串行EEPROM DS2431的特性及其在智能ODN中的應用

何道剛　王躍明1.上海濟物光電技術有限公司　.中國科學院上海技術物理研究所

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串行EEPROM DS2431的特性及其在智能ODN中的應用

何道剛1，2王躍明2
1.上海濟物光電技術有限公司2.中國科學院上海技術物理研究所

摘要：文章介紹了美國Maxim公司的串行EEPROM DS2431芯片的特性及工作原理，提供了DS2431與單片 機IAP15L2K61S2的1-Wire總線連接方法，并且簡要闡述其在智能ODN中的應用。

關鍵字：EEPROM DS2431 1-Wire 單片機 智能ODN

1　概述

DS2431是美國Maxim公司的新一代串行 EEPROM存儲芯片，由四個存儲器頁組成，每頁 256位，它采用1-Wire接口技術，通過標準1-Wire 協議實現對其內部1024位存儲區的數據讀寫，讀寫 速率為15.4kbps或125kbps。數據先被寫入一個

8字節暫存器中，經校驗無誤后復制到EEPROM存儲器， 其特點在于，四個存儲頁相互獨立，可以單獨設 置寫保護或EPROM仿真模式，在EPROM仿真 模式下，所有位的狀態只能從“1”變成“0”。由于它采用CMOS工藝，功耗極低，且寬電源電壓（+2.8V～+5.25V），工作電流約為0.8mA，非常適合對功耗有嚴格要求的場合使用，其封裝有TSOC、 TO-92、TDFN-EP、SFN和UCSPR五種形式。 DS2431與外部微處理器接口采用1-Wire標準總線，實現主機對芯片靈活的尋址和讀寫操作，減少了芯片接口的引腳數，提高了芯片使用的靈活性。

2　DS2431 的內部結構和引腳說明

2.1DS2431的內部結構

DS2431內部功能主要由 1-Wire控制模塊、存儲器控制模塊、CRC-16發生 器、存儲區、暫存器、ROM注冊碼、寄生電源模塊及相關接口電路組成。

2.2DS2431的功能引腳

DS2431芯片只有2個引腳：IO和GND，各個引腳的功能說明如下：

IO：信號線，集控制、地址、數據及電源于 一體。

GND：信號地。

NC：未用。

3　DS2431 工作原理及其與單片機IAP15 L2 K61 S2 的1-Wire連接

3.11-Wire簡介1-Wire總線是Maxim全資子公司Dallas的一項專有技術與目前多數標準串行數據通信方式如SPI、I2C、MicroWire不同，它采用單根信號線既傳輸時鐘又傳輸數據，同時提供接收端工作電源，而且數據傳輸是雙向的它具有節省I/O口線資源，故結構簡 單成本低廉便于總線擴展和維護等諸多優點。 1-Wire總線適用于單個主機系統控制一個或多 個從機設備，當只有一個從機位于總線上時系統可 按照單節點系統操作，而當多個從機位于總線上時 則系統按照多節點系統操作。在數據通信前，首先由主機進行初始化，主機 開始發送數據時，先將總線短暫拉低至少480us，發送復位脈沖，對總線上所有從機進行復位。總線上每個從機在接收到主機發送的復位脈沖后，發送復 位響應脈沖，將總線拉低至少60us（主機發送復位 脈沖后由于上拉電阻的存在，總線被拉高）。 主機向從機發送數據分為寫1和寫0兩種，當寫1 時，主機發送一個短脈沖將總線拉低1～15us后釋放， 等待60us，寫1完成；當寫0時，主機發送的短脈沖 時長至少60us。 主機讀從機的過程，在讀每一位數據前，主機 先發送一個1～15us的起始低脈沖拉低總線后釋放， 釋放總線后主機1～15us內讀取的就是從機的數據。若從機輸出的數據是1，總線什么都不做保持高電平； 若從機輸出的數據是0，數據線拉低60us。

