1-Wire 통신을 사용하여 IoT 끝점의 센서에 효율적으로 연결하는 방법

사물 인터넷(IoT) 및 산업용 IoT(IIoT) 끝점에 국소 제어 영역이 있는 것이 일반적이지만 일부는 호스트 마이크로 컨트롤러의 위치에서 1m 이상 떨어진 단순 센서에 연결해야 합니다. 전통적으로, SPI 또는 I²C 직렬 인터페이스는 이러한 센서와 손쉽게 통신하는 데 사용됩니다. 그러나, 제어 알고리즘이 더 복잡해지고 더 많은 센서를 배치해야 함에 따라 마이크로 컨트롤러는 이러한 센서에 도달하기 위해 더 많은 SPI 및 I²C 회선을 사용해야 합니다. 이는 배선의 복잡성을 증가시키며, 특히 거리가 늘어남에 따라 구성 및 유지 보수 비용을 증가시킵니다.

이 기사에서는 개발자들에게 Maxim Integrated의 1-Wire 제품을 사용하여 1개 전선과 접지만 사용하여 IoT 센서에 비용 효율적으로 연결할 수 있는 방법을 보여줍니다. 또한 센서 범위의 대폭 확대 및 동일 전선에서 전력 및 데이터 모두 제공을 포함하여, 1-Wire 프로토콜의 이점을 설명합니다. 그런 다음 1-Wire 신호를 SPI 또는 I²C로 변환하는 브리지 장치와 설계를 시작하는 데 도움이 되는 개발 키트(소프트웨어 포함)를 소개합니다.

IoT 및 IIoT 센서 사용의 확장

IoT 및 IIoT 네트워킹을 확장한다는 것은 기능을 확장하면서 시스템 및 제조 공정의 효율성을 향상시키는 것입니다. 여기에는 센서를 사용하여 데이터를 수집하는 작업이 포함됩니다. 가정의 경우 실내에 온도 센서를 포함하는 하나의 온도 조절기가 있을 수 있지만, 자동화 건물 또는 IIoT 네트워크의 경우에는 실내에 또는 건물이나 시설 전체에 걸쳐 여러 개의 온도 및 습도 센서를 배치할 수 있습니다. 예를 들어, 난방, 환기, 공기 조절(HVAC) 덕트에 압력 센서와 함께 추가 센서를 배치할 수 있습니다. 보안 시스템도 여러 위치에 배치된 다양한 유형의 센서를 사용할 수 있습니다.

제조 및 컨베이어 벨트 시스템에서도, 예를 들어 안전을 개선하면서 시스템의 효율성을 향상시켜 에너지를 절약할 수 있는 방법에 대한 분석을 위해, 공정 모니터링 및 데이터 기록을 위한 센서 사용의 증가를 확인할 수 있습니다.

이러한 응용 분야에 가장 일반적인 센서는 온도, 습도, 압력을 비롯한 환경 센서, 가시 광선 및 정전 용량 근접 센서를 비롯한 시각 센서, 초소형 전자 기계 시스템(MEMS) 가속도계, MEMS 자이로스코프를 비롯한 위치 센서 및 진동 센서입니다. MEMS 기술의 소형화화 개선을 통해 엄치 손톱보다 작고 전류 소비가 수백 밀리암페어(mA)에 불과한 패키지의 센서가 만들어 졌습니다. 이러한 센서의 대부분은 거의 모든 마이크로 컨트롤러에서 사용되는 SPI 또는 I²C 통신 인터페이스에서 손쉽게 액세스할 수 있습니다. 이러한 단순 센서에 인터페이싱할 때 단지 온도를 샘플링하기 위해 전체 IoT 또는 IIoT 끝점 또는 자식 노드를 제작하는 것은 비현실적일 수 있습니다. 따라서 SPI 또는 I²C 통신 회선을 직접 연결하는 것이 더 간단하고 빠른 경우가 많습니다.

경우에 따라 고온 열전대 및 일부 압력 센서와 같이 아날로그 센서가 계속 사용됩니다. 이런 경우 마이크로 컨트롤러는 아날로그 센서를 국소적으로 샘플링하는 센서 위치에서 SPI 또는 I²C 아날로그 디지털 컨버터(ADC)와 인터페이스합니다. 그러면 아날로그 센서 회선에 걸쳐 전압이 강하되는 것을 방지할 수 있어 정확도가 향상됩니다.

원격 SPI 및 I²C 센서에 인터페이스

마이크로 컨트롤러는 SPI 및 I²C 데이터 회선을 확장하여 이러한 센서와 통신합니다. 그러나, I²C는 범위가 1미터 이하로 제한되며 SPI도 유사하게 제한됩니다. 또한 전이중 SPI는 각각에 대한 개별 주변 장치 선택을 비롯하여 4개 핀을 필요로 합니다. 결과적으로 버스의 4개 SPI 주변 장치에 도달하려면 총 9개 핀에 대해 7개 핀과 전력 및 접지가 필요합니다. 반이중 I²C는 주변 장치에 도달하는 데 총 4개 회선에 대해 2개 핀과 전력 및 접지가 필요합니다. 동시에, 여러 고속 신호에서 전자기 간섭(EMI)이 증가하므로 누화가 발생할 수 있고 결과적으로 신호 무결성과 시스템 신뢰성이 떨어집니다.

