IoT 네트워킹과 보안 기능이 빠른 속도로 계속 발전함에 따라 연결, 전력 및 보안에 사용되는 기술도 급속히 발전하고 있습니다. Analog Devices의 이 글에서 상호 연결을 최소화해야 하는 전력 용도에 적합한 1선 마스터 버스를 선택하는 방법을 알아보세요.
서론
1선 와이어 버스는 마스터 컨트롤러와 데이터 라인을 공유하는 하나 이상의 슬레이브 사이에 반이중 양방향 통신을 구축하는 단순한 신호 체계입니다. 전력 공급과 데이터 통신이 이 단일 라인을 통해 모두 이루어지기 때문에 1선 장치는 상호 연결을 최소화해야 하는 시스템에 핵심 기능을 제공하는 중요한 역할을 합니다. 1선 제품은 단일 접점 직렬 인터페이스를 통해 메모리, 혼성 신호, 보안 인증 기능을 복합적으로 제공합니다. 1선 장치의 전형적인 용도는 프린터 카트리지나 의료기기 소모품의 식별, 랙 카드의 보정 및 제어, 인쇄회로기판(PCB), 액세서리, 주변장치의 식별과 인증, 지적 재산 보호, 복제 방지, 보안 기능 제어입니다.
1선 기술을 이용하려면 버스에서 장치들을 식별하고 장치들과 통신하는 데 필요한 파형을 생성하는 1선 마스터가 있어야 합니다. 1선 마스터를 구현하는 방법은 다양합니다. 이 애플리케이션 참고 사항에서는 디자이너들이 내장 애플리케이션에 적합한 솔루션을 선택하는 데 도움이 되는 다양한 1선 마스터 구현에 대해 살펴봅니다. 1선 회로의 마스터 엔드를 집중적으로 다룹니다.
이 애플리케이션 참고 사항에서 소개하는 1선 마스터는 작동 전압이 1.8V에서 5V까지 다양합니다. 1선 마스터의 작동 전압이 대상 슬레이브 장치의 작동 전압이 다를 경우에는(즉, 3.3V 마스터와 1.8V 슬레이브가 통신) 전압 레벨 시프터를 사용하는 것이 좋습니다.
1선 용어
1선 문서에는 몇 가지 용어가 자주 등장하는데 먼저 이에 대해 설명할 필요가 있습니다.
작동 전압
일반적으로 1선 장치는 다음 전압 범위에서 작동합니다.
- 1.71V(최소) ~ 1.89V(최대)
- 2.97V(최소) ~ 3.63V(최대)
- 2.8V(최소) ~ 5.25V(최대)
대부분의 1선 장치는 전력 공급용 핀이 없습니다. 이런 장치는 1선 통신 라인을 통해 기생 방식으로 전력을 공급받습니다. 따라서 작동 전압과 1선 풀업 전압은 사실상 동의어입니다. 작동(풀업) 전압이 높을수록 1선 장치가 받을 수 있는 전력이 많습니다.
강력 풀업
강력 풀업이란 각 시간 슬롯 사이에 1선 네트워크에 추가 전력을 공급하는 수단을 의미합니다. 버퍼에서 EEPROM 셀로 데이터 복사, 암호화 엔진 작동 시 보안 메모리, 온도 변환 시 1선 온도 센서 등과 같이 EEPROM(전기적으로 지울 수 있는 프로그래밍 가능 읽기 전용 메모리) 장치의 여러 기능에는 추가 전력이 필요합니다. 1.8V 또는 3V 환경에서 이러한 1선 장치를 사용할 때 강력 풀업이 필요합니다. 5V 환경에서 동일한 1선 슬레이브를 사용할 때는 강력 풀업을 선택적으로 사용할 수 있습니다.
1선 타이밍
이것은 1선 타임 슬롯과 리셋/상태 감지 시퀀스의 형태와 이러한 파형을 생성하는 수단을 일반적으로 표현한 것입니다. 특수 하드웨어(예: 자체 타이밍 생성기가 있는 칩)를 사용할 수도 있고 소프트웨어로 파형을 생성할 수도 있습니다. 소프트웨어 개발자에게는 하드웨어 방식이 더 편하지만 칩이 하나 더 있어야 합니다. 소프트웨어 방식은 하드웨어 비용이 들지 않지만 소프트웨어 개발 및 테스트 비용이 증가할 수 있습니다.
