DS18B20數(shù)字溫度傳感器的驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)

在一時候我們需要相對簡單的檢測溫度信號，而DS18B20就是一款功能和應(yīng)用都相對簡單的溫度傳感器，通過單線就可以實現(xiàn)檢測溫度信號的需求。這一篇我們就來實現(xiàn)操作DS18B20獲取溫度數(shù)據(jù)的驅(qū)動。

1、功能概述

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。單總線數(shù)字式溫度傳感器，由于具有結(jié)構(gòu)簡單，不需要外接電路，可用一根I/O數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)據(jù)，可由用戶設(shè)置溫度報警界限等特點，近年來廣泛用于糧庫等需要測量和控制溫度的地方。

1.1、硬件描述

DS18B20數(shù)字溫度傳感器提供9-12位攝氏度溫度測量數(shù)據(jù)，可編程非易失存儲器設(shè)置溫度監(jiān)測的上限和下限，提供溫度報警。器件可以工作在-55°C至+125°C范圍，在-10°C至+85°C范圍內(nèi)測量精度為±0.5°C。此外，DS18B20還可以直接利用數(shù)據(jù)線供電 (寄生供電)，無需外部電源。DS18B20數(shù)字溫度傳感器提供有三種封裝，其引腳定義分別如下表所示：

DS18B20數(shù)字溫濕度傳感器有一個64位ROM存儲器，用于存儲設(shè)備唯一的串行代碼。暫存存儲器包含2字節(jié)的溫度寄存器，該寄存器存儲溫度傳感器的數(shù)字輸出。此外，暫存存儲器提供對1字節(jié)的上、下報警觸發(fā)寄存器(TH和TL)和1字節(jié)配置寄存器的訪問。DS18B20數(shù)字溫濕度傳感器的功能框圖如下圖所示：

配置寄存器允許用戶將溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換的分辨率設(shè)置為9、10、11或12位。TH、TL和配置寄存器是非易失性的(EEPROM)，因此它們將在設(shè)備斷電時保留數(shù)據(jù)。

1.2、數(shù)據(jù)通訊

DS18B20通過1-Wire總線通信，只需要一條數(shù)據(jù)線 (和地線) 即可與處理器進行數(shù)據(jù)傳輸。每個DS18B20具有唯一的64位序列號，從而允許多個DS18B20掛接在同一條1-Wire總線。可以方便地采用一個微處理器控制多個分布在較大區(qū)域的DS18B20。該功能非常適合HVAC環(huán)境控制、樓宇、大型設(shè)備、機器、過程監(jiān)測與控制系統(tǒng)內(nèi)部的溫度測量等應(yīng)用。

DS18B20傳感器進行的功能操作是在發(fā)送命令的基礎(chǔ)上完成的，上電后傳感器處于空閑狀態(tài)，需要控制器發(fā)送命令才能完成溫度轉(zhuǎn)換。訪問DS18B20溫度傳感器需要按照固定的順序操作：

步驟1、初始化通訊

步驟2、操作ROM命令(后面跟著任何需要的數(shù)據(jù)交換)

步驟3、DS18B20功能命令(后面跟著任何需要的數(shù)據(jù)交換)

每次訪問DS18B20時，遵循這個序列是非常重要的，因為如果序列中的任何步驟丟失或順序混亂，DS18B20將不會響應(yīng)。這個規(guī)則的例外是搜索ROM [F0h]和警報搜索[ECh]命令。發(fā)出這兩個ROM命令后，主機必須按順序返回步驟1。

1.2.1、通訊初始化

在單線總線上的所有事務(wù)都以初始化序列開始。初始化序列包括由總線主發(fā)送的復(fù)位脈沖和從服務(wù)器發(fā)送的存在脈沖。存在脈沖讓總線主人知道從設(shè)備(例如DS18B20)在總線上并且準備好操作。復(fù)位和存在脈沖的時間在單線信號部分有詳細說明。

1.2.2、ROM操作

對傳感器的功能操作的次序是首先完成對芯片內(nèi)部的ROM操作，有5條操作ROM的指令可用于器件識別，它們分別是：ReadROM（33H）、Match ROM（55H）、Skip ROM（CCH）、SearchROM（F0H）、Alarm Search（ECH）。具體描述如下表所示：

