內(nèi)容提要

一線總線時序分析及應(yīng)用

10.4一線總線時序分析應(yīng)用 代表產(chǎn)品是溫度傳感器和ID碼芯片。特點(diǎn)如下： （1）一線傳輸。數(shù)據(jù)線和串行時鐘線合并，統(tǒng)稱DQ線，為數(shù)據(jù)數(shù)輸入/輸出端。 （2）單主機(jī)，外圍接口器件都是從器件。 （3）總線中的從器件采用器件地址編碼方法。每個器件唯一的64位串行碼，用于主機(jī)對從器件識別和尋址。 （4）一線總線時序中有嚴(yán)格的時間參數(shù)，對時間操作的精度要求很高。10.4.1DS18B20簡介

1.DS18B20的一般特性 （1）工作電壓范圍3~5V，并可通過數(shù)據(jù)線對器件供電。 （2）溫度測量范圍為－55℃~+125℃。在－10℃~+85℃范圍內(nèi)，保證±0.5℃的測量精度；整個測量范圍內(nèi)，保證±2℃的測量精度。其測量結(jié)果可選擇9位或12位轉(zhuǎn)換輸出。 （3）溫度轉(zhuǎn)換速度：12位數(shù)字轉(zhuǎn)換時間為750ms。 （4）具有溫度報警功能，可長期保存報警溫度的設(shè)置值，掉電不丟失。

（5）64位串行地址編碼，用于系統(tǒng)主機(jī)對其識別與通信。2.DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10-17所示。18B20主要由一線接口和64位ROM、寄存器組和控制電路、溫度傳感器和CRC（循環(huán)校驗(yàn)碼產(chǎn)生器）等4個部分組成。器件外部只有DQ（數(shù)據(jù)傳送線）、VDD和GND三個管腳。1）DS18B20內(nèi)部存儲器布局

18B20內(nèi)部存儲器布局如圖10-18所示。分為兩個區(qū)，圖中左邊9個SRAM單元，稱為暫存寄存器，括號內(nèi)的數(shù)據(jù)為18B20的上電復(fù)位值。 圖右側(cè)3個非易失性（EEPROM）存儲單元。由于TH和TL及芯片配置寄存器與18B20的工作任務(wù)有關(guān)，需要長期保存。它們的內(nèi)容（出廠值或用戶設(shè)定值），決定了圖中左邊暫存寄存器組中第2、3、4字節(jié)的內(nèi)容。2）轉(zhuǎn)換溫度寄存器格式

DS18B20的轉(zhuǎn)換溫度存于其內(nèi)部的轉(zhuǎn)換溫度寄存器中，其格式如圖10-19所示。

當(dāng)溫度為負(fù)值時，輸出值以補(bǔ)碼的形式輸出，表10-11為典型溫度的對應(yīng)輸出值。DS18B20上電復(fù)位時轉(zhuǎn)換溫度寄存器的內(nèi)容為0550H即85℃。

當(dāng)溫度為負(fù)值時，輸出值以補(bǔ)碼的形式輸出，表10-11為典型溫度的對應(yīng)輸出值。DS18B20上電復(fù)位時轉(zhuǎn)換溫度寄存器的內(nèi)容為0550H即85℃。 例如，溫度轉(zhuǎn)換值為191H=0000000110010001B

則檢測到的溫度值為+24+23+20+2-4=25.0625℃

又如，溫度轉(zhuǎn)換值為FF5EH=1111111101011110B

求補(bǔ)碼：0000000010100001+1=0000000010100010

則檢測到的溫度值為-（23+21+2-3）=-10.125℃

3）

TH和TL觸發(fā)寄存器

18B20的溫度報警功能是通過設(shè)置其內(nèi)部TH和TL觸發(fā)寄存器實(shí)現(xiàn)的。他們存儲用戶設(shè)定的報警溫度上、下限值。TH和TL觸發(fā)寄存器的數(shù)據(jù)格式相同，如圖10-20所示。圖中的“S”位為報警標(biāo)志位，當(dāng)S=1時，表示被測溫度超出了設(shè)定的報警溫度上或下限值。