오버드라이브 지원
대부분의 1선 슬레이브는 표준 속도와 오버드라이브 속도의 두 가지 속도로 통신할 수 있습니다. 오버드라이브는 표준 속도보다 타이밍이 약 8배 빠릅니다.
능동 풀업
1선 버스 또는 네트워크는 오픈 드레인 환경이며, 0V(로직 0)가 활성 상태입니다. 유휴 상태일 때는 저항기를 통해 버스를 풀업 전압까지 높게 끌어옵니다(저항성 풀업). 따라서 하강 엣지는 급격하고, 상승 엣지는 저항기와 기생 공급 때문에 상당히 느릴 수 있습니다. 능동 풀업이란 상승 엣지를 테스트하여 특정 임계치를 넘은 경우 제한된 시간 동안 낮은 임피던스 경로로 풀업 저항기를 우회하는 방식을 말하는 것입니다. 일반적으로 네트워크가 짧거나 단일 슬레이브 장치를 사용할 때는 능동 풀업이 필요 없습니다. 능동 풀업은 저항성 풀업보다 1선 라인을 더 빨리 충전하고, 네트워크에서 여러 1선 슬레이브를 지원하기 때문에 시간 슬롯 사이의 복구 시간을 연장할 필요가 없습니다. 1선 마스터는 바이패스의 강도(임피던스)와 능동 풀업의 지속 시간을 제어하는 방식이 다릅니다.
1선 마스터 회로
이 부분에서는 다양한 마스터 회로를 자세히 살펴봅니다. 회로는 다음 두 범주로 나뉩니다.
- 마이크로프로세서 포트-핀
- Maxim의 하드웨어 1선 마스터
각 범주마다 하나 이상의 회로가 있습니다. 회로도를 보여주고, 전제조건을 명시하고, 장단점을 평가하고, 주의사항을 알려주고, 지원 소프트웨어 URL과 기타 자료를 제시합니다.
범주 1. 마이크로프로세서 포트-핀을 사용해 마스터 만들기
그림 1은 1선 마스터의 가장 기본적인 구현 상태를 보여줍니다.
그림 1. 강력 풀업을 위한 선택형 회로(점선)가 있는 단방향 포트 핀.
이 회로는 유일한 전제조건으로 예비 양방향 포트 1개와 프로그램 메모리의 예비 공간이 필요합니다. 이 회로의 장점은 하드웨어 비용이 낮다는 것입니다. 1선 타이밍이 소프트웨어를 통해 생성되어 초기 소프트웨어 개발 시간과 비용이 증가할 수 있다는 단점이 있습니다.
애플리케이션 및 1선 풀업 전압의 1선 슬레이브에 따라서는 포트 핀이 하나 더 있어야 강력 풀업을 구현할 수 있습니다. 1선 버스의 최대 작동 전압은 양방향 포트의 특성으로 결정됩니다. 1선 버스에 슬레이브가 둘 이상이면 RPUP 값을 낮춰야 합니다. 이 경우 VOLMAX가 1선 슬레이브 및 마이크로프로세서의 포트 입력 특성과 호환되는지 확인합니다.
오버라이드 속도에서 통신하려면 시계 주파수가 크고 명령 주기당 클록 주기가 적은 마이크로컨트롤러가 필요합니다.
그림 2는 그림 1과 유사한 또 다른 기본 회로를 보여줍니다.
그림 2. 강력 풀업을 위한 선택형 회로(점선)가 있는 양방향 포트 핀.
이 회로는 전제조건으로 예비 단방향 포트 2개, 풀다운 트랜지스터 1개, 프로그램 메모리의 예비 공간이 필요합니다. 이 회로의 장점은 양방향 포트가 필요 없다는 것입니다. 1선 타이밍이 소프트웨어를 통해 생성되어 초기 소프트웨어 개발 시간과 비용이 증가할 수 있다는 단점이 있습니다.
애플리케이션 및 1선 풀업 전압의 1선 슬레이브에 따라서는 포트 핀이 하나 더 있어야 강력 풀업을 구현할 수 있습니다. 1선 버스의 최대 작동 전압은 입력 포트의 특성으로 결정됩니다. 1선 버스에 슬레이브가 둘 이상이면 RPUP 값을 낮춰야 합니다. 이 경우 VOLMAX가 1선 슬레이브 및 마이크로프로세서의 포트 입력 특성과 호환되는지 확인합니다.
