1-Wire 总线协议介绍
1-Wire 总线协议（1-Wire® Protocol）深度解析
1-Wire（单总线）是由 Dallas Semiconductor（现属 TI）开发的低成本串行通信协议，通过 ** 一根数据线（DQ）和地线（GND）** 实现双向通信，支持单主机与单个或多个从设备通信。其核心优势在于极简布线、总线供电能力和硬件级设备认证，广泛应用于传感器网络、嵌入式系统和工业物联网领域。
一、协议起源与技术定位
- 诞生背景：1993 年由 Dallas Semiconductor 推出，最初用于温度传感器 DS18B20，解决传统多线协议在分布式场景中的布线复杂性问题。
- 设计目标：
- 极简硬件：仅需 1 根信号线，降低布线成本和空间占用。
- 总线供电：支持寄生电源（Parasitic Power），从设备无需独立供电。
- 唯一寻址：每个设备内置 64 位唯一标识符（ROM ID），支持多设备组网。
- 数据安全：后期版本引入加密认证（如 SHA-256 HMAC），满足工业级安全需求。
二、物理层特性
1. 电气特性
| 参数 | 标准模式 | 超速模式（Overdrive） |
|---|---|---|
| 电压范围 | 1.7V ~ 5.5V | 2.8V ~ 5.5V |
| 上拉电阻 | 4.7kΩ（总线空闲时为高电平） | 2.2kΩ（提升信号边沿速率） |
| 传输距离 | 最长 100 米（取决于线阻和负载） | 最长 50 米 |
| ESD 保护 | 数据线支持 ±8kV 接触放电（IEC 61000-4-2） | - |
2. 供电模式
- 寄生供电（总线供电）：
从设备通过 DQ 线的高电平获取能量（由主机或外部上拉电阻提供），适用于低功耗场景（如温度传感器）。此时需注意：- 主机需在写操作时提供足够电流（>100μA），确保从设备电容充电。
- 长时间高电平可能导致总线功耗过高，需配合低占空比通信。
- 独立供电：
从设备通过 VDD 引脚外接电源，适合高功耗操作（如 EEPROM 编程）。
三、协议层核心机制
1. 设备寻址：64 位 ROM ID
每个 1-Wire 设备内置唯一的 64 位标识符，结构如下：
plaintext
[8位家族代码] [48位唯一序列号] [8位CRC校验码]
- 家族代码：标识设备类型（如 0x28 为 DS18B20 温度传感器，0x10 为 DS2408 开关）。
- 序列号：工厂烧制的全球唯一编号，确保多设备组网时无地址冲突。
- CRC 校验：用于验证 ROM ID 的完整性，防止通信误码导致的寻址错误。
2. 命令集架构
1-Wire 协议基于 “主机先发命令，从设备后响应” 的主从模式，核心命令分为三类：
- ROM 命令（必选）：操作设备 ROM ID，如：
SEARCH ROM：扫描总线上所有设备的 ROM ID（用于多设备发现）。MATCH ROM：寻址单个设备（需指定完整 64 位 ID）。SKIP ROM：忽略 ROM ID（仅适用于总线上唯一设备）。
- 功能命令：操作设备功能寄存器，如温度传感器的
CONVERT TEMP命令。 - 安全命令（可选）：如
AUTHENTICATION（TMP1827 等安全型设备支持 HMAC 认证）。
3. 数据传输与时序
1-Wire 采用严格的时序控制，主机通过 GPIO 引脚模拟时序，关键操作包括：
- 复位与存在脉冲（Presence Pulse）：
- 主机拉低 DQ 线≥480μs，释放后等待从设备响应；
- 从设备拉低 DQ 线 60~240μs，表明在线（存在脉冲）。
- 写时隙（Write Slot）：
- 写 0：主机拉低 DQ 线并保持≥60μs；
- 写 1：主机拉低 DQ 线后在 15μs 内释放，由上拉电阻恢复高电平。
- 读时隙（Read Slot）：
- 主机拉低 DQ 线 1~15μs 后释放，从设备在 15μs 内驱动 DQ 线输出数据，主机需在 15μs 内完成采样。
四、多设备组网与拓扑结构
1. 菊花链拓扑