DS18B20每次完成溫度轉(zhuǎn)換后，與TH和TL觸發(fā)寄存器的內(nèi)容進(jìn)行比較，當(dāng)測得的溫度超出用戶設(shè)定的報警溫度上或下限值時，“S”位被置“1”。如在下一次溫度轉(zhuǎn)換后，溫度不超限，則“S”位被自動復(fù)位。

4）DS18B20的芯片配置寄存器的數(shù)據(jù)格式

18B20的芯片配置寄存器的功能是確定18B20的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同測量精度和轉(zhuǎn)換時間的要求，芯片配置寄存器數(shù)據(jù)格式如圖10-21所示。

圖中R1、R0位的組合，確定了芯片對溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)及轉(zhuǎn)換時間。 轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)及轉(zhuǎn)換時間與R1、R0的關(guān)系如表10-12所示。5）DS18B20的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）的意義

CRC由DS18B20的CRC發(fā)生器自動生成。借用CRC值，用戶可實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)位置、工作狀態(tài)、溫度轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性等狀態(tài)的判別。

DS18B20中有兩個不同意義的CRC值。一個是暫存寄存器組中的CRC值，它是寄存器組中前8個寄存器值的CRC值，用于檢驗(yàn)溫度轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。上電后，該CRC值由EEPROM的值決定，見圖10-18。

另一個是18B20內(nèi)部有唯一的64位激光編碼，只讀，即ROM。用于多從器件系統(tǒng)的識別。其數(shù)據(jù)板式如圖10-22所示。其中最低8位為18B20家族編碼，固定為28H；接下來是48位序列號，最高位是前56位（7字節(jié)）數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)值。

6）CRC算法

DALLAS一總線器件的CRC方程統(tǒng)一為：

在18B20中的循環(huán)冗余校驗(yàn)，是通過CRC發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的，其算法如圖10-23所示。

（8-1）

3.DS18B20的ROM功能命令集

18B20命令集分ROM命令和功能命令兩類。ROM命令用于器件64位編碼的識別、總線上器件的數(shù)量和種類；功能命令用于實(shí)現(xiàn)DS18B20的功能?，F(xiàn)將DS18B20命令集列于表10-13中，以便在整體上掌握其指令系統(tǒng)。

6.DS18B20的引腳功能及供電方式

18B20采用TO-92、8PinSO及8PinμSOP三種封裝。圖10-24為TO-92封裝器件引腳圖。注意：當(dāng)面對芯片的標(biāo)稱平面時，最左邊為1號引腳（GND）。當(dāng)1、3接反時，18B20在短時間內(nèi)不會燒毀，但器件發(fā)熱，不能正常讀、寫。

圖10-25是單片機(jī)與18B20的接口電路圖。圖中18B20采用外接電源方式，其VDD端用3～5.5V電源供電。

圖10-26是18B20寄生供電方式。為此，VDD必須接地。單片機(jī)通過I/O控制圖中的MOSFET管，為18B20提供能量。以這種寄生供電方式構(gòu)成的系統(tǒng)，可以帶更多的一線產(chǎn)品，并能可達(dá)到較遠(yuǎn)的傳輸距離。

5.一線總線時序分析

（1）初始化時序 初始化時序如圖10-27所示。主器件將總線拉低至少480μs后，將總線拉成高電平，之后等待從器件的應(yīng)答信號，等待時間在15~60μs之間。正常情況下，從器件將產(chǎn)生60~240μs寬的低脈沖作為應(yīng)答信號，表示從器件在線，可接收主器件的命令與讀操作。2）讀/寫時序

18B20讀/寫操作是靠時間片來識別總線信息的。又有讀、寫“0”和“1”時間片兩種。寫時間片至少要持續(xù)60μs（但不要超過120μs），包括兩個時間片中間的至少1μs的電平轉(zhuǎn)換時間。圖10-28（a）為寫時序，圖10-28（b）為讀時序。

