fbpx

Zasada działania, projektowanie oraz budowanie niezawodnych sieci 1 WIRE

Na początku chciałbym zaznaczyć, że część informacji zaczerpnąłem z tej publikacji. Pozostała cześć stanowi wnioski z podjętych w firmie badań oraz z pomiarów przeprowadzonych w zamontowanych instalacjach „w terenie” 🙂

Czym jest 1 Wire®?

Protokół pierwotnie zaprojektowany żeby ułatwić komunikację urządzeniom znajdującym się w niewielkiej odległości. Przykład stanowią układy scalone znajdujące się w niedużej odległości względem siebie na obwodzie drukowanym chcące wymieniać miedzy sobą informację. Chodziło o rozszerzenie możliwości komunikacyjnych układów scalonych z wykorzystaniem tylko jednej linii danych. Z czasem protokół 1WIRE rozszerzył się do zastosowań tworzących sieci komunikujących się urządzeń, będących w odległości znacznie większej niż obszar pojedynczej płytki drukowanej – nawet 500m!

Połączenie sondy temperaturowej z przetwornikiem na dystansie 500 metrów.

Przykładem takiego połączenia jest komunikowanie się Sondy temperaturowej z Przetwornikiem pomiarowym TD2, podczas testów udało się skomunikować je za pomocą zwykłego przewodu typu linka 3 x 0,75 mm2 na dystansie 500m, a na dystansie 400m tych czujników było ponad 20.

Idea działania w dużym uproszczeniu polega na tym, że urządzenie nadrzędne nazywane Masterem, w naszym przypadku przetwornik TD2. Wysyła stosowne komendy do czujników zwanych Slave-ami. W naszym przypadku slave`m jest sonda temperaturowa Ntronic ). Slave-ów może być kilka na jednej magistrali. Jeśli dane polecenie dotyczy konkretnego urządzenia slave`a, podejmuje on stosowne działania. To znaczy np zwraca zmierzoną wartość, albo uruchamia przetwornik analogowo – cyfrowy.

Podstawowe pojęcia

Oczywiście cały fenomen stosowania protokołu 1 wire nie opiera się na połączeniu jednego czujnika z urządzeniem odpytującym, można tworzyć całe niezawodne sieci 1 wire urządzeń typu slave połączonych do urządzenia master jedną magistralą tworzącą wspólną sieć. Urządzenie odpytujące (Master) odróżnia urządzenia slave na podstawie unikalnych 64-bitowych numerów seryjnych.

Każda sieć może być inna pod względem topologii i wykorzystanych urządzeń. Podczas rozważań dotyczących projektowania niezawodnej sieci 1 wire wyewoluowały dwa terminy opisujące sieć pod kątem jej wydajności. Te terminy to waga i promień.

Promień

Jest to długość magistrali mierzona od urządzenia Master do najbardziej odległego urządzenia Slave. Z reguły mierzy się ją w metrach.

Waga

Jest to całkowita długość magistrali stanowiąca połączenie ze wszystkimi urządzeniami w sieci 1WIRE.

Przykładowa konfiguracja urządzenia TD1.01 z 3-ema czujnikami temperatury w topologi gwiazdy.

Przykładowo: konfiguracja sieci urządzeń 1WIRE w której występuje 1 Master i 3 Slave-y, w której do każdego Slave`a poprowadzono oddzielne przewody, kolejno 30m, 20m i 10m. Punktem wspólnym połączenia magistrali są zaciski Mastera

Promień tej sieci wynosi 30m, natomiast wagę wyliczamy sumując wszystkie odcinki magistrali: 30m + 20m + 10m = 60m.

Im większa waga sieci tym dłuższy jest czas narastania sygnałów komunikacyjnych na magistrali. Z kolei promień sieci 1WIRE wpływa na efekty odbicia sygnału (efekty falowe).

Waga stanowi główne ograniczenie każdej sieci 1WIRE i jej maksymalna wartość zależy od rodzaju sterownika Master. Dla przykładu waga sieci Przetwornika pomiarowego TD2 może wynosić nawet 400m. Każda dodatkowa sonda Sonda temperaturowa skraca tą wagę o 1m, nie licząc przewodu doprowadzającego. Ponadto każdy węzeł w sieci 1WIRE skraca wagę o 3m. Wynika z tego prosty wniosek, waga może składać się z wielu urządzeń Slave na stosunkowo krótkiej magistrali lub bardzo niewielu urządzeń podrzędnych na wielu przewodach. Jeśli chcielibyśmy podłączyć 40 czujników temperatury do sieci 1 wire z urządzeniem TD2 musimy pamiętać że do dyspozycji mamy już nie 400m, a ok 360m. Wynika to z faktu, że każdy czujnik dodał wagę sieci ok 1m.

