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キーワード: 1-Wire, マスタ, スレーブ, iButton, 寄生電源, パッケージ, sfn, フリップチップ, ucsp, 識別, ID, 制御, 温度, 時間, NV SRAM, OTP EPROM, EEPROM, セキュアEEPROM, 路銀具, 評価キット, EVキット, カスタム化
関連製品

チュートリアル1796

1-Wire®技術の概要とその用法

筆者：	Bernhard Linke, Principal Member Technical Staff

Oct 13, 2008

要約：このアプリケーションノートでは、1-Wire技術の概要、その通信概念、および特異なパッケージオプション(ピン数が少ないという利点を持つ)について説明します。主要な項では、1-Wireデバイスを機能別に取り上げて、またその代表的なアプリケーションについて説明しています。最後にこのアプリケーションノートでは、1-Wireデバイスの評価方法に関して実際に役立つ情報を示し、デバイスのカスタマイズオプションについて説明し、さらに1-Wire技術をシステムに組み込もうとするお客様に役立つ参考資料を挙げています。

1-Wire技術とは

1-Wire技術の基本は、通信用に1本のデータラインとグランド基準を使用するシリアルプロトコルです。1-Wireのマスタは、1つまたは複数の1-Wireスレーブデバイスが1-Wireバス上にある状態で通信を開始して制御します(図1)。各1-Wireスレーブデバイスには、固有で変更不能な工場でプログラムされた64ビットのID (識別番号)が備わっています。このIDは、1-Wireバス上でのデバイスアドレスとしての機能を果たします。64ビットIDのサブセットである8ビットのファミリコードは、デバイスのタイプと機能を特定します。通常、1-Wireスレーブデバイスは、2.8V (min)～5.25V (max)の電圧範囲にわたって動作します。ほとんどの1-Wireデバイスには電源供給用のピンはありません。つまり、デバイスは1-Wireバスからエネルギーを得るということです(寄生電源)。

図1. 1-Wireのマスタ/スレーブ構成は、1本のデータラインとグランド基準を使用

1-Wireのどこが特別か

1-Wireは、2つの接点(データとグランド)で動作する、半二重双方向通信のための、唯一の電圧ベースのディジタルシステムです。I²CやSPI™などの他のシリアル通信システムとは異なり、1-Wireデバイスは接点環境で使用するように設計されています。1-Wireバスから切り離すと、あるいは接点が外れると、1-Wireスレーブは定義されたリセット状態になります。電圧が戻ると、スレーブはウェイクアップし、その存在を通知します。保護用の1つの接点だけで、1-Wireデバイスに内蔵のESD保護がその優れた機能を発揮します。2つの接点によって、1-Wireデバイスは、最も経済的な方法で非電気的な対象物に電子機能を加えることが可能で、識別、認証、およびキャリブレーションデータや製造情報の配信が可能になります。

1-Wireデバイスのパッケージ方法

1-Wireデバイスは、従来型のトランジスタ(TO-92)とICパッケージ(TSOC、SOIC、SOT23)で提供されています。接点を利用して簡単に取り付けられるように設計された2接点SFN¹パッケージは、寄生電源型の1-Wireデバイスに対応しています(図2)。16mm径のステンレス鋼のiButton®²パッケージによって過酷な環境から1-Wireデバイスを保護しており、屋内でも屋外でも最適に使用することができます(図3)。フリップチップ(図4)やUCSP™³ (図5)の形態でも多くのデバイスが提供されています。

図2. 6.0mm x 6.0mm x 0.9mmのSFNパッケージには、広い接触面積があります。

図3. 16mm径の<u>i</u>Buttonパッケージによって1-Wireチップの内部を過酷な環境から保護します。

図3. 16mm径のiButtonパッケージによって1-Wireチップの内部を過酷な環境から保護します。

図4. フリップチップDS2502パッケージ(1.6mm x 0.91mm)には2つの矩形接点があります。

Figure 5. The UCSP package, 1.68mm x 1.68mm, for the DS2431 has spherical contacts located on a grid with a 0.5mm pitch.