1.2.3、功能操作

實現(xiàn)DS18B20溫度傳感器操作，需在發(fā)送ROM指令之后發(fā)送功能指令。DS18B20溫度傳感器共有6條功能指令，分別是：溫度轉(zhuǎn)換指令（44H）、讀暫存器指令（BEH）、寫暫存器指令（4EH）、復(fù)制暫存器指令（48H）、重調(diào)EEPROM指令（B8H）、讀電源供電方式指令（B4H）。具體描述見下表所示：

2、驅(qū)動設(shè)計與實現(xiàn)

我們已經(jīng)了解了DS18B20溫度傳感器的基本情況和數(shù)據(jù)通訊的相關(guān)信息。接下來我們將基于此設(shè)計并實現(xiàn)DS18B20溫度傳感器的驅(qū)動程序。

2.1、對象定義

我們依然采用基于對象操作的方式來實現(xiàn)，在使用一個對象之前我們需要獲得這個對象。同樣的我們想要基于對象操作DS18B20溫度傳感器就需要先定義DS18B20溫度傳感器的對象。

2.1.1、對象的抽象

我們要得到DS18B20溫度傳感器對象，需要先分析其基本特性。一般來說，一個對象至少包含兩方面的特性：屬性與操作。接下來我們就來從這兩個方面思考一下DS18B20溫度傳感器的對象。

先來考慮屬性，作為屬性肯定是用于標識或記錄對象特征的東西。我們來考慮DS18B20溫度傳感器對象屬性。每一個DS18B20溫度傳感器都有一個序列號，在總線上有多個DS18B20溫度傳感器時，是區(qū)別設(shè)備的唯一標識，所以我們將序列號作為屬性。同時溫度數(shù)據(jù)表示了DS18B20溫度傳感器當前的工作狀態(tài)，所以我們也將其作為屬性。

接著我們還需要考慮DS18B20溫度傳感器對象的操作問題。我們知道DS18B20溫度傳感器采用的是單總線通訊，既然是單總線就需要控制總線的輸入輸出方向，而且這對這條總線在不同的輸入輸出方向，我們需要讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，而這些操作都依賴于硬件平臺，所以我們將它們定義為DS18B20溫度傳感器對象的操作。處于時序控制的需要，我們需要延時操作函數(shù)，而在不同的軟硬件平臺延時操作會有差異，我們也將其作為對象的操作。

根據(jù)上述我們對DS18B20溫度傳感器的分析，我們可以定義DS18B20溫度傳感器的對象類型如下：

/* 定義DS18B20對象類型 */
typedef struct Ds18b20Object {
Uint8_t sn[6];//Ds18b20元件序列號
float temperature;//溫度數(shù)據(jù)
void (*SetBit)(Ds18b20PinValueType vBit);//寫數(shù)據(jù)位到DS18B20
uint8_t (*GetBit)(void);//從DS18B20讀取一位數(shù)據(jù)
void (*SetPinMode)(Ds18b20IOModeType mode);//設(shè)置DS18B20的數(shù)據(jù)引腳的輸入輸出模式
void (*Delayus)(volatile uint32_t nTime);       //延時us操作指針
}Ds18b20ObjectType;

2.1.2、對象初始化

我們知道，一個對象僅作聲明是不能使用的，我們需要先對其進行初始化，所以這里我們來考慮DS18B20溫度傳感器對象的初始化函數(shù)。一般來說，初始化函數(shù)需要處理幾個方面的問題。一是檢查輸入參數(shù)是否合理；二是為對象的屬性賦初值；三是對對象作必要的初始化配置。據(jù)此我們設(shè)計DS18B20溫度傳感器對象的初始化函數(shù)如下：