Pomimo faktu, że waga sieci zależna jest od wielu czynników, najbardziej istotnym z nich jest pojemność magistrali. Dla przykładu, stosując nieekranowaną skrętkę kategorii CAT 5 (UTP) dodajemy do magistrali ok 52pF na każdy metr. Każde zabezpieczenie typu ESD można przyjąć, że stanowi obciążenie magistrali ok 24pF. Przyjmuje się, że każdy czynnik dodający do magistrali pojemność większa niż 24pF skraca jej wagę o 0,5m. Szerzej o wpływie stosowanych przewodów w sekcji dobór przewodów poniżej.

Topologie sieci 1WIRE

Struktury sieci 1WIRE mogą przybierać dosyć swobodną formę. Pomimo tego zwykle możemy je „wpasować” w kilka generalnych kategorii. Kategorie te podzielić możemy ze względu na rozmieszczenie urządzeń Slave i sposób organizacji połączeni.

Topologia liniowa

Magistrala 1WIRE rozpoczyna się od urządzenia Master i „ciągnie się” do ostatniego urządzenia w sieci. Każde z urządzeń typu Slave jest bezpośrednio podpięte pod magistralę lub za pomocą nieznacznych odgałęzień (krótszych niż 3m). Można powiedzieć, że sieć przechodzi przez każde z urządzeń Slave. Jest to najbardziej rekomendowany typ sieci 1WIRE.

Na rysunku powyżej mamy jedno urządzenie Master i 4 Slave`y. Przy założeniu, że odległość do najdalszego Slave`a wynosi 200m, a odgałęzienia do każdego z 3 pozostałych Slave-ów mierzą po 2m, mamy Wagę sieci wynoszącą: 200 + 3*2 + 4*1 = 210m.

Topologia rozgałęziona

Jest tu podobnie jak w przypadku topologii liniowej. Magistrala 1WIRE rozpoczyna się od urządzenia Master i „ciągnie się” do ostatniego urządzenia w sieci. Odróżnić ją możemy natomiast po fakcie, że „dołączone są” inne urządzenie Slave o długości odgałęzień dłuższych niż rekomendowane 3m. Wielu projektantów po raz pierwszy buduje takie sieci ze względu na prostotę wykonania. Jednak ta forma sieci może prowadzić do problemów z powodu odbić sygnału (efekty falowe). Jeśli długości odgałęzień dostroją się „w sam raz” sieć może działać. Minusem takiego dopasowania jest fakt że nawet najmniejsza zmiana w sieci może spowodować, zakłócenia w jej funkcjonowaniu. Budowanie tego rodzaju topologii sieci 1WIRE nie jest zalecane!

Wyliczenie wagi sieci z rysunku powyżej: sumaryczna długość magistrali + obciążenie każdego z Slave`ów + obciążenie każdego z węzłów, więc: 200 + 3*7 + 3*1+3*3 = 239m

Topologia gwiazdy

W topologii gwiazdy magistrala 1WIRE podzielona jest na końcu głównym lub w pobliżu Master`a i rozciąga się na wiele gałęzi o różnych długościach. Urządzenia Slave umieszczone są wzdłuż odgałęzień lub na ich końcach.
Ze względu na efekty falowe, a konkretnie na efekt odbicia fali od jej wielu końców, sygnały odbite mogą podróżować na odległości większe niż, nie tylko promień sieci, ale równie jej waga. Powoduje to w konsekwencji tłumienie się sygnałów. Przy długich odgałęzieniach bardzo trudno jest kontrolować to zjawisko i efekt tłumienia. Topologia gwiazdy nie jest zalecanym sposobem budowania sieci 1WIRE.

Przy założeniach, że odległość od Mastera do „punktu rozgałęzienia” sieci wynosi 200m, każdy slave oddalony jest o 10m od tego punktu waga sieci wynosi: 200 + 3 + 3*10+ 3*1 = 236m

Połączenie kilku topologii

Jeśli chcielibyśmy wykorzystać połączenie różnych topologii przy znacznej wadze sieci, efekt odbicia sygnałów są bardzo trudne do określenia. Dowolna konfiguracja sieci gałęziowej lub gwieździstej może działać w danym momencie. Będzie ona siecią o bardzo precyzyjnym stopniu dostrojenia pod kątem efektów falowych. Jest to bardzo niepożądane, gdyż nawet zmiana pogody może powodować zakłócenia działania takiej sieci. Przy znacznych wagach sieci 1WIRE nie jest zalecane wykorzystanie topologii połączonej.

