使用DS2409微型LAN耦合器轻松修改以维持设计

DS2409设计用于访问控制探测点（即读卡器），并降低大型1-Wire®网络中的总线负载。该器件还用于实现双主站网络。目前，Maxim正在逐步淘汰DS2409，并鼓励所有客户规划替代方案。本应用笔记给出了支持和工作目前使用DS2409的1-Wire网络的替代方法。此处介绍的设计仿真不需要完全重新设计网络。

介绍

DS2409 MicroLAN耦合器具有独特的功能集，可用于多种专业应用。本应用笔记首先列出了DS2409的特性和应用，然后列出了可用于实现类似功能的替代电路。随后，将更详细地讨论替代电路。

DS2409 说明

DS2409是一种特殊类型的2端口可寻址开关。该器件无需将可编程输入/输出（PIO）切换至高电平或低电平，而是使用传输栅极将其输出端口连接到输入的1-Wire线路。在任何给定时间，激活的1-Wire输出不得超过一个。除1-Wire输出外，DS2409还具有控制输出，可与主输出（默认）、辅助输出连接或独立工作。此配置通过状态控制字节进行控制（参见数据手册）。状态信息字节（参见数据手册）允许主机验证器件配置，并检查每个1-Wire输出的状态（活动或非活动）、逻辑状态（高电平或低电平）和事件标志（设置/清除）。表 1 总结了这些功能和其他功能，并解释了它们的优点。

表 1.DS2409的特性和优势
功能名称	描述	好处
任何时候激活的输出不超过一个	输入的1-Wire线路只能连接一个输出。	保持低总线负载。
控制输出	DS2409具有漏极开路控制输出。上电时，控制输出配置为在主输出激活时点亮 LED。在软件控制下，控制输出可以与辅助输出相关联或直接打开/关闭。	自动指示活动通道。还可用于实现握手功能，如下面的双主站网络示例所示。
事件检测	两个输出都具有事件检测功能。如果输出处于非活动状态，则输出上的下降沿（例如，由到达的1-Wire从机的存在脉冲引起）设置事件标志。	锁定事件可降低总线流量。
条件搜索	如果设置了主输出的事件标志，则部件将参与条件搜索。	减少访问控制应用程序中的总线流量。
输出激活前复位脉冲	两个输出在激活前均置位复位脉冲（参见 Smart-On 命令，表 4）。	减少通过多层网络打开路径时的通信开销。
短路检测	两个输出都具有短路检测功能（请参阅智能开启命令）。	防止公交车因短路或破坏而坍塌。

DS2409需要5V VDD为操作提供。上电时，两个1-Wire输出均处于非活动状态，并被拉至VDD通过内部电阻器。电源断开短路会导致器件执行上电复位。与 VDD电源可用时，输入1-Wire线路的短时中断导致DS2409执行软上电复位。当主机重新连接时，配置复位至上电默认状态，1-Wire输出处于非活动状态;事件标志的状态未定义。

表1中的功能针对三个主要应用：智能探测点、多层网络和双主站网络（见Table 2）。

表 2.功能与应用程序矩阵
功能名称	应用
	智能探测点	多层网络	双主站网络
不超过一个输出处于活动状态	—		—
控制输出		—	（手动模式）
事件检测		—
条件搜索		—	—
输出激活前复位脉冲	—		—
短路检测			—

智能探测点

图 1 显示了使用 iButton® 设备作为电子钥匙的门禁系统的拓扑结构。R1/C1组合应包含在1-Wire适配器附近。需要R1来确保DS2409在1-Wire总线中断时执行软上电复位。C1可防止DS2409在V电压下阻碍1-Wire总线DD储运损耗。

图1.具有智能探测点的访问控制拓扑。

探头点（例如DS9092 iButton探头）位于DS2409主输出分支的二级网络上，而不是主1-Wire总线。连接到辅助输出的是ID芯片，例如，使用分支名称编程的1-Wire EEPROM。在正常操作期间，所有分支都处于非活动状态（与主总线断开连接），而主机执行条件搜索以检测事件。到达其中一个探测点的i按钮设置控制分支的DS2409的事件标志。在下一个扫描周期中，主机定位DS2409并激活辅助输出以读取分支名称。接下来，主机访问相同的DS2409并激活主输出，与刚刚到达的i按钮通信。当主输出处于活动状态时，LED 亮起，向用户确认检测到到达。控制输出可以接线以在软件控制下解锁门，而不是点亮 LED。由于Smart-On命令的短路检测，DS2409可防止探头短路时网络故障。