/*對DS18B20操作進行初始化*/
Ds18b20StatusType Ds18b20Initialization(Ds18b20ObjectType *ds18b20，
Ds18b20SetBitType setBit，
Ds18b20GetBitType getBit，
Ds18b20SetPinModeType pinDirection，
Ds18b20DelayType delayus)
{
if((ds18b20==NULL)||(setBit==NULL)||(getBit==NULL)||(delayus==NULL))
{
return DS18B20_InitialError;
}


ds18b20->SetBit=setBit;
ds18b20->GetBit=getBit;
ds18b20->Delayus=delayus;


if(pinDirection==NULL)
{
ds18b20->SetPinMode=SetPinModeDefault;
}
else
{
ds18b20->SetPinMode=pinDirection;
}


ds18b20->temperature=0.0;


  ResetDs18b20(ds18b20);
  if(PresenceDs18b20(ds18b20))
{
return DS18B20_NoResponse;
}


GetDs18b20SerialNumber(ds18b20);


return DS18B20_OK;
}

2.2、對象操作

我們已經(jīng)完成了DS18B20溫度傳感器對象類型的定義和對象初始化函數(shù)的設(shè)計。得到對象并非我們的目標，我們的主要目標是獲取對象的數(shù)據(jù)，接下來我們還要實現(xiàn)面向DS18B20溫度傳感器的各類操作。

2.2.1、初始化通訊

在單線總線上的所有事務(wù)都以初始化序列開始。初始化序列包括由主機發(fā)送的復(fù)位脈沖和從從設(shè)備（如DS18B20）發(fā)送的存在脈沖。存在脈沖讓總線主機知道從設(shè)備(例如DS18B20)在總線上并且準備好操作。復(fù)位和存在脈沖的操作時序如下圖：

其操作過程描述如下：

（1） 先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”。

（2） 延時（該時間要求的不是很嚴格，但是盡可能的短一點）

（3） 數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”。

（4） 延時750微秒（該時間的時間范圍可以從480到960微秒）。

（5） 數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”。

（6） 延時等待（如果初始化成功則在15到60微秒時間之內(nèi)產(chǎn)生一個由DS18B20所返回的低電平“0”。據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應(yīng)注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時控制）。

（7） 若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起（第（5）步的時間算起）最少要480微秒。

（8） 將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“1”后結(jié)束。

/*主機給從機發(fā)送復(fù)位脈沖*/
static void ResetDs18b20(Ds18b20ObjectType *ds18b20)
{
  /* 主機設(shè)置為推挽輸出*/
  ds18b20->SetPinMode(DS18B20_Out);
  /* 主機至少產(chǎn)生480us 的低電平復(fù)位信號*/
  ds18b20->SetBit(DS18B20_Reset);
  ds18b20->Delayus(550);
  /* 主機在產(chǎn)生復(fù)位信號后，需將總線拉高*/
  ds18b20->SetBit(DS18B20_Set);
  /*從機接收到主機的復(fù)位信號后，會在15~60us 后給主機發(fā)一個存在脈沖*/
  ds18b20->Delayus(15);
}
 
/*檢測從機給主機返回的存在脈沖 0：成功;1：失敗*/
static uint8_t PresenceDs18b20(Ds18b20ObjectType *ds18b20)
{
  uint8_t pulse_time = 0;
  /* 主機設(shè)置為上拉輸入*/
  ds18b20->SetPinMode(DS18B20_In);
 
  /* 等待存在脈沖的到來，存在脈沖為一個60~240us 的低電平信號*/
  /*如果存在脈沖沒有來則做超時處理，從機接收到主機的復(fù)位信號后，會在15~60us 后給主機發(fā)一個存在脈沖*/
  while( ds18b20->GetBit() && pulse_time<100 )
  {
    pulse_time++;
    ds18b20->Delayus(1);
  }


  /* 經(jīng)過100us 后，存在脈沖都還沒有到來*/
  if( pulse_time >=100 )
    return 1;
  else
    pulse_time = 0;
  /* 存在脈沖到來，且存在的時間不能超過240us*/
  while(!ds18b20->GetBit() && (pulse_time<240))
  {
    pulse_time++;
    ds18b20->Delayus(1);
  }
  if( pulse_time >=240 )
  {
    return 1;
  }
  else
  {
    return 0;
  }
}