Dopasowanie rozproszonej impedancji

Przy rozgałęzianiu sieci 1WIRE w miejscu rozgałęzienia następuje punkt niedopasowania impedancji. Odbicia od końca gałęzi docierają z powrotem do głównej szyny sieci, opóźnione to zależny od długości gałęzi. Mogą one zakłócać komunikację z innymi układami. Aby temu zaradzić można zastosować szeregowe rezystory w gałęziach sieci redukując problem spowodowany niedopasowaniem impedancji i zmniejszać problem z odbiciami. Dzięki zastosowaniu rezystancji w tym punkcie, odbicia wygenerowane w gałęzi nie docierają do głównej szyny sieci.

Powszechnie przyjmuje się, że wartość dodanego rezystora powinna wynosić ok 150Ω. Wartość ta zmniejsza niedopasowanie impedancji o około 20% i tłumi powstałe w gałęzi odbicie o około 40%. Dodanie takiego opornika pogarsza odporność sieci na szum o około 80%, więc czasem nie obędzie się bez testów sieci z taką wartością i zastąpienie opornika mniejszym np. 100 Ω.

Dobór przewodów

W przypadku gdy całkowita długość magistrali 1WIRE wynosi do ok 100m, a na całą sieć składa się kilka urządzeń Slave, dobór okablowania nie powinien stanowić dużego problemu. Taka sieć będzie działać nawet na zwykłym przewodzie 3×0,5m2. Im dłuższa jest nasza sieć, tym ważniejsze stają się właściwości kabla, a tym samym jego wybór.

Dwa najbardziej popularne rodzaje okablowania wykorzystywanego do budowania niezawodnej sieci 1 wire to:
– nieekranowana skrętka, zwykle kategorii CAT5 UTP lub lepszej
– płaski telefoniczny kabel taśmowy (26 AWG)
W starszych instalacjach 1WIRE zwykle stosowano kabel wstążkowy. Ze względu na niską pojemność i rezystancję jednostkową to nieekranowana skrętka jest obecnie rekomendowanym okablowaniem w sieciach 1WIRE. Im dłuższa długość sieci tym rodzaj zastosowanego okablowania ma większe znaczenie.

Podłączenie sygnałów sieci 1WIRE w 6 żyłowym kablu telefonicznym

Jeśli chcemy zastosować płaski kabel telefoniczny zalecane jest wykorzystać zieloną żyłę jako DATA LINE, czerwoną jako GND, natomiast zasilanie (+5V) podłączyć do czarnej oraz białej. Pozostałe żyły pozostawić nie podłączone. Wykorzystanie pojedynczej żyły powrotnej jest celowe, gdyż podłączając sygnał GND do dwóch żył zwiększylibyśmy pojemność na linii danych. Skutkowałoby to zwiększeniem wagi całej sieci.

Podłączenie sygnałów sieci 1WIRE w dwóch parach nieekranowanej skrętki typu UTP

Chcąc wykorzystać nieekranowaną skrętkę, do utworzenia sieci 1WIRE potrzebujemy dwóch par przewodów. Najważniejsze jest aby linia DATA LINE oraz masa znajdowały się na jednej wspólnej parze przewodów.

Istotną kwestią podczas doboru rodzaju przewodów w instalacjach 1WIRE jest odporność ogniowa. Kabel zainstalowany w przestrzeni powietrznej między sufitem, a następną podłogą lub dachem. Powinien być zainstalowany w metalowym kanale lub musi spełniać lokalne przepisy przeciwpożarowe. W przypadku pożaru kabel nie może wytwarzać szkodliwych lub niebezpiecznych gazów, które mogłyby przedostać się do innych części konstrukcji.