필요한 것은 기존 I²C 및 SPI 센서와의 호환성을 유지하면서 전력 및 데이터 배선을 최소화하고 작동을 간소화하는 솔루션입니다.

전선 수를 줄이면서 긴 거리에 걸쳐 원격 센서에 연결하는 문제를 해결하기 위해 Maxim Integrated는 1개 전선과 접지를 사용하여 대부분의 SPI 또는 I²C 센서에 연결하는 1-Wire 프로토콜을 개발했습니다. 이 프로토콜은 전선 수를 SPI의 6선 및 I²C의 4선에서 최대 100미터(m)까지 데이터 및 전력을 전달하는 단 2선으로 줄입니다.

1-Wire 사용

1-Wire를 사용할 경우 원격 센서는 1-Wire 프로토콜을 센서에 인터페이스되는 호환 가능한 SPI 또는 I²C 신호로 변환하는 1-Wire 통신 브리지를 갖습니다. 1-Wire 브리지와 센서는 1-Wire 신호 및 접지선에 의해 기생적으로 전력이 공급됩니다. 이를 통해 1-Wire 신호를 작은 영역으로 라우팅할 수 있으며 더 적은 전선을 사용하므로 비용이 절약됩니다.

SPI 및 I²C는 모두 전용 클록 신호를 사용하지만 1-Wire는 데이터 신호에 클록을 내장합니다. SPI는 각 주변 장치에 대해 별도의 선택 신호를 사용하여 특정 주변 장치를 주소 지정하는 반면 I²C는 데이터 회선을 따라 전송되는 7비트 버스 주소를 사용합니다. 이와 비교하여, 1-Wire는 각 개별 통신 브리지에 배선된 56비트 주소를 사용합니다. 이러한 더 넓은 주소 지정 범위는 버스에서 고유한 주변 장치의 수를 증가시킬 뿐만 아니라 공격자가 1-Wire 버스에서 주변 장치의 주소를 추측하기 어렵게 하여 보안을 향상시킵니다.

1-Wire 주변 장치 버스에서 워드 크기는 8비트입니다. 마이크로 컨트롤러 1-Wire 버스 호스트는 1-Wire 프로토콜을 비트뱅잉할 수 있지만 단순 UART 구동기로도 지원됩니다. 따라서 8비트 마이크로 컨트롤러도 1비트 버스 호스트가 될 수 있습니다. 1비트 버스는 SPI 또는 I²C 주변 장치를 포함할 수 있지만 둘 모두를 포함할 수는 없습니다. 이러한 일관성은 버스에서의 충돌을 방지하고 프로토콜을 통한 프로그래밍을 간소화합니다.

실세계 1-Wire 솔루션

1-Wire 버스를 통해 SPI 또는 I²C 주변 장치에 인터페이스하려는 설계자를 위해 Maxim Integrated는 명령 시퀀서를 갖춘 DS28E18Q+T 1-Wire - I²C/SPI 브리지를 제공합니다(그림 1).

그림 1: 명령 시퀀서를 갖춘 DS28E18Q+T 1-Wire - I²C/SPI 브리지는 1-Wire 버스 IO 및 GND 핀에 인터페이스합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

그림 1에서, IO가 HIgh이면 버스에서 기생 전력이 추출되며 SENS_VDD 핀을 통해 주변 장치에 전력을 공급하는 데 사용됩니다. 브리지는 1-Wire 명령을 적절한 I²C 또는 SPI 명령으로 버퍼링 및 변환합니다.

IO 핀 및 GND는 1-Wire 버스에 연결되고 상태 머신을 통해 프런트 엔드로 전송됩니다. 각 장치는 56비트 ROM ID로 식별되고 DS28E18Q+T의 수정본을 지정하는 8비트 1-Wire 제품군 코드가 접두사로 지정됩니다. 이를 통해 마이크로 컨트롤러 펌웨어에서 특정 DS28E18Q+T를 고유하게 식별할 수 있으므로 장치 제품군의 모든 변경 사항을 처리할 수 있을 정도로 유연합니다. 8비트 CRC(순환 중복 검사) 코드가 있는 장치에는 48비트의 고유 일련 번호가 있습니다.

프런트 엔드는 IO 버스의 128바이트 데이터와 내부 사용을 위한 16바이트를 포함하는 144바이트 명령 버퍼를 사용하여 변환된 데이터를 명령 시퀀서로 보냅니다. 명령 시퀀서는 명령을 처리하고 1-Wire 버스가 한 번에 하나씩 명령을 처리하는 대신 최대 512바이트의 I²C 또는 SPI 명령을 버퍼에 저장하여 나중에 주변 장치로 보낼 수 있습니다.

이 512바이트 버퍼를 사용하면 DS28E18Q+T가 자체적인 내부 전력 동작을 조정하여 주변 장치와의 통신 타이밍을 통해 기생 전력을 유지할 수 있습니다. 명령 시퀀서는 데이터를 처리하는 I²C/SPI 마스터 및 GPIO 컨트롤러에 지침을 전송할 때 이 타이밍을 유지하여 I²C 및 SPI 표준을 준수하도록 합니다.