多层网络

对于任何网络，重要的是在主站必须驱动的负载与服务的节点（或短臂或从站）数量之间找到最佳平衡。实现此目的的一种方法是多层拓扑（图 2）。该图显示了四个层，从始终处于活动状态的主干（第 0 层）开始。每个后续层都由切换的分支（第 1 层到第 3 层）组成。R1/C1组合应包含在1-Wire主机附近。如果建立了一条穿过DS2409器件的路径，并且1-Wire主干线和主机之间的连接中断，R1确保在主机重新连接时自动关闭路径。C1可防止DS2409在V电压下阻碍1-Wire总线DD储运损耗。

为了有效地控制这样的网络，主机应该以每层每个分支上所有DS2409从站的ROM ID号的形式知道网络的拓扑结构。要打开第 3 层上从站的路径，如绿松石箭头所示，主站必须发出以下命令序列：

将 ROM 与中继上的 U1 匹配。

激活主输出（这将打开第 1 层上两个从站的路径）。

在第 1 层上匹配 U3 的 ROM。

激活主输出（这将打开第 2 层上两个从站的路径）。

在第 2 层上匹配 U4 的 ROM。

激活辅助输出（这将打开连接到此输出的第 3 层从站的路径）。

图2.多层网络拓扑。

作为 V抄送DS2409在1-Wire总线上加载最大100pF（1-Wire输入为50pF，激活输出为50pF）。相比之下，典型的寄生供电1-Wire从机增加了800pF至1000pF的负载。在本示例拓扑中，主站必须驱动的总负载为：中继端（50pF）上有一个DS2409，第1层有两个DS2409（150pF，两个输入，一个输出），第2层（150pF）上有两个DS2409，所有从机都连接到U4的辅助端口（50pF +从机）。这总共是 400pF 加上从站。

根据应用要求，每个分支上可能有两个以上的DS2409。表 3 显示了创建的最大分支数和耦合器的相应负载。每层，分支的数量呈指数级增长，而DS2409的负载仅呈线性增长。

表 3.创建的多层分支与DS2409负载
网络深度		配置
		每个分支两个 DS2409	每个分支三个 DS2409	每个分支 4 个 DS2409
第 0 层	创建的分支	4	6	8
	DS2409总负载	两部分	三部分	四个部分
第 1 层	创建的分支	16	36	64
	DS2409总负载	四个部分	六个部分	八个部分
第 2 层	创建的分支	64	216	512
	DS2409总负载	六个部分	九个部分	12 部分
第 3 层	创建的分支	256	1296	4096
	DS2409总负载	八个部分	12 部分	16 部分
第 n 层	创建的分支	4 × 4n	6 × 6n	8 × 8n
	DS2409总负载	2 × n + 2	3 × n + 3	4 × n + 4

除了打开通往目标层的路径的通信开销（随层数线性增加）之外，还需要考虑DS2409增加到路径中的阻抗。对于主输出，这通常为10Ω（20Ω，最大值），而辅助输出通常为15Ω（30Ω，最大值）。非零阻抗的总体效应降低了目标层（主站到从机）上的高电平电压，并提高了干线（从站到主站）上的低电平电压。降低的高水平通常不是问题。但是，由于升高的低级别，不应超出第 4 层。

双主站网络

在某些情况下，两个主站需要控制1-Wire网络，例如作为备份或相互交换数据。图3显示了实现此目的的电路。在本例中，DS1996存储器i按钮用作要交换的数据包的临时存储器。ID 芯片是可选的。如果安装，它们可以存储特定于系统的数据，告诉主机它们正在访问具有存储缓冲区和握手逻辑的共享网络。除了存储器i按钮之外，还可以有一个1-Wire从站网络。图1所示的R1/C1组合也推荐用于双主站应用;它应该包括在双方。

图3.双主站概念。如果不能保证相同的电压，则从同一电源为两个DS2409器件供电。

作为启动条件，DS2409的主输出和辅助输出均处于非活动状态。共享网络从两个DS2409上拉至5V，从而将有效上拉电阻降至750Ω。两台主机都会定期读取DS2409的状态信息，以了解另一台主机是否控制了1-Wire网络。