2.2.2、寫操作

主機寫DS18B20有兩種類型的寫時時段：“寫1”時間段和“寫0”時間段?？偩€主機使用一個寫1時間段來將邏輯1寫入DS18B20，而一個寫0時間段來將邏輯0寫入DS18B20。所有寫時段必須至少60μs持續(xù)時間與個人之間的最小1μs復(fù)蘇的時間寫插槽。兩種類型的寫時間段都是由主控器將單線總線拉低來啟動的。其操作時序如下圖：

我們可以總結(jié)其操作過程如下：

（1） 數(shù)據(jù)線先置低電平“0”。

（2） 延時確定的時間為15微秒。

（3） 按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）。

（4） 延時時間為45微秒。

（5） 將數(shù)據(jù)線拉到高電平。

（6） 重復(fù)上（1）到（6）的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止。

（7） 最后將數(shù)據(jù)線拉高。

/*向DS18B20寫一個字節(jié)*/
static void WriteByteToDs1820(Ds18b20ObjectType *ds18b20，uint8_t commond)
{
  uint8_t i， testb;
  
  ds18b20->SetPinMode(DS18B20_Out);
  
  for(i=0; i<8; i++)
  {
    testb = commond&0x01;
    commond = commond>>1;
    // 寫0和寫1的時間至少要大于60us
    if (testb)
    {
      ds18b20->SetBit(DS18B20_Reset);
      // 1us < 這個延時 < 15us
      ds18b20->Delayus(10);
      ds18b20->SetBit(DS18B20_Set);
      ds18b20->Delayus(45);
    }
    else
    {
      ds18b20->SetBit(DS18B20_Reset);
      // 60us < Tx 0 < 120us
      ds18b20->Delayus(60);
      ds18b20->SetBit(DS18B20_Set);
      // 1us < Trec(恢復(fù)時間) < 無窮大
    }
    ds18b20->Delayus(2);
  }
}

2.2.3、讀操作

DS18B20只能在主機發(fā)出讀時段時將數(shù)據(jù)傳輸給主機。因此，主控機必須在發(fā)出read Scratchpad [BEh]或read Power Supply [B4h]命令后立即生成都時間段，以便DS18B20能夠提供所請求的數(shù)據(jù)。另外，在發(fā)出Convert T [44h]或Recall E2 [B8h]命令后，主機可以生成讀時間段，以查看操作的狀態(tài)，具體操作如下列時序圖：

對上述描述和時序圖我們可以得到相關(guān)的讀操作步驟：

（1）將數(shù)據(jù)線拉高“1”。

（2）延時2微秒。

（3）將數(shù)據(jù)線拉低“0”。

（4）延時3微秒。

（5）將數(shù)據(jù)線拉高“1”。

（6）延時5微秒。

（7）讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個狀態(tài)位，并進行數(shù)據(jù)處理。

（8）延時60微秒。

/*從DS18B20讀取一個位，返回值：1/0*/
static uint8_t ReadBitFromDs18b20(Ds18b20ObjectType *ds18b20)
{
  uint8_t data;
  
  ds18b20->SetPinMode(DS18B20_Out);
  ds18b20->SetBit(DS18B20_Reset);
  ds18b20->Delayus(2);
  ds18b20->SetBit(DS18B20_Set);
  ds18b20->SetPinMode(DS18B20_In);
  ds18b20->Delayus(12);
  data=ds18b20->GetBit();
  ds18b20->Delayus(50);
  return data;
}

3、驅(qū)動的使用

我們已經(jīng)設(shè)計并實現(xiàn)了DS18B20溫度傳感器的驅(qū)動程序。我們還需要基于這一驅(qū)動程序設(shè)計一個簡單的應(yīng)用來驗證其是否正確。

3.1、聲明并初始化對象

使用基于對象的操作我們需要先得到這個對象，所以我們先要使用前面定義的DS18B20溫度傳感器對象類型聲明一個DS18B20溫度傳感器對象變量，具體操作格式如下：

Ds18b20ObjectType ds18b20;

我們雖然聲明了這個對象變量，但還不能立即使用。我們還需要使用驅(qū)動中定義的初始化函數(shù)對這個變量進行初始化。這個初始化函數(shù)所需要的輸入?yún)?shù)如下：