Przewody w sieci 1WIRE – Generalne zasady

  • Używaj wysokiej jakości skrętki CAT5E lub lepszej (nieekranowanej). Stosuj praktyki okablowania CAT.
  • Niewykorzystane przewody w kablu 1WIRE pozostawić niepodpięte – połączenie ich z GND skutkuje niepożądanym zwiększeniem pojemności na linii danych
  • Używaj tego samego rodzaju okablowania dla całej sieci. Najlepiej ten sam kabel. Pomaga to uniknąć niedopasowania impedancji produkcyjnej.
  • Stosuj jakiś wewnętrzny schemat kolorów w skrętce.Wybierając konkretny kolor kabla dla całej instalacji kabli 1-Wire, możesz łatwo odróżnić go od innych kabli skrętki, które mogą być nośnikiem innych sygnałów. Możesz więc zarezerwować kolor pomarańczowy na przykład dla kabli 1-Wire i inny kolor dla kabli Ethernet. Ważne jest, aby to udokumentować i zachować spójność.
  • Staraj się unikać prowadzenia sieci 1WIRE w pobliżu silnych pól Elektromagnetycznych, generowanych np przez silniki. Kabel 1WIRE działa jak antena. Wszelkie indukowane szumy na przewodach mogą stanowić źródła problemów. Indukowane szumy stanowią źródło błędów transmisji danych (lub brak transmisji danych w ogóle).
  • Indukowane przepięcia mocy na okablowaniu wynikające z działania innych urządzeń (np zwarcia w instalacji, czy też uderzenia pioruna) w najlepszym wypadku mogą prowadzić tylko do błędów transmisji. Jeśli natomiast poziom indukowanej energii jest zbyt duży, może to grozić uszkodzeniu urządzeniom będącym na magistrali.
  • Jeśli źródłem zakłóceń w działaniu sieci 1WIRE jest składowa wspólna RF. W celu stłumienia tego zakłócenia można wykorzystać rdzeń ferrytowy toroidalny . Spróbuj kilka razy zapętlić kabel 1WIRE przez pojedynczy rdzeń. Możesz eksperymentować z wielkością toroidu i liczbą zwojów potrzebnych do uzyskania pożądanego tłumienia.

Jak projektować niezawodną sieć 1 wire – PODSUMOWANIE

Sieć 1WIRE może być wykorzystana zarówno w małej instalacji. Przykładem może być zbieranie pomiarów z czujników w szafie rozdzielczej instalacji automatyki przemysłowej w jakiejś fabryce. Może też być rozmieszczona na obiekcie w którym waga całej sieci wynosi nawet 500m. Przykładem tego może być badanie rozkładu temperaturowego w silosie zbożowym, czy też inne potrzeby HACCP.

Budując zarówno sieci o małej jak i dużej wadze dobrze jest kierować się generalnymi zasadami pozwalającymi uporządkować pracę oraz uniknąć niepotrzebnych błędów. Tak więc zanim wykonasz jakieś czynności fizyczne zaplanuj swoją sieć na papierze. Uwzględnij jej przyszły rozwój o kolejne urządzenia Slave. Niezawodna sieć 1 wire wymaga następującego przygotowania:

  • Zrób szczegółowy rysunek projektu sieci. Poza tym, że jest bardzo przydatny w celach informacyjnych, znacznie ułatwi ci przeprowadzenie konsultacji w sprawie poprawności projektu . Zachowaj dobrą dokumentację, na przykład po dodaniu lub zmianie komponentu lub części w sieci. Podczas gdy niektóre urządzenia 1WIRE mogą działać przez całe życie, inne mogą mieć znacznie krótszy okres użytkowania i mogą wymagać wymiany zgodnie z harmonogramem.
  • Projektuj zgodnie z topologią liniową. Topologie gwieździste oraz rozproszone są niezalecane.
  • Oblicz wagę swojej sieci.
  • Oszacować potrzebną moc jak należy dostarczyć do Slave-ów. Dla przykładu urządzenie Master TD2 posiada wyjście +5V o wydajności 200mA . Jeśli pobór prądu przez urządzenia Slave na magistrali przekracza lub zbliża się do tej wartości, sugerowane jest zasilenie urządzeń Slave z osobnego źródła zasilania +5V.
  • Unikaj tworzenia pętli uziemienia, upewniając się, że w urządzeniu głównym magistrali jest tylko jeden punkt uziemienia sieci.
  • W przypadku instalacji na zewnątrz. Rozważ ochronę sieci, przed naturalnymi oraz wywołanymi przez człowieka zakłóceniami elektromagnetycznymi. (błyskawica, linie energetyczne itp).
  • Umieść w swoim projekcie dostępne punkty ochrony, takie jak przejście z wnętrza na zewnątrz budynku. Chodzi o ochronę np innego drogiego sprzętu przed siecią i odwrotnie. Spodziewaj się, że w końcu wydarzy się najgorszy scenariusz (np. uderzenie pioruna bezpośrednie lub w sąsiedztwie )

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.