1-Wire總線(xiàn)與DS18B20應用仿真(圖)

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

　　1 1-Wire總線(xiàn)的復位

　　復位是1-Wire總線(xiàn)通信中最為重要的一種操作，在每次總線(xiàn)通信之前主機必須首先發(fā)送復位信號。如程序1.1所示，產(chǎn)生復位信號時(shí)主機首先將總線(xiàn)拉低480～960μs然后釋放，由于上拉電阻的存在，此時(shí)總線(xiàn)變?yōu)楦唠娖健?-Wire總線(xiàn)器件在接收到有效跳變的15～60μs內會(huì )將總線(xiàn)拉低60～240μs，在此期間主機可以通過(guò)對DQ采樣來(lái)判斷是否有從器件掛接在當前總線(xiàn)上。函數Reset（）的返回值為0表示有器件掛接在總線(xiàn)上，返回值為1表示沒(méi)有器件掛接在總線(xiàn)上。

　　程序1.1 總線(xiàn)復位

　　uchar Reset(void)

　　{

　　uchar tdq;

　　DQ=0; //主機拉低總線(xiàn)

　　delay480μs(); //等待480μs

　　DQ=1; //主機釋放總線(xiàn)

　　delay60μs(); //等待60μs

　　tdq=DQ; //主機對總線(xiàn)采樣

　　delay480μs(); //等待復位結束

　　return tdq; //返回采樣值

　　}

　　2 1-Wire總線(xiàn)的寫(xiě)操作

　　由于只有一條I/O線(xiàn)，主機1-Wire總線(xiàn)的寫(xiě)操作只能逐位進(jìn)行，連續寫(xiě)8次即可寫(xiě)入總線(xiàn)一個(gè)字節。如程序1.2所示，當MCS-51單片機的時(shí)鐘頻率為12MHz時(shí)，程序中的語(yǔ)句_nop_();可以產(chǎn)生1μs的延時(shí)，調用此函數時(shí)需包含頭文件“intrins.h”。向1-Wire總線(xiàn)寫(xiě)1bit至少需要60μs，同時(shí)還要保證兩次連續的寫(xiě)操作有1μs以上的間隔。若待寫(xiě)位wbit為0則主機拉低總線(xiàn)60μs然后釋放，寫(xiě)0操作完成。若待寫(xiě)位wbit為1，則主機拉低總線(xiàn)并在1～15μs內釋放，然后等待60μs，寫(xiě)1操作完成。

　　程序1.2 向總線(xiàn)寫(xiě)1bit

　　void Writebit(uchar wbit)

　　{

　　_nop_();

　　//保證兩次寫(xiě)操作間隔1μs以上

　　DQ=0;

　　_nop_();

　　//保證主機拉低總線(xiàn)1μs以上

　　if(wbit)

　　{

　　//向總線(xiàn)寫(xiě)1

　　DQ=1;

　　delay60μs();

　　}

　　else

　　{

　　//向總線(xiàn)寫(xiě)0

　　delay60μs();

　　DQ=1;

　　}

　　}

　　3 1-Wire總線(xiàn)的讀操作

　　與寫(xiě)操作類(lèi)似，主機對1-Wire總線(xiàn)的讀操作也只能逐位進(jìn)行，連續讀8次，即可讀入主機一個(gè)字節。從1-Wire總線(xiàn)讀取1bit同樣至少需要60μs，同時(shí)也要保證兩次連續的讀操作間隔1μs以上。如程序1.3所示，從總線(xiàn)讀數據時(shí)，主機首先拉低總線(xiàn)1μs以上然后釋放，在釋放總線(xiàn)后的1～15μs內主機對總線(xiàn)的采樣值即為讀取到的數據。

　　程序1.3 從總線(xiàn)讀1bit

　　uchar Readbit()

　　{

　　uchar tdq;

　　_nop_();

　　//保證兩次連續寫(xiě)操作間隔1μs以上

　　DQ=0;

　　_nop_();

　　//保證拉低總線(xiàn)的時(shí)間不少于1μs

　　DQ=1;

　　_nop_();

　　tdq=DQ;

　　//主機對總線(xiàn)采樣

　　delay60μs();