오버라이드 속도에서 통신하려면 시계 주파수가 크고 명령 주기당 클록 주기가 적은 마이크로컨트롤러가 필요합니다.
범주 2. Maxim의 하드웨어 1선 마스터
Maxim은 1선 슬레이브 장치의 네트워크를 안정적으로 구동할 때도 사용수 있는 다양한 1선 마스터 하드웨어 제품을 생산합니다. 이러한 마스터를 흔히 "1선 브릿지" 장치라고 하며, 그 이름으로 알 수 있듯이 시스템의 호스트 프로세서(예: 마이크로컨트롤러, FPGA, PC 등)와 1선 슬레이브 사이에 인터페이스를 "연결할" 때 사용합니다. 다시 말해, 호스트 프로세서와 1선 슬레이브 사이에 브릿지 장치를 통합하면 호스트 프로세서가 작동시킬 1선 슬레이브에 직접 연결되지 않습니다. 그 대신 호스트 프로세서가 I2C 같은 특정 통신 프로토콜을 통해 브릿지 장치와 연결되어 1선 데이터를 1선 슬레이브로 전달하라고 명령합니다. 이렇게 하면 1선 통신이 호스트 프로세서에서 분리되고 1선 브릿지 장치와 연결되어 호스트 프로세서가 시간에 좌우되는 1선 파형을 생성하지 않아도 된다는 점에서 유리합니다. 그 결과 전체 소프트웨어 애플리케이션을 상위 언어로 개발할 수 있으며, 초기 소프트웨어 개발 시간과 비용이 크게 절감됩니다.
기본적인 1선 프로토콜의 생성 외에도 1선 브릿지 장치에는 1선 라인을 보다 효과적으로 구동하는 데 기여할 수 있는 추가 기능도 포함되어 있습니다. 예를 들어, 각 1선 브릿지 장치에는 수동 풀업(즉, RPUP)이 내장되어 있어 필요한 외장 하드웨어 구성요소의 수를 줄일 수 있습니다. 도입된 그 다음 제품은 디자이너들이 애플리케이션에 맞는 것을 선택하는 데 도움이 되는 뛰어난 기능이 있는 Maxim 최고의 1선 브릿지 장치입니다. 각 장치마다 설치 방법을 참조할 수 있는 일반적인 애플리케이션 회로가 제공됩니다.
DS2480B
DS2480B 1선 마스터는 1선 인터페이스에 사용하는 저가의 범용 RS-232 COM 포트를 간단하게 디자인할 수 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 1선 라인의 상승 엣지에서 임계치를 넘으면 자동으로 사용되어 1선 버스에서 여러 장치를 쉽게 구동할 수 있는 내장 능동 풀업(APU).
- 1선 슬레이브 장치의 전력 요구량에 따라 선택적으로 활성화할 수 있는 내장 강력 풀업(SPU).
- 소프트웨어에 1선 읽기 전용 메모리(ROM) 검색 시퀀스를 보다 쉽게 구현할 수 있게 해주는 내장 4비트 검색 가속기.
- 외장 12V 전력 공급장치를 사용해 1선 EPROM 장치를 프로그래밍할 수 있는 기능.
- 표준 속도로 슬레이브 장치를 다양하게 구성할 수 있는 프로그래밍 가능 1선 타이밍 및 드라이버 특성.
- 5V +-10% 이상의 넓은 작동 전압 범위.
DS2480B는 UART(범용 비동기화 송수신기) 및 5V RS232 시스템과 직접 연결되어 최고 115.2kbps의 속도로 통신할 수 있습니다. 그림 3의 회로는 DS2480B를 호환 시스템에 통합하는 방법을 보여줍니다.
그림 3. 호스트 마이크로컨트롤러 UART 포트에 연결된 DS2480B.
DS2484
DS2484는 다음을 포함하는 1선 마스터의 엔트리 레벨 I2C입니다.
- DS2484가 I2C 작동 전압과 상관없이 1선 측에서 1.8V -5% ~ 5V +5% 범위의 다양한 전압 레벨에서 작동할 수 있게 해주는 내장 전압 레벨 변환기.
