stück zusätzliches Kabel. Anders ausgedrückt: Selbst ein relativ kurzer Bus kann ein sehr hohes Gewicht erreichen, wenn viele Slaves an diesem Bus angeschlossen sind. Ein langer Bus mit nur wenigen Slaves hat evtl. ein sogar geringeres Gewicht.

Bei der Planung von größeren 1-Wire Bussen sollten folglich die zu verbauenden Slaves mit in die Berechnung aufgenommen werden. Als grobe Faustregel gilt:

  • Ein verbauter Slave in Form eines iButtons hat ein Gewicht von ca. 1m.
  • Ein verbauter Slave in Form eines verlöteten ICs (z.B. DS18B20) hat ein Gewicht von ca. 0.5m.

Beispiel:

Werden in dem oben genannten sternförmigen Bus mit einem errechneten Gewicht von 60m 100 iButtons verbaut, beträgt das neue Gewicht des 1-Wire Bus nun 160 m ((100 iButtons x 1m ) + 60m Kabel).

Durch die tatsächliche Berechnung von Radius und Gewicht des 1-Wire Bus können die möglichen erreichbaren Werte (mögliche Anzahl der Slaves, maximale Länge der Kabel) berechnet werden und demnach von den Werten der Tabelle abweichen. Die Werte sind jedoch stark abhängig von dem eingesetzten Busmaster.

 

Busmaster

1-Wire Adapter stellen die Schnittstelle zwischen einem Computer und dem 1-Wire Bus dar. Sie werden als sogenannte Busmaster bezeichnet. Es gibt sie in verschiedenen Ausführungen wie z.B. Seriell, Parallel, USB, i2C und Ethernet um nur einige aufzuzählen. Die im privaten Umfeld am häufigsten zum Einsatz kommenden Busmaster sind Adapter für den Anschluß am seriellen Port und die USB-Ausführung. Dabei unterscheidet man auch noch zwischen der passiven und aktiven Ausführung, also ob eine Versorgungsspannung für den Bus geliefert wird oder ob der Bus über eine externe Spannungsquelle versorgt werden muss. 

 

Slaves

1-Wire Komponeten gibt es für viele Anwendungen z.B. von der Temperaturmessung, Spannungswandlung, digitalte I/O-Ports, Counter, Real Time Clocks (RTC), EEPROM-Speicher und vieles mehr. Dabei gibt es die Komponenten in unterschiedlichen Ausführungen, wie z.B. als reinen IC oder als iButton.

Jedes Slave-Device besitzt dabei eine weltweit eindeutige 64 Bit große Adresse, die auch als ROM-Code oder ROM-Identifier bezeichnet wird. Durch den ROM-Identifier wird gewährleistet, das sich zwei Slaves in 56 der 64 Bits unterscheiden können und somit insgesamt

256 = 72.057.594.037.927.936

unterschiedliche Adressen zur Verfügung stehen. Dieses sollte für eine lange Zeit ausreichen. 

 

Spannungsversorgung des 1-Wire Bus

Ein Busmaster mit aktiver Spannungsversorgung liefert die für den Bus notwendigen 5 Volt Spannung. Sollen nur Temperatursensoren als Slaves betrieben werden, dann können mit einem aktiven Busmaster bis zu 20 Sensoren mit der Spannung versorgt werden. Sobald die Slaves jedoch 5 Volt und 12 Volt Spannung benötigen, ist an dem Bus ein zentrales Netzteil notwendig. Zum Einsatz sollten möglichst linear geregelte Netzteile kommen, da diese im Gegensatz zu den Schaltnetzteilen keine Störungen über den 1-Wire Bus abgeben. Nach Möglichkeit sollte das Netzteil auf Höhe des Busmasters angeschlossen werden um Potentialunterschiede über die Masseleitung zu vermeiden. Auch sollte darauf geachtet werden, dass das eingesetzte Netzteil beim Abschalten oder Überlastung beide Versorgungsspannungen gleichzeitig vom Bus trennt. Andererseits kann es bei der Abschaltung nur einer Versorgungsspannung des Netzteils zu Störungen auf dem Bus kommen.

 

Parasitärer Betrieb

Im oft erwähnten parasitären Modus werden nur zwei Adern (DQ, GND) benötigt. Die Spannungsversorgung (5V) entfällt dabei, da der Slave die benötigte Spannung direkt über die Datenleitung (DQ) bezieht. Diese Betriebsform ist für kleine Netzwerke möglich, schränkt jedoch die Übertragungsgeschwindigkeit, die Buslänge sowie die Anzahl der maximal zu betreibenden Slaves (bis zu 20) stark ein.

 

Verkabelung

Prinzipiell kann einfaches "Telefonkabel" wie z.B. J-Y(St)Y 2x2x0,6 verwendet werden. Bevorzugt sollte jedoch ein Twisted-Pair Kabel (verdrilltes Kabel) der Kategorie 5 (CAT5, EIA/TIA-568A), wie es für Ethernet-Netzwerke verwendet wird, zum Einsatz kommen. Siehe dazu auch: 1-Wire Belegung Kabel / Stecker. Kabel mit einer höheren Kategorie als 5 sind nicht notwendig, schaden aber auch nicht.

 

Bezugsquellen

Die Anbieter von 1-Wire Komponenten sind in Deutschland recht überschaubar. Sicherlich findet man in einschlägigen Online-Shops mal die eine oder andere Komponente, doch ein grösseres Sortiment führen nur wenige Anbieter.

Den grössten Teil meiner 1-Wire Bauteile beziehe ich über Fuchs-Eletronik. Vereinzelt beziehe ich auch fertige Kompenten von e-Service.

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