3.2DS2431尋址及存儲尋址

DS2431的數據存儲器和寄存器位于一個線性地址空間。數據存儲器和寄存器對讀操作沒有限制。DS2431的EEPROM陣列共有18行，每行8字節，前 16行被等分為4個存儲器頁（每頁32字節），這4頁為主數據存儲器，可以通過設置寄存器行中相 應的保護字將每一頁單獨設置成無保護、寫保護或 EPROM模式。最后2行包括保護寄存器和保留字節。 寄存器行包括4個保護控制字、1個復制保護字、1 個工廠設置字和2個制造商ID。

3.3DS2431存儲器功能命令

DS2431存儲器功能命令主要包括寫暫存器、讀 暫存器、復制暫存器、讀存儲器。

3.3.1寫暫存器

該命令適用于數據存儲器和寄存器頁中的可寫 地址，為了保證暫存器中的數據能夠被正確復制到 存儲器陣列中，用戶必須保證“寫暫存器”命令 中的8個數據字節開始于一個有效行邊界處。發出 “寫暫存器”命令后，主機必須首先發送2個字節 的目標地址，接著發送要寫入暫存器的數據。當執 行“寫暫存器”命令時，DS2431內部的CRC發生器 計算整個數據流的CRC校驗碼，數據流起始于命令 代碼，終止于主機發送的最后一個數據字節，該 CRC校驗碼由CRC-16多項式生成，計算時首先清除 CRC發生器，然后順序移入“寫暫存器”命令代碼 （0Fh）、目標地址和所有數據字節。

3.3.2讀暫存器

該命令可以用來校驗目標地址和暫存器數據的 完整性。主機發送命令代碼后開始讀取數據，開頭 的兩個字節是目標地址，下一個字節是結束偏移量 或數據狀態字節，接著是暫存器數據，這些數據可能與主機發送的原始數據有所不同。當目標地址位于 寄存器頁或位于寫保護或EPROM模式時，這一點尤 其重要。主機應先讀完暫存器中所有數據，然后就 可以收到反碼的CRC，該CRC碼根據DS2431發送的 數據產生。

3.3.3復制暫存器

該命令用來將暫存器中的數據復制到可寫的存 儲器區域，主機發出“復制暫存器”命令后，必須 提供一個3字節的授權模板，該模板應該通過前一個“讀暫存器”命令獲得。該3字節模板數據必須與三 個地址寄存器中的數據完全匹配，如果模板匹配、目標地址有效、PF標志位未被置位并且目標存儲器 沒有復制保護，則AA標志位置位，開始執行復制操作，暫存器中的8字節數據全部被復制到目標存儲器中。如果PF標志位被置位或目標存儲器處于復制保 護模式，則不會執行復制操作而且AA標志位不會置位。

3.3.4讀存儲器

該命令通常用于從DS2431中讀取數據，發出命 令后，主機需要提供2個字節的目標地址后，主機開 始讀取起始于目標地址的數據，可連續讀至地址 008Fh處。如果主機在繼續進行讀操作，則讀取結果將是邏輯1。

3.4DS2431與IAP15L2K61S2的硬件配置

DS2431的IO接口滿足標準1-Wire協議標準，分別支持15.4 kbps的標準通信速率和125kbps的高速通信速率。DS2431的端口為漏極開路，在任何速率下 運行都需要一個2.2KΩ的上拉電阻。

3.5處理流程

主機通過1-Wire端口訪問DS2431的協議包括初 始化、ROM命令和功能命令。主機每次訪問DS2431，必須遵守這個命令序列，如果出現序列混亂，DS2431 則不會響應主機。

3.5.1初始化

基于1-Wire協議接口的所有傳輸過程都是以初始化開始的，初始化過程由主機發出的復位脈沖和從機響應的應答脈沖組成。

3.5.2ROM命令

一旦主機檢測到一個應答脈沖，就可以發送 DS2431的ROM命令，所有的ROM命令長度均為 8位，下面列出這些命令：

讀ROM：允許主機讀取DS2431的8位家族碼、唯一的48位序列號和8位CRC校驗碼。此命令適用于 總線上僅有一個從機的情況，若總線上連接了多個 從機，當所有從機試圖同時發送數據時，將會發生 數據沖突，導致主機收到的數據錯誤。