외부 470나노패러드(nF) 커패시터는 1-Wire 버스 작동 동안 DS28E18Q+T를 위한 예비 전력으로 작동하는 C_EXT 핀에 연결됩니다. 연결된 주변 장치를 위해 SENS_VDD 핀에서 기생 전력이 제공됩니다. SPI 작동의 경우 4개 핀인 SS#, MISO, MOSI, SCLK는 연결된 주변 장치에 대한 전이중 통신을 제공합니다. I²C 작동은 대체 기능 핀인 SDA 및 SCL과 함께 2개 핀만 사용합니다. SPI 작동을 위한 핀 SS# 및 MISO는 I²C 작동에는 사용되지 않으므로 대체 기능 GPIOA 및 GPIOB를 갖는 범용 I/O(GPOP)로 사용될 수 있습니다. 이는 센서 위치에서 진단 LED를 켜거나 센서 또는 ADC의 구성 핀을 관리하여 장치의 동작을 변경하는 데 사용할 수 있는 더 큰 유연성을 제공합니다.

마이크로 컨트롤러 상의 단일 UART인 Maxim Integrated DS28E18Q+T를 사용하면 동일한 1-Wire 및 접지 버스에서 두 개의 전선만 사용하여 여러 센서와 통신할 수 있습니다. 각 센서는 최대 100m까지 DS28E18Q+T에 연결됩니다. 이는 공기 덕트를 통해 두 개의 전선만 라우팅하여 각 통풍구에서 길이를 따라 온도와 습도를 모니터링할 수 있는 HVAC 시스템에 특히 유용할 수 있습니다. 이는 장애로 인해 발생할 수 있는 열점 또는 냉점을 모니터링하여 시스템의 효율성을 향상시킵니다.

1-Wire 개발

1-Wire 프로토콜을 사용하여 개발을 시작할 수 있도록 하기 위해 Maxim Integrated는 DS28E18EVKIT# 평가 시스템을 제공합니다. 이 시스템은 하드웨어 개발 기판(그림 2)과 소프트웨어로 구성되어 있습니다.

그림 2: Maxim DS28E18EVKIT# 평가 기판을 사용하면 개발자가 SPI 또는 I²C 주변 장치를 1-Wire 버스에 쉽게 연결할 수 있습니다. 포함된 소프트웨어는 버스 및 주변 장치 동작을 프로그래밍 및 모니터링하는 데 사용할 수 있으며 마이크로 컨트롤러 장치 구동기를 생성하는 데에도 도움을 줍니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

개발자는 평가 기판을 사용하여 DS28E18Q+T를 프로그래밍하고 모니터링할 수 있습니다. 개발 목적을 위해, 이 기판에는 Windows 컴퓨터에서 기판을 USB 포트에 인터페이스하는 USB 어댑터가 함께 제공됩니다. 개발에 도움을 줄 수 있도록, 개발자는 DS28E18EVKIT# 평가 키트 소프트웨어를 다운로드 및 실행해야 합니다. 그림 3에 표시된 바와 같이 평가 소프트웨어를 통해 DS28E18Q+T 및 연결된 주변 장치를 프로그래밍하고 모니터링할 수 있습니다.

그림 3: DS28E18EVKIT# 평가 소프트웨어를 통해 개발자는 USB 어댑터를 사용하여 온보드 DS28E18Q+T 를 구성하고 해당 동작을 모니터링할 수 있습니다. 512바이트 명령 시퀀서 메모리는 데이터로 채워진 후 주변 장치로 전송되어 센서 작동을 수행할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

소프트웨어는 명령을 DS28E18Q+T 평가 기판으로 전송하고 대상 SPI 또는 I²C 주변 장치에 대해 구성할 수 있습니다. 주변 장치의 주소 범위를 선택하고 실행해야 할 명령으로 512바이트 명령 시퀀서 메모리를 채울 수 있습니다. 소프트웨어는 또한 대상 마이크로 컨트롤러에 대해 UART 구동기를 구성하는 데 도움이 되므로 1-Wire 통신 프로토콜의 모든 세부 정보를 학습하는 노력을 줄일 수 있습니다. 개발자는 또한 자신의 고유 응용 제품에서 평가 기판을 사용함으로써, 센서 노드를 제작하고 구성하는 시간과 노력을 절약할 수 있습니다.

결론

IoT 및 IIoT 시스템이 더 많은 센서를 추가함에 따라 특히 거리가 증가하는 경우 센서에 대한 배선이 더 복잡해지고 더 많은 비용이 들어가고 있습니다. 센서에 전력을 전송하는 것은 센서 네트워크 설정을 복잡하게 할 수 있는 또 다른 문제입니다. 위에서 설명한 바와 같이, Maxim Integrated의 1-Wire 프로토콜 및 연결된 하드웨어는 단 하나의 전선과 접지를 통해 데이터와 전력을 제공함으로써 센서 네트워크에 대한 인터페이스를 보다 쉽고 효율적으로 만들 수 있습니다.