（3）讀時序 讀數(shù)據(jù)的過程從DQ端由高向低電平躍變開始。讀與寫不同于：在讀時間片開始后，主機(jī)要在15μs之內(nèi)完成讀進(jìn)程，因?yàn)樵谧x命令下達(dá)后，讀時間片就開始了，總線狀態(tài)隨18B20的輸出而變化。因此，在讀過程中主機(jī)要保持DQ為低電平15μs。之后，主機(jī)要釋放DQ端，總線回到高電平狀態(tài)最長時間為45μs，整個過程應(yīng)在60μs之內(nèi)完成。見圖10-28。10.4.3DS18B20的應(yīng)用1．DS18B20命令流程 為應(yīng)用好DS18B20，使用者需要具備以下條件： （1）對DS18B20的數(shù)據(jù)手冊中關(guān)于工作原理和操作技術(shù)細(xì)節(jié)的內(nèi)容有深入的理解。 （2）深入理解DS18B20的操作時序。 （3）掌握實(shí)現(xiàn)DS18B20各種功能的流程，并能編寫驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)其功能。 18B20的操作一般由以下固定的步驟順序組成： （1）初始化18B20，包括主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖，18B20應(yīng)答，主機(jī)確認(rèn)等。 （2）主機(jī)發(fā)ROM命令到18B20，后跟所需的數(shù)據(jù)。 （3）主機(jī)發(fā)功能命令，后跟所需的數(shù)據(jù)。

DS18B20的ROM命令流程如圖10-29所示，其功能命令流程如圖10-30所示。2．搜索ROM原理

1）搜索算法的物理基礎(chǔ)

要在眾多器件中，一個個地確定它們的64位ROM編碼，需要18B20對搜索ROM命令（F0H）有特別的反應(yīng)。事實(shí)正是如此，聽到搜索廣播命令后，每個18B20會向總線輸出兩個數(shù)據(jù)位，前面是64位ROM編碼之一，后跟此位的“非”。主機(jī)讀到的是所有器件碼的“與”值?！皟勺x”內(nèi)容的4種組合，對搜索ROM編碼所提供的信息及分析結(jié)果如表10-14所示。 “兩讀”內(nèi)容（原碼、非碼、線與）的特征，是搜索算法的物理基礎(chǔ)之一。 “一寫”，寫什么？18B20對“一寫”的內(nèi)容有如下反應(yīng)：如果器件編碼位與寫的值相同，則繼續(xù)保持與總線的聯(lián)系；否則從總線上“退出”，不再響應(yīng)主機(jī)發(fā)布的命令，直到主機(jī)進(jìn)行下一次復(fù)位為止。這就是識別算法的物理基礎(chǔ)之二。

設(shè)“兩讀”結(jié)果為01，說明總線上所有器件該位ROM碼均為0，為保持器件與總線的聯(lián)系，“一寫”內(nèi)容0。同理，如“兩讀”數(shù)據(jù)為10，主機(jī)則應(yīng)寫1?！耙粚憽钡摹芭懦惫δ埽姑?4次“兩讀一寫”，確定一個器件的64位編碼成為可能。 2）ROM編碼的“排除”搜索算法示例

【例10-5】為使討論的問題簡單扼要，假設(shè)某一線總線器件有4位ROM編碼，器件具有DS18B20的功能。現(xiàn)有4個這種器件在總線上，它們的編碼分別為0000、1111、0101、1010。試描述ROM編碼的“排除”搜索算法確定它們編碼的過程。 解：4個4位編碼器件在總線上，需要4輪4循環(huán)“兩讀一寫”才能完成搜索。表10-15為一個器件編碼搜索的全過程，確定總線上有一個ROM編碼為0000的器件。