匹配ROM：允許主機尋址多個總線上的一個特定ROM注冊碼的DS2431從機設備，這個命令適 用于單從機系統，也適用于多從機系統。

搜索ROM：系統啟動時，主機發送3個時隙的 “搜索ROM”命令，在第1個時隙，每個參與搜索的 從機都輸出各自ROM注冊碼的原碼，第2個時隙， 每個參與搜索的從機都輸出各自ROM注冊碼的補碼， 第3個時隙，主機寫入所選注冊碼的原碼，所有不匹配的從機都不再參與搜索。主機用該命令得到1-Wire總線上從機的ROM碼。

跳越ROM：在單從機總線系統中，主機可使用該命令訪問存儲器而不需要提供64位ROM注冊 碼，從而節省了時間。如果總線上不止一個從機， 在主機發出“跳越ROM”命令后發送讀命令時，會 因多個從機同時發送數據而導致數據沖突。

總線恢復：為了最大程度提高多從機應用場 合的數據吞吐率，DS2431提供了“總線恢復”命令， 該命令檢查RC位的狀態，若為1，則直接把控制權 交給存儲器功能。

增強型跳越ROM：在單從機系統，主機不需要提供64位ROM地址碼就可以訪問存儲器，從而 節省了時間。與“跳越ROM”命令不同，該命令將 DS2431設置為高速模式（OD為1），后續命令均為 高速模式，直到有一個最短持續480us的復位脈沖將 總線上的所有從機復位成標準速率（OD為0）。

增強型匹配ROM：通過該命令，以高速模式 發送64位ROM地址碼，主機可以訪問多從機系統上 一個特定的DS2431，同時將其設置為高速模式。只有與該地址碼匹配的DS2431才會對后續的命令響應。

3.5.3功能命令

DS2431的功能命令主要是讀和寫操作，主機與 DS2431的數據通信在時隙內進行，每個時隙傳輸 1bit，數據在寫時隙由主機傳輸到從機，數據在讀時 隙由從機傳輸到主機。所有通信均以主機拉低數據線開始，當1-Wire總線上的電壓降低至門限電壓以 下時，DS2431啟動內部定時器，在寫時隙確定何時 采樣數據線，在讀時隙確定數據有效時間。

3.6DS2431與IAP15L2K61S2的數據傳輸協議

以上詳細說明了DS2431與單片機之間數據通信 的1-Wire協議，現在以一個寫操作為例簡要說明整個操作過程。

4　DS2431 在智能ODN中的應用

近年來，伴隨著電信業務向綜合化、數字化、智能化、寬帶化和個人化方向的發展，高帶寬、高 傳輸質量的FTTx網絡在國內外得到了快速發展。作為占FTTx網絡建設投資達50%～70%的光纖分配網，ODN網絡的建設和維護越來越重要。由于ODN網絡產品基于無源的光網絡設備，其先天存在的管理手段較原始，故障定位手段缺乏等問題，給其維護和運營帶來了很大不便，嚴重困擾 著運營商。統計數據顯示，通常運營商超過30%的光纖由于標識混亂、無法辨識造成資源沉淀無法使用，只能重新投資鋪設，造成大量的資源浪費。除了資源沉淀外，運營商還面臨著光纖網絡業務開通和管理的難題，比如，運維部門接到訂單，派出施工人員到遠端進行施工，但到現場才發現光纖已經分配完畢；對于局端是否需要擴容，運營商也只能 采取定期巡查的模式，耗費大量人力物力。

智能化的ODN解決方案，可以極大地提高光纖 部署的自動化程度，減少手工操作，從而加快部署效率，降低由于手工操作導致的光纖連接及光纖資源記錄錯誤率，使光纖資源可用率得到提升。引入智能化的ODN，幫助運營商簡化管理流程、降低運營成本成為必然。智能ODN系統主要包括智能網管、智能ODF、 智能FDT、智能FAT和智能終端等。

參考文獻

［1］Maxim公司產品手冊，2012版

［2］STC公司產品手冊，IAP15L2K61S2 Datasheet，2013版

［3］MCS-51系列單片機實用接口技術，李華主編，北京航空航天大學出版社，1993 ［4］通信原理，樊昌信等編，國防工業出版社，1992 ［5］智能ODN管理系統標準，2012版