现在假设主机A想要访问DS1996以向主机B发送消息。为了访问存储器i按钮（DS1996），主机A首先激活U1的控制输出，将U2的辅助输出拉低。同时，主机 B 一直在读取 U2 状态信息，因此知道主机 A 已接管。接下来，主机A激活耦合器U1的主输出，并将数据写入内存iButton。完成写入后，主机 A 停用 U1 的主输出并停用控制输出。

主机 B 仍在读取 U2 状态信息，意识到主机 A 已完成写入。现在，主机B激活U2的控制输出，将U1的辅助输出拉低。主机 A 读取 U1 状态信息，因此知道主机 B 已接管。主机 B 现在激活 U2 的主输出并从内存 i按钮读取消息。处理完消息后，主机 B 会向 i按钮写入响应。完成后，主机 B 停用 U2 的主输出并停用控制输出。主机 A 仍在读取 U1 状态信息，知道主机 B 的访问已结束。

函数命令及其典型用法

DS2409总共可理解11个命令，实现网络功能或控制功能。表 4 列出了这些命令，并指出了它们的用途和典型用法。这些命令按其在网络应用程序中的重要性排序。详情请参考DS2409数据资料。

表 4.DS2409功能命令及其典型用途
命令名称	功能	目的	典型用途
匹配光盘	网络	选择单个1-Wire从机	主寻址模式
智能主	控制	通过存在脉冲和短路测试激活主输出	谨慎的输出激活，例如，意图后续的匹配ROM打开通往下一层的路径
智能辅助	控制	通过存在脉冲和短路测试激活辅助输出	谨慎的输出激活，例如，意图后续的匹配ROM打开通往下一层的路径
跳过只读存储器	网络	寻址网络活动分支上的所有1-Wire从站	广播命令，例如，所有线路关闭
所有线路关闭	控制	清除事件标志;输出停用;终止排放管路命令	跳过ROM命令后：断开当前路径的连接;常规网络重置，无需更改任何配置
状态读/写	控制	读取：验证输出状态和配置; 写入：设备配置	读取：输出电平检测（例如，双主站概念中的握手）;事件标志测试（智能探测点）;验证配置以及哪个输出处于活动状态 写入：更改控制输出的模式和关联;直接操作控制输出。
条件搜索 ROM	网络	识别网络活动分支上需要注意的1-Wire从站	检测 i按钮到达智能探测点
搜索光盘	网络	识别网络活动分支上的所有1-Wire从站	确定网络的拓扑结构;创建网络中所有从站的清单。
卸料管线	控制	关断两个输出	连接到两个输出的寄生供电从机的上电复位;网络故障排除
直接主	控制	激活主输出	快速输出激活
读取只读存储器	网络	读取 ROM ID	（在多从属网络中没有用）

特别有趣的是智能开启命令（图 4）。顶部迹线显示了输入1-Wire总线的通信，在本例中为智能辅助命令。第一个字节是命令代码 33h，后跟复位激励 FFh、复位响应（00h，= 检测到存在脉冲）和确认字节（33h，= 无短）。中心迹线显示辅助输出上的活动，即复位/存在检测（PD）周期。底部迹线显示了控制输出端的转换，因为在辅助输出激活之前主输出被停用。确认字节后的任何通信都将传递到激活的输出。仅当存在脉冲报告前面有“所有线路关闭”命令时，才是正确的。

图4.智能辅助命令。

停用输出的正常方法是通过“所有线路关闭”命令（图5）。顶部跟踪显示命令字节 66h，后跟确认字节。当命令字节传递到输出（中心跟踪）时，确认字节不是。底部迹线显示控制输出，因为它随着输出的停用而变化。

图5.“所有线路关闭”命令。

除了智能开启之外，还有一个用于主输出的直接开启命令（图 6）。示波器迹线看起来就像“所有行关闭”命令的镜像。在命令代码 A5h 之后，主输出立即被激活（底部跟踪）。确认字节传递到输出（中心迹线）。如果使用此命令，则必须遵循复位/PD周期，以确保激活输出上的从站与主站同步。

图6.直接主命令。

DS2409仿真

为了仿真DS2409，需要1-Wire可寻址开关（用于数字控制和检测）和模拟开关（用于激活或停用输出）。使用2通道可寻址开关（例如DS2413、DS2406或DS28E04）加上一个或两个模拟开关即可进行部分仿真。 要实现完整的仿真，需要一个5通道1-Wire可寻址开关（例如DS2408，8通道）和两个模拟开关。重要的是，可寻址开关在所有PIO处于关断（不导通）状态时上电。