3.DS18B20的51機(jī)應(yīng)用程序舉例

【例10-6】DS18B20的基本功能-溫度采集的用法。設(shè)總線上只有一片一總線器件，即一片18B20。設(shè)在圖8-25（b）中，51機(jī)用P1.0與DS18B20的DQ端相連接。并設(shè)系統(tǒng)時鐘頻率為：fosc=12MHz。 解：在系統(tǒng)中若一總線上只有一個器件，可以利用DS18B20命令，直接命令器件進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或讀取溫度的工作，參考的匯編程序如下： DQ EQU P1.1 RESULT EQU 40H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0040HMAIN： MOV SP，#5FH MOV R0，#RESULT LCALL INIT；復(fù)位一總線，并檢測應(yīng)答

MOV A，#0CCH

LCALL WRITE_BYTE；發(fā)跳過ROM命令

MOV A，#44H LCALL WRITE_BYTE ；發(fā)啟動轉(zhuǎn)換命令

LCALL DEYAY1S；延時1s待溫度轉(zhuǎn)換完成

LCALL INIT MOV A，#0CCH；發(fā)跳過ROM命令

LCALL WRITE_BYTE MOV A，#0BEH ；發(fā)讀存儲器命令

LCALL WRITE_BYTE LCALL READ_BYTE MOV @R0，A ；存溫度值低位字節(jié)

LCALL READ_BYTE INC R0 MOV @R0，A ；存溫度值高位字節(jié)

SJMP $INIT： CLR DQ ；復(fù)位總線，并檢測應(yīng)答。

MOV B，#240 DJNZ B，$

；等待480μs，參考圖10-27

CLR C

；清標(biāo)志，C=1成功，總線有應(yīng)答

MOV B，#1051W_ACK： ORL C，/DQ DJNZ B，1W_ACK ；等待420μs，參考圖10-27 ANL C，DQ ；總線若總為高，C=0，失敗

RETWRITE_BIT： CLR DQ ；寫一位數(shù)據(jù)到總線子程序?？偩€拉低

MOV B，#27 ；等待2μs，完成下降沿起動時間片

MOV DQ，C DJNZ B，$

；等待54μs，參考圖10-28（a）

SET DQ ；釋放總線

RET ；最后2μs，完成時間片

READ_BIT： CLR DQ ；總線拉低

MOV B，#4 ；等待2μs SETB DQ ；釋放總線

DJNZ B，$ ；等待10μs NOP MOV C，DQ ；讀數(shù)據(jù)

MOV B，#21 DJNZ B，$ ；等待42μs，參考圖10-28b RETWRITE_BYTE：MOV R7，#8 ；寫一字節(jié)數(shù)據(jù)到總線子程序。WR_NEXTB： RRC A ；移出數(shù)據(jù)

LCALL WRITE_BIT ；寫一位

DJNZ R7，WR_NEXTB RET READ_BYTE： MOV R7，#8 ；寫一字節(jié)數(shù)據(jù)到總線子程序。R_NEXTB： LCALL READ_BIT ；讀一位

RRC A ；移入數(shù)據(jù)

DJNZ R7，R_NEXTB RET DEYAY1S： MOV R7，#8 ；延時1s子程序8XDELY： MOV R6，#250500US： MOV R5，#250 DJNZ R5，$ DJNZ R6，500US DJNZ R7，8XDELY RET END 【例10-7】設(shè)在圖10-25中，標(biāo)準(zhǔn)51機(jī)用P1.1與DS18B20的DQ端相連接，51機(jī)系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz。試用C51編寫核對DS18B20的進(jìn)行溫度采集的程序，并用CRC驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。

解：檢驗(yàn)溫度轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，用DS18B20中寄存器組中的CRC值，它是寄存器組中前8個寄存器值的CRC值。編程步驟歸納如下： （1）主機(jī)向總線發(fā)復(fù)位脈沖，對總線上所有DS18B20復(fù)位。 （2）主機(jī)發(fā)跳過ROM命令（CCH）。 （3）主機(jī)向總線上的所有器件發(fā)置換溫度的命令（44H）。 （4）等待DS18B20溫度轉(zhuǎn)換完成。 （5）主機(jī)讀取該DS18B20暫存寄存器內(nèi)容，包括溫度值、CRC值共9B