Ds18b20ObjectType *ds18b20，被初始化的對象變量

Ds18b20SetBitType setBit，向總線寫一位操作

Ds18b20GetBitType getBit，從總線讀一位操作

Ds18b20SetPinModeType pinDirection，總線輸入輸出模式控制

Ds18b20DelayType delayus，為秒延時操作

對于這些參數(shù)，對象變量我們已經(jīng)定義了。主要的是我們需要定義幾個函數(shù)，并將函數(shù)指針作為參數(shù)。這幾個函數(shù)的類型如下：

/*寫數(shù)據(jù)位到DS18B20*/
typedef void (*Ds18b20SetBitType)(Ds18b20PinValueType vBit);


/*從DS18B20讀取一位數(shù)據(jù)*/
typedefuint8_t (*Ds18b20GetBitType)(void);


/*設(shè)置DS18B20的數(shù)據(jù)引腳的輸入輸出模式*/
typedef void (*Ds18b20SetPinModeType)(Ds18b20IOModeType mode);


/* 定義延時操作函數(shù)指針類型 */
typedef void (*Ds18b20DelayType)(volatile uint32_t nTime);

對于這幾個函數(shù)我們根據(jù)樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬件平臺有關(guān)系。具體函數(shù)定義如下：

//設(shè)置DS18B20引腳的輸出值
void Ds18b20SetPinOutValue(Ds18b20PinValueType setValue)
{
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB，GPIO_PIN_11，(GPIO_PinState)setValue);
}
 
//讀取引腳電平
uint8_t Ds18b20ReadPinBit(void)
{
  return (uint8_t)HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB，GPIO_PIN_11);
}
 
//設(shè)置引腳的輸入輸出方向
void Ds18b20SetPinMode(Ds18b20IOModeType mode)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_11;
  if(mode==DS18B20_In)
  {  
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  }
  else
  {  
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  }  
  HAL_GPIO_Init(GPIOB， &GPIO_InitStruct);
}

對于延時函數(shù)我們可以采用各種方法實現(xiàn)。我們采用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函數(shù)。于是我們可以調(diào)用初始化函數(shù)如下：

Ds18b20Initialization(&ds18b20，Ds18b20SetPinOutValue，Ds18b20ReadPinBit，Ds18b20SetPinMode，Delayus);

3.2、基于對象進行操作

我們定義了對象變量并使用初始化函數(shù)給其作了初始化。接著我們就來考慮操作這一對象獲取我們想要的數(shù)據(jù)。我們在驅(qū)動中已經(jīng)將獲取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換值的比例值，接下來我們使用這一驅(qū)動開發(fā)我們的應(yīng)用實例。

/*獲取數(shù)據(jù)值*/
void GetMeasureDataFromDHT11(void)
{
  float temperature;//溫度值
  GetDS18b20TemperatureValue(&ds18b20);
  temperature=ds18b20.temperature;
}

4、應(yīng)用總結(jié)

我們實現(xiàn)了DS18B20溫度傳感器的驅(qū)動程序，并基于這一驅(qū)動程序設(shè)計了簡單的應(yīng)用程序。我們也成功獲得了溫度數(shù)據(jù)，充分說明我們的驅(qū)動設(shè)計是正確的。事實上，在我們的項目中多次使用DS18B20溫度傳感器，這一驅(qū)動也是多次被使用到，結(jié)果令人滿意。

單總線數(shù)據(jù)傳輸時，會改變總線的輸入輸出方向。在我們的應(yīng)用中，我們修改了對應(yīng)GPIO引腳的輸入輸出模式。事實上如果我們在STM32中使用時，我們可將該引腳配置為開漏輸出模式，加上總線的上拉電阻，可以在不修改GPIO的輸入輸出模式的情況下實現(xiàn)讀寫。

使用驅(qū)動時需要注意，本驅(qū)動程序只考慮了總線上只有一個DS18B20的情況。在一條總線上有多個DS18B20溫度傳感器時，當前的驅(qū)動程序是不能夠?qū)崿F(xiàn)操作的，需要對驅(qū)動作相應(yīng)修改。