1-Wire總線的基本通信協(xié)議與多點(diǎn)測溫系統(tǒng)仿真實(shí)例分析

1、1-Wire總線的基本通信協(xié)議

作為一種單主機(jī)多從機(jī)的總線系統(tǒng)，在一條1-Wire總線上可掛接的從器件數(shù)量幾乎不受限制。為了不引起邏輯上的沖突，所有從器件的1-Wire總線接口都是漏極開路的，因此在使用時(shí)必須對總線外加上拉電阻（一般取5kΩ左右）。主機(jī)對1-Wire總線的基本操作分為復(fù)位、讀和寫三種，其中所有的讀寫操作均為低位在前高位在后。復(fù)位、讀和寫是1-Wire總線通信的基礎(chǔ)，下面通過具體程序詳細(xì)介紹這3種操作的時(shí)序要求。（程序中DQ代表1-Wire總線，定義為P1.0，uchar定義為unsigned char）

1 1-Wire總線的復(fù)位

復(fù)位是1-Wire總線通信中最為重要的一種操作，在每次總線通信之前主機(jī)必須首先發(fā)送復(fù)位信號。如程序1.1所示，產(chǎn)生復(fù)位信號時(shí)主機(jī)首先將總線拉低480～960μs然后釋放，由于上拉電阻的存在，此時(shí)總線變?yōu)楦唠娖健?-Wire總線器件在接收到有效跳變的15～60μs內(nèi)會(huì)將總線拉低60～240μs，在此期間主機(jī)可以通過對DQ采樣來判斷是否有從器件掛接在當(dāng)前總線上。函數(shù)Reset（）的返回值為0表示有器件掛接在總線上，返回值為1表示沒有器件掛接在總線上。

程序1.1 總線復(fù)位

uchar Reset（void）

{

uchar tdq;

DQ=0; //主機(jī)拉低總線

delay480μs（）; //等待480μs

DQ=1; //主機(jī)釋放總線

delay60μs（）; //等待60μs

tdq=DQ; //主機(jī)對總線采樣

delay480μs（）; //等待復(fù)位結(jié)束

return tdq; //返回采樣值

}

2、 1-Wire總線的寫操作

由于只有一條I/O線，主機(jī)1-Wire總線的寫操作只能逐位進(jìn)行，連續(xù)寫8次即可寫入總線一個(gè)字節(jié)。如程序1.2所示，當(dāng)MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為12MHz時(shí)，程序中的語句_nop_（）;可以產(chǎn)生1μs的延時(shí)，調(diào)用此函數(shù)時(shí)需包含頭文件“intrins.h”。向1-Wire總線寫1bit至少需要60μs，同時(shí)還要保證兩次連續(xù)的寫操作有1μs以上的間隔。若待寫位wbit為0則主機(jī)拉低總線60μs然后釋放，寫0操作完成。若待寫位wbit為1，則主機(jī)拉低總線并在1～15μs內(nèi)釋放，然后等待60μs，寫1操作完成。

程序1.2 向總線寫1bit

void Writebit（uchar wbit）

{

_nop_（）;

//保證兩次寫操作間隔1μs以上

DQ=0;

_nop_（）;

//保證主機(jī)拉低總線1μs以上

if（wbit）

{

//向總線寫1

DQ=1;

delay60μs（）;

}

else

{

//向總線寫0

delay60μs（）;

DQ=1;

}

}

3、 1-Wire總線的讀操作

與寫操作類似，主機(jī)對1-Wire總線的讀操作也只能逐位進(jìn)行，連續(xù)讀8次，即可讀入主機(jī)一個(gè)字節(jié)。從1-Wire總線讀取1bit同樣至少需要60μs，同時(shí)也要保證兩次連續(xù)的讀操作間隔1μs以上。如程序1.3所示，從總線讀數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)首先拉低總線1μs以上然后釋放，在釋放總線后的1～15μs內(nèi)主機(jī)對總線的采樣值即為讀取到的數(shù)據(jù)。

程序1.3 從總線讀1bit

uchar Readbit（）

{

uchar tdq;

_nop_（）;