- 连接方式：多个设备通过 DQ 线串联，仅需主机端一个 GPIO 引脚，典型应用如分布式温度监测网络。
- 寻址挑战：
- 首次通信需通过
SEARCH ROM命令遍历所有设备的 ROM ID，建立设备列表。 - 支持最多 256 个设备（受总线电容和上拉电阻限制）。
- 首次通信需通过
2. 抗干扰设计
- 长距离传输：使用低电容线缆（如双绞线），增加上拉电阻至 10kΩ 以降低漏电流影响。
- 总线隔离：通过 DS2482 等 1-Wire 中继器扩展传输距离，支持信号放大和电平转换。
五、安全性增强（现代 1-Wire 设备）
传统 1-Wire 协议缺乏加密机制，现代设备（如 TMP1827）引入：
- HMAC 认证：主机与设备预共享密钥，通信时通过 SHA-256 哈希验证数据完整性，防止中间人攻击。
- 动态挑战 - 响应：每次认证使用随机挑战值（Nonce），避免静态密钥泄露风险。
- 安全启动流程：设备上电后需通过认证才能访问敏感数据（如校准参数）。
六、优缺点对比
| 优势 | 局限性 |
|---|---|
| 1. 单总线设计，布线成本极低 | 1. 传输速率较低（最高 90kbps） |
| 2. 支持总线供电，简化电源设计 | 2. 主机需精确模拟时序，软件复杂度高 |
| 3. 硬件级唯一寻址，天然支持多设备 | 3. 长距离传输时需额外抗干扰措施 |
| 4. 安全型设备支持硬件加密 | 4. 不适合高频大数据量场景 |
七、典型应用场景
- 工业传感器网络
- 示例：工厂生产线分布式温度监测，多个 DS18B20 通过菊花链连接至 PLC，实时反馈设备温度。
- 智能家居
- 示例：智能插座内置 1-Wire 温度传感器，通过单总线连接至主控 MCU，监测过载风险。
- 医疗设备
- 示例：医疗冰箱内的 TMP1827 传感器，通过 1-Wire 总线连接至数据记录仪，同时利用 HMAC 认证确保温度数据不可篡改。
- 消费电子
- 示例：智能手机通过 1-Wire 接口连接外置指纹识别模块（如 FIDO 认证设备），简化硬件接口。
八、与其他串行协议对比
| 特性 | 1-Wire | I2C | SPI | UART |
|---|---|---|---|---|
| 数据线数量 | 1（DQ）+1（GND） | 2（SCL/SDA）+GND | 4（SCK/MOSI/MISO/CS） | 2（TX/RX）+GND |
| 典型速率 | 16.3~90kbps | 100kbps~3.4Mbps | 10Mbps~50Mbps | 1200bps~1Mbps |
| 多设备支持 | 菊花链（需寻址） | 多从机（地址区分） | 多从机（CS 引脚区分） | 点对点 |
| 供电方式 | 总线供电 / 独立 | 独立供电 | 独立供电 | 独立供电 |
| 安全性 | 硬件级认证 | 软件加密 | 软件加密 | 软件加密 |
| 典型应用 | 传感器网络 | 低速外设（EEPROM） | 高速外设（Flash） | 异步通信（串口） |
九、开发资源与工具链
- 硬件工具：
- TI 的 DS9097U USB 转 1-Wire 适配器，用于主机调试。
- 评估板（如 DS18B20EVM）提供即插即用的测试环境。
- 软件资源：
- 开源库：Python 的
ow库、Arduino 的OneWire库，支持快速驱动开发。 - TI 官方工具：如 1-Wire Network Search Utility，用于设备枚举和通信测试。
- 开源库：Python 的
- 设计指南：
- 《1-Wire Bus System Architecture》白皮书，详细描述协议电气规范和时序要求。
总结
1-Wire 协议以其极简的物理层设计和独特的寻址机制，成为低成本、分布式传感器网络的理想选择。尽管在速率和复杂度上存在局限，但其总线供电、硬件认证和多设备支持特性，使其在工业、医疗和消费电子领域占据不可替代的地位。随着安全增强型设备（如 TMP1827）的普及，1-Wire 协议正从单纯的通信协议升级为融合 “连接 + 认证” 的完整解决方案。