- 1선 장치의 효율적인 장거리 작동에 필요한 내장 능동 풀업(APU)와 선택 가능한 수동 풀업(RPUP) 값.
- 1선 슬레이브 장치의 전력 요구량에 따라 선택적으로 활성화할 수 있는 내장 강력 풀업(SPU).
- 소프트웨어에 1선 ROM 검색 시퀀스를 보다 쉽게 구현할 수 있게 해주는 내장 1선 세 자릿수 명령.
- 소프트웨어를 통해 버스에 있는 장치의 전력을 차단하는 1선 포트의 전력 제어.
- DS2484를 사용하지 않을 때 전력량을 절약하는 저전력 모드 핀(SLPZ).
- 광범위한 1선 슬레이브를 지원하는 조절식 1선 타이밍 매개변수.
DS2484는 I2C 마스터에 직접 연결되어 최고 400kHz의 속도로 통신할 수 있습니다. 그림 4의 회로는 DS2484를 호환 시스템에 통합하는 방법을 보여줍니다.
그림 4. 마이크로컨트롤러 I2C 포트에 연결된 DS2484.
DS2485
DS2485는 처리량을 높이도록 최적화되어 광범위한 기능 세트를 완벽하게 제어하는 포괄적인 1선 마스터입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 1선 기본 명령의 사용자 지정 시퀀스를 시행할 수 있는 스크립팅 기능.
- 1선 버스에서 명령으로 장치 ROM ID를 간단하게 검색하여 가져오는 내장 1선 검색 알고리즘.
- 126 바이트 크기로 데이터 처리량이 큰 대용량 1선 블록 버퍼.
- 광범위한 1선 슬레이브를 지원하는 표준 및 오버라이드용 조절식 1선 타이밍 매개변수.
- 사용자 데이터용 세 가지 32 바이트 EEPROM 페이지.
- 1선 장치의 효율적인 장거리 작동에 필요한 선택 가능한 내장 능동 풀업(APU)와 선택 가능한 수동 풀업(RPUP) 값.
- 1선 슬레이브 장치의 전력 요구량에 따라 선택적으로 활성화할 수 있는 내장 강력 풀업(SPU).
- 소프트웨어를 통해 버스에 있는 장치의 전력을 차단하는 1선 포트의 전력 제어.
- 애플리케이션별 제어 기능에 사용하는 GPIO 핀.
- 3.3V ±10% 이상의 넓은 작동 전압 범위.
DS2485는 I2C 마스터에 직접 연결되어 최고 1MHz의 속도로 통신할 수 있습니다. 그림 5의 회로는 DS2485를 호환 시스템에 정확하게 통합하는 방법을 보여줍니다.
그림 5. 마이크로컨트롤러 I2C 포트에 연결된 DS2485.
DS2465
DS2465는 1선 SHA-256 보안 인증 장치로 작동하도록 설계된 SHA-256 보조 프로세서이자 1선 마스터입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 다음을 포함하는 핵심 암호화 도구 세트:
- 1선 SHA-256 슬레이브 장치의 암호화 애플리케이션용 내장 SHA-256 엔진.
- 사용자 데이터용 두 가지 32 바이트 EEPROM 페이지.
- 1선 장치의 효율적인 장거리 작동에 필요한 내장 능동 풀업(APU)와 선택 가능한 수동 풀업(RPUP) 값.
- 1선 슬레이브 장치의 전력 요구량에 따라 선택적으로 활성화할 수 있는 내장 강력 풀업(SPU).
- DS2465를 사용하지 않을 때 전력량을 절약하는 저전력 모드 핀(SLPZ).
- 소프트웨어에 1선 ROM 검색 시퀀스를 보다 쉽게 구현할 수 있게 해주는 내장 1선 세 자릿수 명령.
- 소프트웨어를 통해 버스에 있는 장치의 전력을 차단하는 1선 포트의 전력 제어.
- 광범위한 1선 슬레이브를 지원하는 표준 및 오버라이드용 조절식 1선 타이밍 매개변수.
- 3.3V ±10% 이상의 넓은 작동 전압 범위.
DS2465는 I2C 마스터에 직접 연결되어 최고 400kHz의 속도로 통신할 수 있습니다. 그림 6의 회로는 DS2465를 호환 시스템에 정확하게 통합하는 방법을 보여줍니다.