模拟开关必须是单刀/双掷 （SPDT） 类型。选择开关时，寻找5V±10%的电源电压，导通电阻（R上）或更低，开关的所有三个节点均具有低电容（不超过50pF）。导通和关断时间不应超过100ns。出色的内置ESD保护是可取的。根据数据手册规格，以下模拟开关被确定为合适的：

单通道：MAX4729 （5.7Ω，最大值）、MAX4730 （5.7Ω，最大值）、MAX4644 （ 4.75Ω，最大值）

双通道：MAX4717 （3.5Ω，最大值）、MAX4719 （25Ω，最大值）、MAX4635 （4.5Ω，最大值）、MAX4636 （4.5Ω，最大值）、MAX4750 （30Ω，最大值）

三通道：MAX4693（25Ω，典型值，40Ω，最大值;慢速开关）。

上述开关均不具有良好的ESD保护。台架测试使用MAX4561单通道开关进行，该开关在常开和NC引脚上具有±15kV的内置ESD保护。特别是由于其高R。上MAX4561的值典型值为45Ω，DS2409仿真时不应考虑MAX4561。

电路示例

图7所示电路为部分仿真电路，实现DS2409的一个开关1-Wire输出和控制输出。U1是2通道1-Wire可寻址开关，具有漏极开路PIO端口。U2 是单刀双掷模拟开关。三个开关端子占用引脚 NO、NC 和 COM。开关由IN引脚上的数字电平控制。

在上电默认状态下，1-Wire可寻址开关的两个PIO均处于高阻抗状态。电阻R2对开关的IN引脚施加逻辑高电平，导致NO引脚连接到COM。 NO引脚上的电阻R1为COM引脚上的非活动1-Wire输出提供1.5kΩ上拉。这相当于DS2409的上电状态。

为了激活U2的1-Wire输出，主机将PIO-A导通，从而对U2的IN引脚施加逻辑低电平。这会导致模拟开关断开COM与常开的连接，并将其连接到NC，即输入的1-Wire总线。关闭PIO-A会停用1-Wire输出。主机可以独立于PIO-A操作PIO-B，例如，在手动模式下模拟DS2409的控制输出，或控制另一个类似R1/R2/U2的电路。控制两个模拟开关时，1-Wire主机必须确保激活的1-Wire输出不超过一个。这可以通过软件或（更安全）借助胶水逻辑完成，胶水逻辑解码情况 PIO-A ^ /PIO-B 和/PIO-A ^ PIO-B 来控制模拟开关。PIO-B还可用于事件检测（条件搜索）和短检测（虚线）。不支持输出激活前的复位脉冲。

图7.部分DS2409仿真电路U1可以是DS2406、DS2413或DS28E04。

DS2406 可寻址开关

图7所示电路已使用DS2406可寻址开关进行了测试。模拟开关（MAX4561）的IN引脚连接到DS2406的PIO-B。PIO-A用作打开LED的控制输出。PIO使用写入状态命令（代码55h）进行操作，寻址存储器位置0007h（SRAM控制位）。SRAM控制位的第6位直接访问PIO-B通道触发器。图 8 显示了输出激活序列。顶部迹线中可见的是 CRC16 字节（1Fh、E2h），它们跟在写入地址 0007h 的 3Fh 数据字节之后。底部迹线显示了控制模拟开关的PIO-B转换。在CRC16之后的复位/PD周期之前，1-Wire输出（中心迹线）上没有任何活动。此复位/PD未包含在图8中。

图 9 显示了输出停用序列。顶部迹线中可见的是 CRC16 字节（1Eh、12h），它们跟在写入地址 0007h 的 7Fh 数据字节之后。底部迹线显示了控制模拟开关的PIO-B转换。1-Wire输出（中心迹线）上的活动随着PIO-B的状态变化而结束，之后主机发出复位/PD周期。此复位/PD未包含在图9中。

PIO不是写入状态寄存器，还可以使用通道访问命令（代码F5h）进行控制。然而，这并没有尝试过。另外，注意DS2406在断电不到1分钟后执行上电复位。相反，DS2409在电源电压中断或1-Wire输入断开（低电平）仅几毫秒时经历上电复位周期。DS2406的PIO处有活动锁存器。因此，它可以支持事件检测（条件搜索）和短检测（虚线）。活动锁存器通过通道访问命令（通道控制字节 1）清除。