Figure 5. The UCSP package, 1.68mm x 1.68mm, for the DS2431 has spherical contacts located on a grid with a 0.5mm pitch.

図5. DS2431用のUCSPパッケージ(1.68mm x 1.68mm)には、球形の接点が0.5mmピッチで格子状に配置されています。

利用可能なデバイスの機能はどのようなものですか。代表的なアプリケーションは何ですか。

現時点で、約40の1-Wireデバイスがあります。これには、存続間際のデバイスも含まれます。ここに挙げた品名は、標準生産として近い将来に予定されているデバイスだけです。DS19で始まる型番は必ずiButtonです。この項におけるその他の品名、すなわちDS24、DS25、およびDS28で始まる型番は、従来型のプラスチックパッケージです。SFNまたはフリップチップ/UCSPとしても提供可能な製品は、注記の欄にその旨を記載しています。デバイスの最新のパッケージ情報をお知りになりたい場合は、マキシムのウェブサイトをご覧いただいて、型番の検索フィールドにその型番を入力してください。

1-Wireデバイスは、以下に示すように、その機能によっていくつかのカテゴリに分類されます。

識別のみ
識別プラス制御
識別プラス温度
識別プラス時間
識別プラスNV SRAM
識別プラス(ワンタイムプログラムの可能な) OTP EPROM
識別プラスEEPROM
識別プラスSHA-1セキュアEEPROM
識別プラスロギング

追加のリソースを組み合わせることで、デバイスの代表的なアプリケーション領域が決まります。実際的な理由でここには記載することはできませんが、その他にも数多くのアプリケーションがあります。

識別のみ

このカテゴリのデバイスは、低コストという点で注目に値するものです。したがって、提供可能な保護のレベルは限られています。知的財産(IP)の保護にDS2401またはDS2411を使用する場合は、カスタマイズしたバージョンのデバイスを使用することを検討してください。詳細については、｢カスタマイズしたデバイスはありますか｣の項を参照してください。

品名	注	代表的なアプリケーション
DS2401	DS2401はフリップチップとしても提供されています。DS2401はV_CC電源が不要なため、プリンタカートリッジや医療消耗品の識別にも適しています。	プリント基板(PCB)の識別と認証アクセサリ/周辺機器の識別 IPの保護家庭用電化製品
DS2411	V_CC電源、1.5V以上	プリント基板(PCB)の識別と認証アクセサリ/周辺機器の識別 IPの保護家庭用電化製品
DS1990A DS1990R	DS1990Rは、リーダに接触してプレゼンスパルスを生成することが保証されます。	プリンタカートリッジの識別アクセス制御資産管理

識別プラス制御

この製品のアプリケーションは上記のデバイスとよく似ています。ただしPIOによって、制御またはフィードバックの機能がシステムに追加されます。

品名	注	代表的なアプリケーション
DS2413	2つの28V PIO	プリンタカートリッジや医療消耗品の識別ラックカードの管理アクセサリ/周辺機器の識別と管理
DS2450	4つの5V ADC入力。これはディジタルPIOとしても機能します。このデバイスはV_CCで駆動することができます。	家庭用電化製品

識別プラス温度

大型の電子機器(ラック)で、信頼性のある動作を確保するためには、適正な冷却/気流が重要となります。DS28EA00は、そのチェーン機能⁴を用いて独自な方法で問題を解決しています。これによって、1-Wireバス上のデバイスの物理的なシーケンスを検出することができるようになります。シーケンス検出用に配線するときには、2つのPIOのうちの1つを制御機能で利用することができます。

品名	注	代表的なアプリケーション
DS28EA00	シーケンス検出用に配線しない場合は、2つのPIOを制御機能に利用することができます。	ラックカードのモニタリング
DS1920	このスタンドアロンのデバイスはコマンドで温度を測定します(たとえばリーダがデバイスに接触したとき)。	接触時の温度データの収集