그림 6. 여러 1선 SHA-256 장치에 연결된 DS2465 1선 마스터.
DS2477
DS2477은 1선 SHA3-256 보안 인증 장치로 작동하도록 설계된 SHA-3 보조 프로세서이자 1선 마스터입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 다음을 포함하는 핵심 암호화 도구 세트:
- 1선 SHA-3 슬레이브 장치의 암호화 애플리케이션용 내장 SHA-3 엔진.
- ChipDNA™ PUF(물리적 복제 방지 기능) 기술.
- 사용자 데이터 및 키 스토리지용 2Kb EEPROM.
- FIPS(연방 정보 처리 표준)/NIST(미 국립표준기술연구소) 준수 TRNG(트루 랜덤 생성기).
- 프로그래밍한 상태로 출고되어 변경할 수 없는 고유한 64비트 식별 번호(ROM ID).
- 1선 장치의 효율적인 장거리 작동에 필요한 내장 능동 풀업(APU)와 선택 가능한 수동 풀업(RPUP) 값.
- 1선 슬레이브 장치의 전력 요구량에 따라 선택적으로 활성화할 수 있는 내장 강력 풀업(SPU).
- 소프트웨어를 통해 버스에 있는 장치의 전력을 차단하는 1선 포트의 전력 제어.
- 광범위한 1선 슬레이브를 지원하는 조절식 1선 타이밍 매개변수.
- 126 바이트 크기로 데이터 처리량이 큰 대용량 1선 블록 버퍼.
- 애플리케이션별 제어 기능에 사용하는 GPIO 핀.
- 3.3V ±10% 이상의 넓은 작동 전압 범위.
시험실 테스트에서 DS2477는 1000피트 이상에서 333Ω 풀업 저항기 설정을 사용하여 50개의 DS1990 1선 슬레이브 장치를 성공적으로 구동할 수 있었습니다. DS2477은 I2C 마스터에 직접 연결되어 최고 1MHz의 속도로 통신할 수 있습니다. 그림 7의 회로는 여러 1선 SHA-3 슬레이브 장치(예: DS28E50)를 구동하는 DS2477의 응용 예시를 보여줍니다.
그림 7. DS28E50 슬레이브가 사용된 마이크로컨트롤러 I2C 포트에 연결된 DS2477.
PC 기반 어댑터 및 평가 키트
1선 마스터로 기능하는 PC 어댑터와 장치별 키트(EV 키트)는 사용자별 소프트웨어 개발이 필요 없기 때문에 1선 장치를 평가하고 프로토타입을 만드는 용도로 매우 편리합니다.
PC 기반 솔루션의 경우는 어댑터, 탐색용 1선 장치, 상용 케이블링 외에 무료 다운로드가 가능한 Java® 기반 OneWireViewer 같은 평가 소프트웨어가 필요합니다.
EV 키트는 프로토타입 제작과 탐색에 필요한 모든 것이 있기 때문에 독립형 어댑터를 사용할 때보다 편리합니다. 평가 키트에는 USB-to-I2C 또는 USB-to-I2C/1선 어댑터도 있습니다.
EV 키트에 포함된 무료 평가 소프트웨어 외에 Maxim에서 C 기반 무료 데모 코드 예제도 신청할 수 있습니다. 표 1에는 사용 가능한 평가 플랫폼의 정보가 상세히 나와 있습니다.
표 1. PC 기반 어댑터와 EV 키트
결론
내장 애플리케이션에 적합한 1선 마스터란 합리적 비용으로 1선 장치의 전기 요건(즉, 작동 전압, 강력 풀업)을 충족하면서도 전반적으로 최고의 기능을 제공하는 1선 마스터입니다. 애플리케이션의 예비(미사용) 리소스(포트 핀, UART 또는 I2C 버스, 프로그램 메모리 공간)에 따라 최종적으로 선택합니다. 현재 Maxim에서 제공하는 하드웨어 1선 마스터(범주 2)는 시판 중인 옵션 중에서 가장 활용도가 좋으며 비용도 매우 합리적입니다. 기능이 다양하고 프로그래밍이 가능해 보안 요건이 높은 것을 포함해 모든 1선 시스템을 지원할 수 있습니다.