//保證兩次連續(xù)寫操作間隔1μs以上

DQ=0;

_nop_（）;

//保證拉低總線的時(shí)間不少于1μs

DQ=1;

_nop_（）;

tdq=DQ;

//主機(jī)對總線采樣

delay60μs（）;

//等待讀操作結(jié)束

return tdq;

//返回讀取到的數(shù)據(jù)

}

數(shù)字溫度傳感器DS18B20

1 DS18B20的基本特性

● 采用1-Wire總線接口，可以方便實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。

● 與主機(jī)連接方便，除5kΩ的總線上拉電阻外無須其他額外器件。

● 電源電壓范圍為3.0～5.5V，與3.3V和5V數(shù)字系統(tǒng)均可很好地兼容。

● 測量范圍為-55～+125℃，分辨率為9～12位可編程。

● 通過編程可設(shè)置溫度報(bào)警上下限，設(shè)置值掉電不丟失。

● 內(nèi)部集成了用于器件尋址的64bit光刻ROM編碼。

2 DS18B20中的存儲(chǔ)器

在DS18B20中共有三種存儲(chǔ)器，分別是ROM、RAM、EEPROM，每種存儲(chǔ)器都有其特定的功能，可查閱相關(guān)資料。

3 1-Wire總線ROM功能命令

在DS18B20內(nèi)部光刻了一個(gè)長度為64bit的ROM編碼，這個(gè)編碼是器件的身份識(shí)別標(biāo)志。當(dāng)總線上掛接著多個(gè)DS18B20時(shí)可以通過ROM編碼對特定器件進(jìn)行操作。ROM功能命令是針對器件的ROM編碼進(jìn)行操作的命令，共有5個(gè)，長度均為8bit（1Byte）。

①讀ROM（33H）

當(dāng)掛接在總線上的1-Wire總線器件接收到此命令時(shí)，會(huì)在主機(jī)讀操作的配合下將自身的ROM編碼按由低位到高位的順序依次發(fā)送給主機(jī)。總線上掛接有多個(gè)DS18B20時(shí)，此命令會(huì)使所有器件同時(shí)向主機(jī)傳送自身的ROM編碼，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)的沖突。

②匹配ROM（55H）

主機(jī)在發(fā)送完此命令后，必須緊接著發(fā)送一個(gè)64bit的ROM編碼，與此ROM編碼匹配的從器件會(huì)響應(yīng)主機(jī)的后續(xù)命令，而其他從器件則處于等待狀態(tài)。該命令主要用于選擇總線上的特定器件進(jìn)行訪問。

③跳過ROM（CCH）

發(fā)送此命令后，主機(jī)不必提供ROM編碼即可對從器件進(jìn)行訪問。與讀ROM命令類似，該命令同樣只適用于單節(jié)點(diǎn)的1-Wire總線系統(tǒng)，當(dāng)總線上有多個(gè)器件掛接時(shí)會(huì)引起數(shù)據(jù)的沖突。

④查找ROM（F0H）

當(dāng)主機(jī)不知道總線上器件的ROM編碼時(shí)，可以使用此命令并配合特定的算法查找出總線上從器件的數(shù)量和各個(gè)從器件的ROM編碼。

⑤報(bào)警查找（ECH）

此命令用于查找總線上滿足報(bào)警條件的DS18B20，通過報(bào)警查找命令并配合特定的查找算法，可以查找出總線上滿足報(bào)警條件的器件數(shù)目和各個(gè)器件的ROM編碼。

4 、DS18B20器件功能命令

與1-Wire總線相關(guān)的命令分為ROM功能命令和器件功能命令兩種，ROM功能命令具有通用性，不僅適用于DS18B20也適用于其他具有1-Wire總線接口的器件，主要用于器件的識(shí)別與尋址；器件功能命令具有專用性，它們與器件的具體功能緊密相關(guān)。下面是DS18B20的器件功能命令。

①啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換（44H）

該命令發(fā)送完成后，主機(jī)可以通過調(diào)用Readbit（）函數(shù)判斷溫度轉(zhuǎn)換是否完成，若Readbit（）的返回值為0則表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，若Readbit（）的返回值為1則表示轉(zhuǎn)換完成。

