串行EEPROM DS2431的特性及其在智能ODN中的应用

何道刚　王跃明1.上海济物光电技术有限公司　.中国科学院上海技术物理研究所



串行EEPROM DS2431的特性及其在智能ODN中的应用

何道刚1，2王跃明2
1.上海济物光电技术有限公司2.中国科学院上海技术物理研究所

摘要：文章介绍了美国Maxim公司的串行EEPROM DS2431芯片的特性及工作原理，提供了DS2431与单片 机IAP15L2K61S2的1-Wire总线连接方法，并且简要阐述其在智能ODN中的应用。

关键字：EEPROM DS2431 1-Wire 单片机 智能ODN

1　概述

DS2431是美国Maxim公司的新一代串行 EEPROM存储芯片，由四个存储器页组成，每页 256位，它采用1-Wire接口技术，通过标准1-Wire 协议实现对其内部1024位存储区的数据读写，读写 速率为15.4kbps或125kbps。数据先被写入一个

8字节暂存器中，经校验无误后复制到EEPROM存储器， 其特点在于，四个存储页相互独立，可以单独设 置写保护或EPROM仿真模式，在EPROM仿真 模式下，所有位的状态只能从“1”变成“0”。由于它采用CMOS工艺，功耗极低，且宽电源电压（+2.8V～+5.25V），工作电流约为0.8mA，非常适合对功耗有严格要求的场合使用，其封装有TSOC、 TO-92、TDFN-EP、SFN和UCSPR五种形式。 DS2431与外部微处理器接口采用1-Wire标准总线，实现主机对芯片灵活的寻址和读写操作，减少了芯片接口的引脚数，提高了芯片使用的灵活性。

2　DS2431 的内部结构和引脚说明

2.1DS2431的内部结构

DS2431内部功能主要由 1-Wire控制模块、存储器控制模块、CRC-16发生 器、存储区、暂存器、ROM注册码、寄生电源模块及相关接口电路组成。

2.2DS2431的功能引脚

DS2431芯片只有2个引脚：IO和GND，各个引脚的功能说明如下：

IO：信号线，集控制、地址、数据及电源于 一体。

GND：信号地。

NC：未用。

3　DS2431 工作原理及其与单片机IAP15 L2 K61 S2 的1-Wire连接

3.11-Wire简介1-Wire总线是Maxim全资子公司Dallas的一项专有技术与目前多数标准串行数据通信方式如SPI、I2C、MicroWire不同，它采用单根信号线既传输时钟又传输数据，同时提供接收端工作电源，而且数据传输是双向的它具有节省I/O口线资源，故结构简 单成本低廉便于总线扩展和维护等诸多优点。 1-Wire总线适用于单个主机系统控制一个或多 个从机设备，当只有一个从机位于总线上时系统可 按照单节点系统操作，而当多个从机位于总线上时 则系统按照多节点系统操作。在数据通信前，首先由主机进行初始化，主机 开始发送数据时，先将总线短暂拉低至少480us，发送复位脉冲，对总线上所有从机进行复位。总线上每个从机在接收到主机发送的复位脉冲后，发送复 位响应脉冲，将总线拉低至少60us（主机发送复位 脉冲后由于上拉电阻的存在，总线被拉高）。 主机向从机发送数据分为写1和写0两种，当写1 时，主机发送一个短脉冲将总线拉低1～15us后释放， 等待60us，写1完成；当写0时，主机发送的短脉冲 时长至少60us。 主机读从机的过程，在读每一位数据前，主机 先发送一个1～15us的起始低脉冲拉低总线后释放， 释放总线后主机1～15us内读取的就是从机的数据。若从机输出的数据是1，总线什么都不做保持高电平； 若从机输出的数据是0，数据线拉低60us。