識別プラス時間

このデバイスは、32ビットのバイナリカウンタ⁵を使用して秒数をカウントすることで時間を測定します。0時間基準点(1970年1月1日、時刻00:00:00 UTC)がわかれば、136年以内の時刻を秒で特定することができます。秒数のカウントは、時間の間隔を測定する場合に特に便利です。

品名	注	代表的なアプリケーション
DS2417	DS2417はフリップチップとしても提供されています。周期的なタイマ割込み、6pF 32KHzの水晶が必要です。	家庭用電化製品
DS1904L	このスタンドアロンのiButtonにはバッテリと水晶が含まれています。このデバイスは、巡回管理および勤怠管理アプリケーションにも適しています。	家庭用電化製品

識別プラスNV SRAM

このカテゴリのデバイスの中で、DS1963Sが極めて独自なデバイスです。メモリの他に、SHA-1エンジン、8つの64ビットのシークレット、16の32ビット書込みサイクルカウンタ、および1つの32ビット擬似乱数発生器が搭載されています。4Kbのメモリを制限なく読書きすることができますが、8～15ページのデータ、あるいはシークレットのいずれか1つを変更すると、それに付随する書込みサイクルカウンタがインクリメントされます。DS1963Sは、設計によって、電子マネーアプリケーションのセキュアトークンとして機能することが可能で、またSHA-1セキュアEEPROMで使用するためのSHA-1コプロセッサ⁶として機能することができます。セキュリティは、SHA-1 MAC (メッセージ認証コード)をデータページに埋め込むことで達成することができます。DS1963Sは、PCBの認証またはIPの保護のために使用するとき、SHA-1セキュアEEPROMの検証、あるいは単純なメモリデバイス(たとえば、NV SRAM、EPROM、EEPROM)から内蔵MACを読み取ったデータの検証を行うホストを支援するコプロセッサとして機能します。

品名	注	代表的なアプリケーション
DS1963S	4Kbメモリ、SHA-1エンジンと、8シークレット、16の書込みサイクルカウンタ、擬似乱数発生器	PCBの認証 IPの保護電子マネー
DS1992L	1Kbメモリ	PCBの識別と認証アクセス制御資産管理
DS1993L	4Kbメモリ。低コストであるため(DS1995/DS1996との比較)、このデバイスは、プリント基板の識別と認証用にも適しています。	IPの保護アクセス制御資産管理
DS1995L	16Kbメモリ
DS1996L	64Kbメモリ

識別プラスOTP EPROM

このカテゴリのデバイスはすべて、12VのEPROM技術を使用します。パッケージには開口部がないため、ビットはOTPです。つまりビットはいったん1から0に変更すると、戻すことはできません。32バイトのページ全体を無効とマークして、代わりとなる有効なデータの場所を指し示すため、このデバイスには、各ページに1つずつ転送バイトがあります。この独自な機能によって、変更履歴を維持しながらデータの変更が可能になります。個々のメモリページは不可逆的に書込みを保護することができます。書込み保護によって、OPT EPROMは、まれにしか変更しない少量のデータだけを必要とするアプリケーション(ネットワークアドレス⁷やプリント基板の識別⁸など)の最有力候補となります。

品名	注	代表的なアプリケーション
DS2502	1Kbメモリ。DS2502は、フリップチップおよびSFNとして提供されています。	プリンタカートリッジと医療消耗品の識別と使用状況のモニタリングラックカードとプリント基板の識別と認証アクセサリ/周辺機器の識別
DS2505	16Kbメモリ
DS2502-E48	1Kbメモリ、MAC-48/EUI-48イーサネットアドレスで事前プログラミング	ネットワークアドレス PCBの識別と認証
DS2502-E64	1Kbメモリ、IEEE® EUI-64ノードアドレスで事前プログラミング	ネットワークアドレス PCBの識別と認証
DS1982	1Kbメモリ。低コストであるため(DS1985との比較)、DS1982は、プリンタカートリッジの識別と使用状況のモニタリングにも適しています。	PCBの識別と認証資産管理
DS1985	16Kbメモリ	PCBの識別と認証資産管理