　　//等待讀操作結束

　　return tdq;

　　//返回讀取到的數據

　　}

　　數字溫度傳感器DS18B20

　　1 DS18B20的基本特性

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

　　● 與主機連接方便，除5kΩ的總線(xiàn)上拉電阻外無(wú)須其他額外器件。

　　● 電源電壓范圍為3.0～5.5V，與3.3V和5V數字系統均可很好地兼容。

　　● 測量范圍為-55～+125℃，分辨率為9～12位可編程。

　　● 通過(guò)編程可設置溫度報警上下限，設置值掉電不丟失。

　　● 內部集成了用于器件尋址的64bit光刻ROM編碼。

　　2 DS18B20中的存儲器

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

　　3 1-Wire總線(xiàn)ROM功能命令

　　在DS18B20內部光刻了一個(gè)長(cháng)度為64bit的ROM編碼，這個(gè)編碼是器件的身份識別標志。當總線(xiàn)上掛接著(zhù)多個(gè)DS18B20時(shí)可以通過(guò)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(cháng)度均為8bit（1Byte）。

　?、僮xROM(33H)

　　當掛接在總線(xiàn)上的1-Wire總線(xiàn)器件接收到此命令時(shí)，會(huì )在主機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?？偩€(xiàn)上掛接有多個(gè)DS18B20時(shí)，此命令會(huì )使所有器件同時(shí)向主機傳送自身的ROM編碼，這將導致數據的沖突。

　?、谄ヅ銻OM(55H)

　　主機在發(fā)送完此命令后，必須緊接著(zhù)發(fā)送一個(gè)64bit的ROM編碼，與此ROM編碼匹配的從器件會(huì )響應主機的后續命令，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(xiàn)上的特定器件進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

　?、厶^(guò)ROM(CCH)

　　發(fā)送此命令后，主機不必提供ROM編碼即可對從器件進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。與讀ROM命令類(lèi)似，該命令同樣只適用于單節點(diǎn)的1-Wire總線(xiàn)系統，當總線(xiàn)上有多個(gè)器件掛接時(shí)會(huì )引起數據的沖突。

　?、懿檎襌OM(F0H)

　　當主機不知道總線(xiàn)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(xiàn)上從器件的數量和各個(gè)從器件的ROM編碼。

　?、輬缶檎?ECH)

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

　　4 DS18B20器件功能命令

　　與1-Wire總線(xiàn)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(xiàn)接口的器件，主要用于器件的識別與尋址；器件功能命令具有專(zhuān)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。

　?、賳?dòng)溫度轉換(44H)

　　該命令發(fā)送完成后，主機可以通過(guò)調用Readbit()函數判斷溫度轉換是否完成，若Readbit()的返回值為0則表示轉換正在進(jìn)行，若Readbit()的返回值為1則表示轉換完成。

　?、谧xRAM(BEH)

　　該命令發(fā)送完成后，主機可以通過(guò)調用Readbit()函數將DS18B20中RAM的內容從低位到高位依次讀出。

　?、蹖?xiě)RAM(4EH)

　　該命令發(fā)出后，主機隨后寫(xiě)入1-Wire總線(xiàn)的3字節將依次被存儲到DS18B20的報警上限、報警下限和配置寄存器中。

　?、軓椭芌AM(48H)

　　該命令會(huì )將DS18B20的報警上限、報警下限和配置寄存器中的內容復制到EEPROM中。該命令發(fā)出后，主機可以通過(guò)調用Readbit()函數判斷復制操作是否完成，若Readbit()的返回值為1，則表示復制操作完成。

　?、莼刈xEEPROM(B8H)

　　該命令會(huì )將存儲在EEPROM中的報警上限、報警下限和配置寄器的內容回讀到RAM中，主機可以通過(guò)調用Readbit()函數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。

　　圖1 主機與DS18B20的通信流程圖

　　5 主機與DS18B20的通信流程

　　如圖1所示，主機通過(guò)1-Wire總線(xiàn)接口對DS18B20的每次訪(fǎng)問(wèn)都以復位信號和ROM功能命令開(kāi)始，訪(fǎng)問(wèn)的結束位置是不確定的，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發(fā)送的功能命令相對應，隨著(zhù)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(xiàn)上的DS18B20來(lái)說(shuō)，復位信號意味著(zhù)又一次通信的開(kāi)始，器件對此的響應是拉低總線(xiàn)以告知主機自身的存在，然后準備接收ROM功能命令。

