많은 1-와이어(1-Wireⓡ) 노드들을 갖는 1-와이어 네트워크는 전용 1-와이어 채널들을 필요로 할 수 있다. 이 글에서는 네트워크에 단 1개의 1-와이어 호스트만을 사용하면서 여러 개의 1-와이어 채널을 가질 수 있는 방법에 대해 설명한다.

■ 1-와이어 네트워크, MUX 사용 단점 극복

애초에 1-와이어 네트워크는 단일 1-와이어 버스 상에 1개의 1-와이어 호스트와 여러 개의 1-와이어 노드들이 포함되는 통신을 위해 설계되었다. 가능하다면 1-와이어 네트워크에는 미미한 스터브(stub)만을 포함하는 선형 토폴로지를 사용하는 것이 가장 좋다. 하지만 긴 스터브를 포함하는 성형(star) 토폴로지 사용이 불가피할 때도 많은데, 이럴 때 유효 한계를 판단하기가 어려울 수 있다. 이러한 어려움을 극복하기 위한 한 가지 방법이, 아날로그 멀티플렉서(MUX)를 사용함으로써 성형 토폴로지를 여러 개의 채널들로 분할하는 것이다. 여러 채널을 사용함으로써 얻을 수 있는 이점에는 개별 1-와이어 노드의 액세스 시간을 단축하고, 네트워크 견고성을 높이며, 서로 다른 채널에 오버드라이브 전용 노드를 표준/오버드라이브 노드와 혼합할 수 있다는 점 등이 있다. 이러한 이점들은 단일 1-와이어 호스트를 사용하면서 얻을 수 있는 것이다.

■ 1-와이어 호스트 아날로그 MUX 공통 신호 연결

여러 채널을 포함하는 1-와이어 네트워크를 구성할 때, 일반적인 방법은 1-와이어 호스트를 아날로그 MUX의 공통 신호에 연결하는 것이다. 그리고 이 MUX의 디지털 채널 선택 신호를 사용하여, 1-와이어 노드 디바이스의 채널을 포함하고 있는 원하는 I/O에 1-와이어 공통 신호를 연결한다. 이 같은 방법으로, 단일 1-와이어 버스의 최대치 이상으로 더 많은 수의 1-와이어 노드들을 네트워크에 연결할 수 있다. 이것이 가능한 것은, 스터브가 제거되고 1-와이어 호스트에 의해 구동되는 채널당 1-와이어 노드 수가 줄어들기 때문이다.

■ 사용하고자 하는 MUX, 레일-투-레일 아날로그 신호 처리할 수 있어야

그림 1은 DS2485 1-와이어 호스트를 사용한 3.3V 시스템을 보여준다. 마이크로컨트롤러가 DS2485와 MUX 채널 선택을 제어한다. 1-와이어 네트워크에서는, 사용하고자 하는 MUX가 레일-투-레일 아날로그 신호를 처리할 수 있어야 한다. 그렇지 않으면 신호 왜곡이 발생할 수 있고, 1-와이어 노드의 VPUP 파라미터 요건이 위반될 수 있다. 또한, DS2485의 능동 풀업 임피던스(RAPU)를 변화시키지 않도록 하기 위해, MUX의 RON 파라미터가 되도록 낮아야 한다. 이 점을 고려하지 않으면, 강한 풀업이 발생했을 때 1-와이어 노드가 작동에 필요한 전류를 받지 못할 수 있다.
 
스위치가 열림 상태일 때 유휴 상태인 1-와이어 노드들에 전원을 공급하기 위해서, 선택적으로 MUX(U2) 후위에 외부 풀업 저항들(RP4와 RP5)을 사용할 수 있다. 이렇게 하지 않으면, 채널 스위치가 연결될 때마다 마이크로컨트롤러가 통신을 하기에 앞서 해당 채널에 연결된 노드들의 최대 기동 시간만큼 기다려야 한다(통상적으로 2ms).