②讀RAM（BEH）

該命令發(fā)送完成后，主機(jī)可以通過調(diào)用Readbit（）函數(shù)將DS18B20中RAM的內(nèi)容從低位到高位依次讀出。

③寫RAM（4EH）

該命令發(fā)出后，主機(jī)隨后寫入1-Wire總線的3字節(jié)將依次被存儲(chǔ)到DS18B20的報(bào)警上限、報(bào)警下限和配置寄存器中。

④復(fù)制RAM（48H）

該命令會(huì)將DS18B20的報(bào)警上限、報(bào)警下限和配置寄存器中的內(nèi)容復(fù)制到EEPROM中。該命令發(fā)出后，主機(jī)可以通過調(diào)用Readbit（）函數(shù)判斷復(fù)制操作是否完成，若Readbit（）的返回值為1，則表示復(fù)制操作完成。

⑤回讀EEPROM（B8H）

該命令會(huì)將存儲(chǔ)在EEPROM中的報(bào)警上限、報(bào)警下限和配置寄器的內(nèi)容回讀到RAM中，主機(jī)可以通過調(diào)用Readbit（）函數(shù)判斷回讀操作是否完成，若Readbit（）的返回值為1則表示回讀操作完成。DS18B20在上電時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行一次回讀操作。

5、 主機(jī)與DS18B20的通信流程

如圖1所示，主機(jī)通過1-Wire總線接口對DS18B20的每次訪問都以復(fù)位信號和ROM功能命令開始，訪問的結(jié)束位置是不確定的，這與具體的功能命令相關(guān)。圖中圓角矩形中的操作與主機(jī)發(fā)送的功能命令相對應(yīng)，隨著功能命令的不同圓角矩形中的操作有時(shí)可以被省略。對總線上的DS18B20來說，復(fù)位信號意味著又一次通信的開始，器件對此的響應(yīng)是拉低總線以告知主機(jī)自身的存在，然后準(zhǔn)備接收ROM功能命令。

多點(diǎn)測溫系統(tǒng)仿真實(shí)例

DS18B20是一種比較廉價(jià)的溫度傳感器，其封封裝形式如圖2所示。在Proteus中包含有DS18B20的仿真模型，這使得相關(guān)程序的調(diào)試變得簡單方便。下面以一個(gè)實(shí)例介紹用Proteus仿真多點(diǎn)測溫系統(tǒng)的步驟。

① 繪制仿真原理圖

如圖3所示，在本實(shí)例中以單片機(jī)AT89C52和8個(gè)DS18B20構(gòu)成了一個(gè)多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。為了有足夠的空間存儲(chǔ)各個(gè)DS18B20的ROM編碼和溫度值，在實(shí)例中用一片8KB的SRAM芯片6116對單片機(jī)的RAM進(jìn)行了擴(kuò)展。

②設(shè)置DS18B20仿真模型的屬性

首先右擊選中protues編輯區(qū)中的DS18B20仿真模型然后再左擊，此時(shí)彈出如圖4所示的屬性設(shè)置對話框。其中，F(xiàn)amily Code是器件的家族碼，對于DS18B20來說是28H。ROM Serial Number對應(yīng)于器件的48bit序列號，格式為十六進(jìn)制，在填寫過程中要保證同一條1-Wire總線上所有仿真模型的ROM Serial Number都不相同。Automatic SerializatiON設(shè)置為No時(shí)仿真模型將使用ROM Serial Number中的序列號，設(shè)置為Yes時(shí)模型的序列號將由仿真環(huán)境自動(dòng)生成，在此設(shè)置為Yes，這樣可以免去手動(dòng)修改ROM Serial Number的麻煩。Current Value中是仿真模型當(dāng)前的溫度值。Cranularity中是單擊仿真模型的溫度值增減按鈕時(shí)溫度值的改變量，在此設(shè)置為1.1。其他選項(xiàng)保持默認(rèn)即可。單擊OK按鈕，設(shè)置完成。