識別プラスEEPROM

上記のOTP EPROMに比較して、このカテゴリのデバイスは書込みに12Vを必要としません。メモリ領域やページが書込み保護されていなければ、データを変更(書換え)することができます。このデバイスの多くは、EPROMエミュレーションモードを備えており、EPROMの場合と同様、1から0へのみビットを変更することができます。DS1977は、その能力が高く、セキュリティ機能も優れているため、ゲーム産業で使用されています。

品名	注	代表的なアプリケーション
DS2431	1Kbメモリ、EPROMエミュレーション、ページ書込み保護。DS2431はUCSPおよびSFNでも提供されています。	プリンタカートリッジと医療消耗品の識別と使用状況のモニタリングラックカードとPCBの識別と認証アクセサリ/周辺機器の識別 IPの保護と認証家庭用電化製品
DS28EC20	20Kbメモリ、EPROMエミュレーション、ブロック(4ページ)書込み保護
DS2433	4Kbメモリ。DS2433は、フリップチップおよびSFNとして提供されています。	プリンタカートリッジと医療消耗品の識別と使用状況のモニタリングラックカードとPCBの識別と認証アクセサリ/周辺機器の識別
DS28E04	4Kbメモリ、2つの5V PIO、7つの1-Wireアドレス入力、EPROMエミュレーション、ページ書込み保護	ラックカードの識別と認証
DS1971	256bメモリ	アクセス制御
DS1972	1Kbメモリ、EPROMエミュレーション、ページ書込み保護	アクセス制御資産管理
DS1973	4Kbメモリ	アクセス制御資産管理
DS1977	32KBメモリ、パスワード保護	資産管理ゲーム

識別プラスSHA-1セキュアEEPROM

このセキュアなカテゴリのデバイスに書き込むには、デバイスのシークレットについての知識とSHA-1 MACを計算する能力が必要です。シークレットを除き、メモリデータは制限なく読取り可能です。3つのデバイスはすべて、チャレンジ&レスポンスによる認証、1つのメモリページについてのEPROMエミュレーション、およびシークレットとメモリページの書込み保護をサポートしています。チャレンジ&レスポンスによる認証は、極めて高度なセキュリティを提供することが可能で、クローンコンポーネントがシステムに受け入れられないようにします⁹。接点環境用に設計されたDS1961Sは、リフレッシュ機能もサポートしているため、SHA-1 MACを提供しなくても既存のデータを書き換えることができます。事前プログラムのサービスについては、｢カスタマイズしたデバイスはありますか｣の項を参照してください。

品名	注	代表的なアプリケーション
DS2432	1Kbメモリ、1つの64ビットのシークレット、3バイトのチャレンジ。DS2432はフリップチップとしても提供されています。	プリンタカートリッジと医療消耗品の識別と使用状況のモニタリング
DS28E01	1Kbメモリ、1つの64ビットのシークレット、5バイトのチャレンジ	プリンタカートリッジと医療消耗品の識別と使用状況のモニタリングラックカードとPCBの識別と認証アクセサリ/周辺機器の識別 IPの保護と認証家庭用電化製品
DS1961S	1Kbメモリ、1つの64ビットシークレット、3バイトのチャレンジ、リフレッシュ機能	PCBの識別と認証 IPの保護と認証電子マネー

識別プラスロギング

これらのデバイスは、温度データのための自律型のデータロガーです。DS1923は湿度も記録することができます。各デバイス間の大きな違いは、データメモリの大きさとデータ保護のレベルです(パスワード)。各温度範囲のデバイスが用意されているため、さまざまなアプリケーションの要件を満たすことができます¹⁰。