　　多點(diǎn)測溫系統仿真實(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)程序的調試變得簡(jiǎn)單方便。下面以一個(gè)實(shí)例介紹用Proteus仿真多點(diǎn)測溫系統的步驟。

　　圖2 DS18B20封裝形式

　?、?繪制仿真原理圖

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

　?、谠O置DS18B20仿真模型的屬性

　　首先右擊選中protues編輯區中的DS18B20仿真模型然后再左擊，此時(shí)彈出如圖4所示的屬性設置對話(huà)框。其中，Family Code是器件的家族碼，對于DS18B20來(lái)說(shuō)是28H。ROM Serial Number對應于器件的48bit序列號，格式為十六進(jìn)制，在填寫(xiě)過(guò)程中要保證同一條1-Wire總線(xiàn)上所有仿真模型的ROM Serial Number都不相同。Automatic Serialization設置為No時(shí)仿真模型將使用ROM Serial Number中的序列號，設置為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，在此設置為1.1。其他選項保持默認即可。單擊OK按鈕，設置完成。

　　圖3 多點(diǎn)測溫系統仿真原理圖

　?、劬幹圃闯绦?/P>

　　主機是通過(guò)Reset()、Readbit()、Writebit()三種基本操作與1-Wire總線(xiàn)進(jìn)行通信的，只要這三個(gè)函數的時(shí)序準確，那么對于有一定C語(yǔ)言編程基礎的用戶(hù)來(lái)說(shuō)程序其他部分的編寫(xiě)將不是難事，按照前面介紹的流程向總線(xiàn)發(fā)送功能命令并進(jìn)行相應讀寫(xiě)操作即可。多點(diǎn)測溫系統編程的難點(diǎn)在于器件的查找，系統上電時(shí)主機首先要查找總線(xiàn)上掛接著(zhù)多少個(gè)1-Wire器件并將各個(gè)器件的ROM編碼讀入單片機的RAM中，這需要一套復雜的算法，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(guò)程如圖3右下角注釋部分所示，“查找總線(xiàn)上所有器件的ROM編碼并存儲”這一步可以由uchar B20ReadROM(uchar B20ROM[]函數完成，該函數的返回值是查找到的器件數目，各個(gè)器件的ROM編碼將存儲在二維數組B20ROM[]中。

　　圖4 DS18B20仿真模型屬性設置

　　“統一開(kāi)始溫度轉換”的通信流程為：發(fā)送復位信號；發(fā)送跳過(guò)ROM(CCH)命令；發(fā)送啟動(dòng)溫度轉換(44H)命令。

　　“逐器件讀取溫度值”的通信流程為：發(fā)送復位信號；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，其中低字節在前，高字節在后，讀取到的值符合溫度值數據格式。

　?、茉赑roteus中添加監視變量

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

　　圖5 添加存儲器條目對話(huà)框

　　Memory用于選擇待監視變量所在的存儲器；Name用于填寫(xiě)變量名稱(chēng)，為了含義清晰該名稱(chēng)最好與源程序中定義的變量名稱(chēng)一致；Address用于填寫(xiě)待監視變量的地址；Data Type和Display Fomat用于設置數據格式和顯示格式。設置完成后單擊Add按鈕即可添加一個(gè)監視變量。在本實(shí)例中將測量到的溫度值轉化成ACSLL碼字符串的格式存儲在二維數組TempBuffer中，因此Data Type選擇為ASCLLZ String，Watch Window的最終結果如圖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 監視窗口

　　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)入調試狀態(tài)。

　　● 通過(guò)View→Output Window菜單調出Keil的Output Window，并選中Command標簽。

　　● 在Output Window的命令輸入區輸入TempBuffer[i]然后回車(chē)即可得到TempBuffer[i]的地址，在本實(shí)例中i=0～7。對于非數組類(lèi)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。