③編制源程序

主機(jī)是通過Reset（）、Readbit（）、Writebit（）三種基本操作與1-Wire總線進(jìn)行通信的，只要這三個(gè)函數(shù)的時(shí)序準(zhǔn)確，那么對于有一定C語言編程基礎(chǔ)的用戶來說程序其他部分的編寫將不是難事，按照前面介紹的流程向總線發(fā)送功能命令并進(jìn)行相應(yīng)讀寫操作即可。多點(diǎn)測溫系統(tǒng)編程的難點(diǎn)在于器件的查找，系統(tǒng)上電時(shí)主機(jī)首先要查找總線上掛接著多少個(gè)1-Wire器件并將各個(gè)器件的ROM編碼讀入單片機(jī)的RAM中，這需要一套復(fù)雜的算法，限于篇幅關(guān)于此算法在此不再詳述。本仿真實(shí)例大體工作過程如圖3右下角注釋部分所示，“查找總線上所有器件的ROM編碼并存儲(chǔ)”這一步可以由uchar B20ReadROM（uchar B20ROM［］函數(shù)完成，該函數(shù)的返回值是查找到的器件數(shù)目，各個(gè)器件的ROM編碼將存儲(chǔ)在二維數(shù)組B20ROM［］中。

“統(tǒng)一開始溫度轉(zhuǎn)換”的通信流程為：發(fā)送復(fù)位信號；發(fā)送跳過ROM（CCH）命令；發(fā)送啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換（44H）命令。

“逐器件讀取溫度值”的通信流程為：發(fā)送復(fù)位信號；發(fā)送匹配ROM（55H）命令；發(fā)送第i（i=0～7）個(gè)器件的ROM編碼；發(fā)送讀RAM（BEH）命令；讀取2字節(jié)，其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，讀取到的值符合溫度值數(shù)據(jù)格式。

④在Proteus中添加監(jiān)視變量

為了檢驗(yàn)程序運(yùn)行的正確與否，通常的做法是將運(yùn)行結(jié)果通過單片機(jī)的UART接口輸出到虛擬終端上，這種方法的缺點(diǎn)是會(huì)占用一定的單片機(jī)資源，在此介紹另外一種程序調(diào)試技巧——監(jiān)視變量。在Proteus的運(yùn)行狀態(tài)下點(diǎn)擊Debug→Watch Window會(huì)彈出監(jiān)視窗口（Watch Window），然后按下Alt+A鍵會(huì)彈出如圖5所示的添加存儲(chǔ)器條目對話框（Add Memory Item）。所謂監(jiān)視變量也就是監(jiān)視相應(yīng)存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容，圖5中

Memory用于選擇待監(jiān)視變量所在的存儲(chǔ)器；Name用于填寫變量名稱，為了含義清晰該名稱最好與源程序中定義的變量名稱一致；Address用于填寫待監(jiān)視變量的地址；Data Type和Display Fomat用于設(shè)置數(shù)據(jù)格式和顯示格式。設(shè)置完成后單擊Add按鈕即可添加一個(gè)監(jiān)視變量。在本實(shí)例中將測量到的溫度值轉(zhuǎn)化成ACSLL碼字符串的格式存儲(chǔ)在二維數(shù)組TempBuffer中，因此Data Type選擇為ASCLLZ STring，Watch Window的最終結(jié)果如圖6所示。Value一欄中顯示的即為8個(gè)DS18B20測量到的溫度值，單擊仿真模型的溫度增減按鈕溫度值的改變會(huì)自動(dòng)映射在Watch Window中。

圖6中TempBuffer［i］（i=0～7）的地址在Keil中可以按以下步驟得到：

● 單擊Keil工具欄中的按鈕，進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)。

● 通過View→Output Window菜單調(diào)出Keil的Output Window，并選中Command標(biāo)簽。

● 在Output Window的命令輸入?yún)^(qū)輸入TempBuffer［i］然后回車即可得到TempBuffer［i］的地址，在本實(shí)例中i=0～7。對于非數(shù)組類型的變量在輸入時(shí)需要在變量名前加取地址符號&，如圖7所示。

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