하지만, 각 채널에 외부 풀업 저항을 사용할 때는, 1-와이어 호스트에 의해 풀다운이 발생할 때 MUX의 RON 파라미터가 미치는 영향을 고려해야 한다. 1-와이어 노드들의 가장 높은 1-와이어 입력 로우(VIL) 파라미터를 위반하지 않도록 낮은 RON을 선택한다면 이 영향은 미미할 것이다.

따라서 해당 MUX 후위 풀업 저항 RP와 해당 MUX 저항 RON에 대해서 MUX 후위 출력 로우 전압은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
 
이와 함께, 사용하고자 하는 1-와이어 호스트의 유연성 역시 중요하게 고려해야 한다. DS2485는 타이밍, 입력 트리거링 레벨, 내부 풀업 저항을 유연하게 조절할 수 있기 때문에, 아나로그디바이스(Analog Devices)는 DS2485 1-와이어 호스트를 3.3V 시스템용으로 추천한다. 또한 DS2485는 높은 임피던스 모드로 설정할 수 있는데, 이 모드는 옵션으로 외부 저항을 사용할 때 유용하다. 만약 시스템이 5V를 필요로 한다면 차선책으로 DS2484를 사용할 수 있다.

어떤 시스템은 오버드라이브 전용 노드와 표준/오버드라이브 1-와이어 노드 디바이스의 혼용을 필요로 할 수 있다. 오버드라이브 전용 디바이스와 표준/오버드라이드 디바이스를 동일한 1-와이어 버스에 연결하면 통신 장애가 일어날 것이다. 한 가지 간단한 해결책은 MUX를 사용해서 오버드라이브 전용 디바이스들을 표준/오버드라이브 디바이스들과 다른 채널에 연결하는 것이다. 그런 다음에는 DS2485가 채널 선택에 따라서 오버드라이브 모드나 표준 모드로 전환해서 적절히 통신할 수 있다.

■ 아날로그 MUX 선택

아날로그 MUX를 선택할 때, 설계 엔지니어가 고려해야 할 요건들이 많이 있다. 여기에는 채널 수, 인터페이스 유형, 비용, 패키지 유형, 성능 등이 포함된다. 표 1은 1-와이어 애플리케이션용으로 권장되는 아날로그 MUX 제품들을 보여준다. 이 표에 열거된 모든 아날로그 MUX 제품들은 레일-투-레일 아날로그 신호를 처리할 수 있고, RON이 낮으며, 다양한 패키지 유형으로 제공된다. 채널 선택을 제어하는 마이크로컨트롤러는 여분의 GPIO 핀을 가지고 있어야 한다. 마이크로컨트롤러가 여분의 GPIO 핀이 없을 때는 DS2485가 사용하는 동일한 I2C 버스에 연결이 가능한 MAX14661이나 이와 유사한 디바이스를 사용할 수 있다.
 
■ 모든 디바이스 사양 모든 사용 조건 하 신중 검토

이 글에서는 권장 목록에 있는 아날로그 MUX를 사용하여 성형 토폴로지 1-와이어 네트워크를 여러 채널로 분할하는 방법에 대해 설명했다. 여느 전자 부품을 선택할 때와 마찬가지로, 안정적인 동작을 보장하기 위해서는 시스템에 사용하고자 하는 모든 디바이스 사양을 모든 사용 조건 하에서 신중하게 검토해야 한다.

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※ 저자 소개
스튜어트 메르켈(Stewart Merkel) AE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

스튜어트 메르켈(Stewart Merkel)은 ADI에서 애플리케이션 엔지니어로 10년 넘게 재직하고 있다. 그 전에는 맥심 인터그레이티드(Maxim Integrated)에서 임베디드 보안, 1-와이어 디바이스, 보안/비보안 텔레콤 장비를 주로 맡았다. 뉴욕주에 있는 빙햄턴 대학교에서 전기공학 학사학위를 취득했다.