品名	注	代表的なアプリケーション
DS1921G	2KB温度ロガー、-40℃～+85℃	環境科学用の温度モニタリング食品安全性の温度モニタリング食品、生鮮食品、および医薬品の出荷の品質保証
DS1921H	2KB温度ロガー、高分解能、+15℃～+46℃
DS1921Z	2KB温度ロガー、高分解能、-5℃～+26℃
DS1922L	8KB温度ロガー、-40℃～+85℃、パスワード保護
DS1922T	8KB温度ロガー、0℃～+125℃、パスワード保護
DS1923	8KB温度と湿度のロガー、-20℃～+85℃、パスワード保護

1-Wire製品の実地体験はどうすればできますか。

USBまたはRS-232シリアルポートを備え、インターネットにアクセス可能なIBM®互換のPCを利用可能であれば、必要なものは、1-Wireアダプタ、評価(EV)ソフトウェア、簡単な配線、および評価する1-Wireデバイスだけです。現時点での製品価格と入手性については、マキシムのウェブサイトをご覧ください。OneWireViewerソフトウェア¹¹と関連ドライバは無料でダウンロードすることができます。

より経済的な方法は、EVキットの1つを購入することです。各キットには、1-Wireアダプタ、選別された1-WireデバイスまたはiButton、および必要な配線類とアクセサリが含まれています。表1はこのアプリケーションノートの発行時点でのEVキットを示しています。新しい製品が利用可能になると、EVキットの内容は変わる可能性があります。キットに含まれていないデバイスは個別に購入する必要があります。EVキットのソフトウェアは同じであるため(DSECASHキットは除く)、パッケージのタイプ(プラスチックパッケージまたはiButton)によって、アプリケーションに最適なキットが決まります。

表1. EVキットの概要

Kit Part Number	Evaluates	1-Wire Adapter Type	Notes
DS9090K#	1-Wire chips (plastic packages)	USB, DS9490R	Includes: EV board with sockets for TO-92, TSOC, RJ-11 cable; jumpers; DS2401, DS2413, DS2431, DS2432, DS2433, DS28E04, and DS28EC20; other 1-Wire parts not mentioned in this document
DS9092K#	iButtons	USB, DS9490R	Includes: cable with iButton probe; DS1990A, DS1971, DS1904L, and DS1996; mechanical iButton mounting accessories
DS1921K#	iButton Data Loggers	USB, DS9490R	Includes: cable with iButton probe; DS1921G; mechanical mounting accessories
DS28EA00EVKIT#	DS28EA00	USB, DS9490R	Includes three EV boards with DS28EA00 installed and RJ-11 cables
DSECASH	DS1963S, DS1961S iButtons for eCash	RS-232, DS9097U-S09	Includes: EV board; cable with iButton probe; RJ-11 cable; several DS1963S and DS1961S iButtons; mechanical iButton mounting accessories

1-Wireアプリケーションの次のステップは何ですか。

1-Wire製品を選択すれば、マスタ回路のタイプ(すなわちキット内の1-Wireアダプタに相当するもの)を選択する必要があります。組込みのアプリケーションの場合、利用可能なシステムリソースに基づいて¹²、多数の選択肢があります。1-Wireデバイス間にかなりの配線を必要とするアプリケーションであれば、特殊マスタ回路¹³が役立ちます。

ハードウェアの他に、1-Wireデバイスとの通信、データの読書き、および制御機能の実行のためにはファームウェアが必要です。さまざまなプラットフォーム用に選別されたソフトウェアドライバ¹⁴が、マキシムのウェブサイトから無料でダウンロードしてご利用いただけます。デバイス固有のドライバ、アプリケーションプログラムインタフェース(API)、およびソフトウェアの例については、｢1-Wire®ソフトウェアリソースガイドデバイス解説｣¹⁵を参照してください。このガイドには、｢1-Wire File Structure｣¹⁶に基づいたAPI機能も含まれています。これは特に、数百バイト以上のデータを取り扱うときに役立ちます。