3.2DS2431寻址及存储寻址

DS2431的数据存储器和寄存器位于一个线性地址空间。数据存储器和寄存器对读操作没有限制。DS2431的EEPROM阵列共有18行，每行8字节，前 16行被等分为4个存储器页（每页32字节），这4页为主数据存储器，可以通过设置寄存器行中相 应的保护字将每一页单独设置成无保护、写保护或 EPROM模式。最后2行包括保护寄存器和保留字节。 寄存器行包括4个保护控制字、1个复制保护字、1 个工厂设置字和2个制造商ID。

3.3DS2431存储器功能命令

DS2431存储器功能命令主要包括写暂存器、读 暂存器、复制暂存器、读存储器。

3.3.1写暂存器

该命令适用于数据存储器和寄存器页中的可写 地址，为了保证暂存器中的数据能够被正确复制到 存储器阵列中，用户必须保证“写暂存器”命令 中的8个数据字节开始于一个有效行边界处。发出 “写暂存器”命令后，主机必须首先发送2个字节 的目标地址，接着发送要写入暂存器的数据。当执 行“写暂存器”命令时，DS2431内部的CRC发生器 计算整个数据流的CRC校验码，数据流起始于命令 代码，终止于主机发送的最后一个数据字节，该 CRC校验码由CRC-16多项式生成，计算时首先清除 CRC发生器，然后顺序移入“写暂存器”命令代码 （0Fh）、目标地址和所有数据字节。

3.3.2读暂存器

该命令可以用来校验目标地址和暂存器数据的 完整性。主机发送命令代码后开始读取数据，开头 的两个字节是目标地址，下一个字节是结束偏移量 或数据状态字节，接着是暂存器数据，这些数据可能与主机发送的原始数据有所不同。当目标地址位于 寄存器页或位于写保护或EPROM模式时，这一点尤 其重要。主机应先读完暂存器中所有数据，然后就 可以收到反码的CRC，该CRC码根据DS2431发送的 数据产生。

3.3.3复制暂存器

该命令用来将暂存器中的数据复制到可写的存 储器区域，主机发出“复制暂存器”命令后，必须 提供一个3字节的授权模板，该模板应该通过前一个“读暂存器”命令获得。该3字节模板数据必须与三 个地址寄存器中的数据完全匹配，如果模板匹配、目标地址有效、PF标志位未被置位并且目标存储器 没有复制保护，则AA标志位置位，开始执行复制操作，暂存器中的8字节数据全部被复制到目标存储器中。如果PF标志位被置位或目标存储器处于复制保 护模式，则不会执行复制操作而且AA标志位不会置位。

3.3.4读存储器

该命令通常用于从DS2431中读取数据，发出命 令后，主机需要提供2个字节的目标地址后，主机开 始读取起始于目标地址的数据，可连续读至地址 008Fh处。如果主机在继续进行读操作，则读取结果将是逻辑1。

3.4DS2431与IAP15L2K61S2的硬件配置

DS2431的IO接口满足标准1-Wire协议标准，分别支持15.4 kbps的标准通信速率和125kbps的高速通信速率。DS2431的端口为漏极开路，在任何速率下 运行都需要一个2.2KΩ的上拉电阻。

3.5处理流程

主机通过1-Wire端口访问DS2431的协议包括初 始化、ROM命令和功能命令。主机每次访问DS2431，必须遵守这个命令序列，如果出现序列混乱，DS2431 则不会响应主机。

3.5.1初始化

基于1-Wire协议接口的所有传输过程都是以初始化开始的，初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成。

3.5.2ROM命令

一旦主机检测到一个应答脉冲，就可以发送 DS2431的ROM命令，所有的ROM命令长度均为 8位，下面列出这些命令：

读ROM：允许主机读取DS2431的8位家族码、唯一的48位序列号和8位CRC校验码。此命令适用于 总线上仅有一个从机的情况，若总线上连接了多个 从机，当所有从机试图同时发送数据时，将会发生 数据冲突，导致主机收到的数据错误。