图8.使用DS2406进行部分仿真，输出激活。

图9.使用DS2406进行部分仿真，输出停用。

DS2413 可寻址开关

图7所示电路也使用DS2413可寻址开关进行了测试。模拟开关的IN引脚连接到DS2413的PIO-A。PIO-B用作打开LED的控制输出。PIO使用PIO访问写入命令（代码5Ah）进行操作。图 10 显示了输出激活序列。在顶部迹线中可见的是PIO输出数据字节（首先是真FEh，然后反转01h），然后是AAh确认字节和新的PIO引脚状态（3Ch）。控制模拟开关的PIO-A（底部走线）在反相的PIO输出数据字节之后立即变化。因此，确认字节和PIO引脚状态被传递到1-Wire输出（中心迹线）。必须发出复位/PD周期，以确保激活输出上的从机与主站同步。

图10.使用DS2413进行部分仿真，输出激活。

图 11.使用DS2413进行部分仿真，输出停用。

图 11 显示了输出停用序列。在顶部迹线中可见的是PIO输出数据字节（首先是真FFh，然后反转00h）。确认字节和新的PIO引脚状态（3Ch）不包括在图片中。控制模拟开关的PIO-A（底部走线）在反相的PIO输出数据字节之后发生变化。确认字节和PIO引脚状态不会传递到1-Wire输出（中心走线）。

注意，DS2413在断开1-Wire总线后需要5分钟以上才能执行上电复位。相比之下，DS2406在1分钟内经历上电复位周期。DS2413没有活动锁存器，不支持条件搜索。但是，短距离检测是可能的（虚线）。

DS28E04 可寻址开关

DS28E04为1线EEPROM，具有两个PIO。为了使PIO在非导通状态下上电，POL引脚需要连接到高电平（5V）。两个PIO的控制方式与DS2413相同。因此，图 10 和图 11 也适用于此处。在寄生电源模式下，DS28E04在执行上电复位之前，1-Wire总线需要不到15秒的中断时间。DS28E04的PIO具有活动锁存器。因此，它可以支持事件检测（条件搜索）和短检测（虚线）。活动闩锁通过“重置活动闩锁”命令清除。

全仿真（DS2408可寻址开关）

图7所示电路如何仿真a）一个开关1-Wire输出和控制输出，但没有事件/短路检测;b） 一个带事件/短路检测的开关 1-Wire 输出。限制来自 2 通道可寻址开关。要实现完整的仿真，需要五个 PIO 通道（图 12）。

全仿真电路使用两个模拟开关（U2、U3），由DS2408 8通道可寻址开关（U1）的PIO端口P1和P2控制。端口P2和P3连接到开关式1-Wire输出。这允许短距离检测和事件检测。P4 用于仿真控制输出。这使得 P5 到 P7 可供其他用途使用。如果需要，可以通过P5控制另一个模拟开关，从而实现第三个1-Wire输出，P6作为短路/事件传感器。P7与P4一起馈入解码器（未显示），以指示三个1-Wire输出中的哪一个处于活动状态。

DS2408的PIO控制方式与DS2413相同。因此，图 10 和图 11 也适用于此处。DS2408的条件搜索可以编程，以便在其任何PIO上发生事件时进行限定。活动闩锁通过“重置活动闩锁”命令清除。

与其他可寻址开关相比，DS2408需要一个外部复位信号（U4），以确保PIO在非活动状态下上电。在寄生电源模式下，1-Wire总线中断不到5s，DS2408执行上电复位。

静电防护

DS2409在1-Wire输入和两个1-Wire输出上具有内置ESD保护功能。因此，不需要额外的ESD保护。1-Wire可寻址开关的1-Wire输入也是如此，但PIO引脚则不然。大多数模拟开关的引脚ESD保护非常有限。强烈建议使用额外的保护，特别是对于具有1-Wire输入和传出网络连接器的节点。因此，在选择ESD保护芯片时，请寻找那些向总线增加很少电容的芯片，例如MAX3202E/MAX3203E/MAX3204E或MAX3207E/MAX3208E系列产品。

图 12.全DS2409仿真电路

总结

DS2409是一款非常高效的器件，可通过单个主机创建和操作大型1-Wire网络。其他关键应用包括用于门禁控制的智能接入点和双主站1-Wire网络。DS2409正在逐步淘汰，这将给一直依赖该器件的公司带来一些困难。本应用笔记表明，在不使用DS2409的情况下，还有其他方法可以支持相同的应用。

审核编辑：郭婷