カスタマイズしたデバイスはありますか。

マキシムは、カスタマイズした2種類のデバイスを用意しています。識別のみのデバイスについては、カスタムROMが極めて一般的ですが、64ビットのID番号を備えたすべてのデバイスで利用可能です。カスタムROMの場合、68.7 x 10⁹の番号(36ビットに相当)を1人の顧客が専用で使用することができます。カスタムROMの例については、アプリケーションノート178⁸に記載されています。この種のカスタマイズはパッケージ化の前に行われるため、リードタイムがかなり長くなります。SHA-1セキュアEEPROMデバイスの場合、マキシムは、データとシークレットをインストールするためのセキュアな事前プログラミングサービスを提供しています。詳細については、テクニカルサポート要請を工場にお送りください。

まとめ

1-Wire技術は、マスタとスレーブ間で1本のデータラインとグランド基準を使用するシリアル通信プロトコルに基づいています。1-Wireスレーブは、フリップチップやUCSPなどのプラスチックパッケージで提供されるか、あるいはステンレス鋼のiButtonの形態で提供されます。1-Wireスレーブの最小機能は64ビットのID番号です。その他の機能として、PIO、温度センサ、タイムカウンタ、NV SRAM、OTP EPROM、EEPROM、SHA-1エンジン、SHA-1セキュリティEEPROM、温度ロギングと湿度ロギングがあります。1-Wireデバイスの代表的なアプリケーションとしては、消耗品、ラックカード、PCB、コンピュータアクセサリの識別と認証、およびIPの保護(たとえばクローンの阻止)があります。iButtonの特殊な使用法として、アクセス制御、資産管理、巡回システム、勤怠管理、電子マネー(eCash)、および食品と医薬品の安全性のための温度モニタリングがあります。スタータであるEVキットとソフトウェアドライバを利用すれば、顧客が1-Wire技術をシステムに組み込む場合に役立ちます。

参考文献

アプリケーションノート4132｢電気機械的SFNパッケージの取り付け方法｣
アプリケーションノート3808 ｢iButtonとは｣
アプリケーションノート4002｢フリップチップとチップスケールパッケージの技術およびそのアプリケーションについて｣
アプリケーションノート4037 ｢1-Wire®のチェーン機能を活用した位置情報の取得-シンプルなシグナリングとプロトコルにより、デバイスの物理的な位置を特定｣
アプリケーションノート517 ｢DS1371/DS1372/DS1374 32-Bit Binary Counter Time Conversion｣
アプリケーションノート1820 ｢White Paper 1：SHA Devices Used in Small Cash Systems｣
アプリケーションノート186 ｢1-Wireデバイスによるグローバル識別番号の作成｣
アプリケーションノート178 ｢1-Wire製品によるプリント回路基板の識別｣
アプリケーションノート3675｢研究開発の投資の保護—双方向の認証とセキュアなソフトによる機能の設定｣
アプリケーションノート3892 ｢iButtonセンサと温度/湿度データロガーの概要｣
アプリケーションノート3358 ｢OneWireViewerユーザガイド｣
アプリケーションノート4206｢組込みアプリケーション用の正しい1-Wire®マスタの選択｣
アプリケーションノート244｢高度1-Wireネットワークドライバ｣
スタートページ｢Software Development Kits｣
アプリケーションノート155 ｢1-Wire®ソフトウェアリソースガイドデバイス解説｣
アプリケーションノート114 ｢1-Wire File Structure｣

1-WireはMaxim Integrated Products, Inc.の登録商標です。

iButtonはMaxim Integrated Products, Inc.の登録商標です。

IBMはInternational Business Machines Corporationの登録商標および登録サービスマークです。

IEEEはInstitute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.の登録サービスマークです。

UCSPはMaxim Integrated Products, Inc.の商標です。

関連製品
DS1921K	Thermochron iButtonスタータキット
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