匹配ROM：允许主机寻址多个总线上的一个特定ROM注册码的DS2431从机设备，这个命令适 用于单从机系统，也适用于多从机系统。

搜索ROM：系统启动时，主机发送3个时隙的 “搜索ROM”命令，在第1个时隙，每个参与搜索的 从机都输出各自ROM注册码的原码，第2个时隙， 每个参与搜索的从机都输出各自ROM注册码的补码， 第3个时隙，主机写入所选注册码的原码，所有不匹配的从机都不再参与搜索。主机用该命令得到1-Wire总线上从机的ROM码。

跳越ROM：在单从机总线系统中，主机可使用该命令访问存储器而不需要提供64位ROM注册 码，从而节省了时间。如果总线上不止一个从机， 在主机发出“跳越ROM”命令后发送读命令时，会 因多个从机同时发送数据而导致数据冲突。

总线恢复：为了最大程度提高多从机应用场 合的数据吞吐率，DS2431提供了“总线恢复”命令， 该命令检查RC位的状态，若为1，则直接把控制权 交给存储器功能。

增强型跳越ROM：在单从机系统，主机不需要提供64位ROM地址码就可以访问存储器，从而 节省了时间。与“跳越ROM”命令不同，该命令将 DS2431设置为高速模式（OD为1），后续命令均为 高速模式，直到有一个最短持续480us的复位脉冲将 总线上的所有从机复位成标准速率（OD为0）。

增强型匹配ROM：通过该命令，以高速模式 发送64位ROM地址码，主机可以访问多从机系统上 一个特定的DS2431，同时将其设置为高速模式。只有与该地址码匹配的DS2431才会对后续的命令响应。

3.5.3功能命令

DS2431的功能命令主要是读和写操作，主机与 DS2431的数据通信在时隙内进行，每个时隙传输 1bit，数据在写时隙由主机传输到从机，数据在读时 隙由从机传输到主机。所有通信均以主机拉低数据线开始，当1-Wire总线上的电压降低至门限电压以 下时，DS2431启动内部定时器，在写时隙确定何时 采样数据线，在读时隙确定数据有效时间。

3.6DS2431与IAP15L2K61S2的数据传输协议

以上详细说明了DS2431与单片机之间数据通信 的1-Wire协议，现在以一个写操作为例简要说明整个操作过程。

4　DS2431 在智能ODN中的应用

近年来，伴随着电信业务向综合化、数字化、智能化、宽带化和个人化方向的发展，高带宽、高 传输质量的FTTx网络在国内外得到了快速发展。作为占FTTx网络建设投资达50%～70%的光纤分配网，ODN网络的建设和维护越来越重要。由于ODN网络产品基于无源的光网络设备，其先天存在的管理手段较原始，故障定位手段缺乏等问题，给其维护和运营带来了很大不便，严重困扰 着运营商。统计数据显示，通常运营商超过30%的光纤由于标识混乱、无法辨识造成资源沉淀无法使用，只能重新投资铺设，造成大量的资源浪费。除了资源沉淀外，运营商还面临着光纤网络业务开通和管理的难题，比如，运维部门接到订单，派出施工人员到远端进行施工，但到现场才发现光纤已经分配完毕；对于局端是否需要扩容，运营商也只能 采取定期巡查的模式，耗费大量人力物力。

智能化的ODN解决方案，可以极大地提高光纤 部署的自动化程度，减少手工操作，从而加快部署效率，降低由于手工操作导致的光纤连接及光纤资源记录错误率，使光纤资源可用率得到提升。引入智能化的ODN，帮助运营商简化管理流程、降低运营成本成为必然。智能ODN系统主要包括智能网管、智能ODF、 智能FDT、智能FAT和智能终端等。

参考文献

［1］Maxim公司产品手册，2012版

［2］STC公司产品手册，IAP15L2K61S2 Datasheet，2013版

［3］MCS-51系列单片机实用接口技术，李华主编，北京航空航天大学出版社，1993 ［4］通信原理，樊昌信等编，国防工业出版社，1992 ［5］智能ODN管理系统标准，2012版