单片机原理及应用课件：第10章-一线总线

内容提要

一线总线时序分析及应用

10.4一线总线时序分析应用 代表产品是温度传感器和ID码芯片。特点如下： （1）一线传输。数据线和串行时钟线合并，统称DQ线，为数据数输入/输出端。 （2）单主机，外围接口器件都是从器件。 （3）总线中的从器件采用器件地址编码方法。每个器件唯一的64位串行码，用于主机对从器件识别和寻址。 （4）一线总线时序中有严格的时间参数，对时间操作的精度要求很高。10.4.1DS18B20简介

1.DS18B20的一般特性 （1）工作电压范围3~5V，并可通过数据线对器件供电。 （2）温度测量范围为－55℃~+125℃。在－10℃~+85℃范围内，保证±0.5℃的测量精度；整个测量范围内，保证±2℃的测量精度。其测量结果可选择9位或12位转换输出。 （3）温度转换速度：12位数字转换时间为750ms。 （4）具有温度报警功能，可长期保存报警温度的设置值，掉电不丢失。

（5）64位串行地址编码，用于系统主机对其识别与通信。2.DS18B20的内部结构

18B20内部结构如图10-17所示。18B20主要由一线接口和64位ROM、寄存器组和控制电路、温度传感器和CRC（循环校验码产生器）等4个部分组成。器件外部只有DQ（数据传送线）、VDD和GND三个管脚。1）DS18B20内部存储器布局

18B20内部存储器布局如图10-18所示。分为两个区，图中左边9个SRAM单元，称为暂存寄存器，括号内的数据为18B20的上电复位值。 图右侧3个非易失性（EEPROM）存储单元。由于TH和TL及芯片配置寄存器与18B20的工作任务有关，需要长期保存。它们的内容（出厂值或用户设定值），决定了图中左边暂存寄存器组中第2、3、4字节的内容。2）转换温度寄存器格式

DS18B20的转换温度存于其内部的转换温度寄存器中，其格式如图10-19所示。

当温度为负值时，输出值以补码的形式输出，表10-11为典型温度的对应输出值。DS18B20上电复位时转换温度寄存器的内容为0550H即85℃。

当温度为负值时，输出值以补码的形式输出，表10-11为典型温度的对应输出值。DS18B20上电复位时转换温度寄存器的内容为0550H即85℃。 例如，温度转换值为191H=0000000110010001B

则检测到的温度值为+24+23+20+2-4=25.0625℃

又如，温度转换值为FF5EH=1111111101011110B

求补码：0000000010100001+1=0000000010100010

则检测到的温度值为-（23+21+2-3）=-10.125℃

3）

TH和TL触发寄存器

18B20的温度报警功能是通过设置其内部TH和TL触发寄存器实现的。他们存储用户设定的报警温度上、下限值。TH和TL触发寄存器的数据格式相同，如图10-20所示。图中的“S”位为报警标志位，当S=1时，表示被测温度超出了设定的报警温度上或下限值。

DS18B20每次完成温度转换后，与TH和TL触发寄存器的内容进行比较，当测得的温度超出用户设定的报警温度上或下限值时，“S”位被置“1”。如在下一次温度转换后，温度不超限，则“S”位被自动复位。

4）DS18B20的芯片配置寄存器的数据格式

18B20的芯片配置寄存器的功能是确定18B20的温度转换结果的位数，以实现不同测量精度和转换时间的要求，芯片配置寄存器数据格式如图10-21所示。

图中R1、R0位的组合，确定了芯片对温度转换结果的位数及转换时间。 转换结果的位数及转换时间与R1、R0的关系如表10-12所示。5）DS18B20的循环冗余校验码（CRC）的意义

CRC由DS18B20的CRC发生器自动生成。借用CRC值，用户可实现对多点温度采集系统中节点位置、工作状态、温度转换和数据传输的正确性等状态的判别。

DS18B20中有两个不同意义的CRC值。一个是暂存寄存器组中的CRC值，它是寄存器组中前8个寄存器值的CRC值，用于检验温度转换和数据传输的正确性。上电后，该CRC值由EEPROM的值决定，见图10-18。

另一个是18B20内部有唯一的64位激光编码，只读，即ROM。用于多从器件系统的识别。其数据板式如图10-22所示。其中最低8位为18B20家族编码，固定为28H；接下来是48位序列号，最高位是前56位（7字节）数据的CRC校验值。

6）CRC算法

DALLAS一总线器件的CRC方程统一为：

在18B20中的循环冗余校验，是通过CRC发生器实现的，其算法如图10-23所示。

（8-1）

3.DS18B20的ROM功能命令集

18B20命令集分ROM命令和功能命令两类。ROM命令用于器件64位编码的识别、总线上器件的数量和种类；功能命令用于实现DS18B20的功能。现将DS18B20命令集列于表10-13中，以便在整体上掌握其指令系统。

6.DS18B20的引脚功能及供电方式

18B20采用TO-92、8PinSO及8PinμSOP三种封装。图10-24为TO-92封装器件引脚图。注意：当面对芯片的标称平面时，最左边为1号引脚（GND）。当1、3接反时，18B20在短时间内不会烧毁，但器件发热，不能正常读、写。

图10-25是单片机与18B20的接口电路图。图中18B20采用外接电源方式，其VDD端用3～5.5V电源供电。

图10-26是18B20寄生供电方式。为此，VDD必须接地。单片机通过I/O控制图中的MOSFET管，为18B20提供能量。以这种寄生供电方式构成的系统，可以带更多的一线产品，并能可达到较远的传输距离。

5.一线总线时序分析

（1）初始化时序 初始化时序如图10-27所示。主器件将总线拉低至少480μs后，将总线拉成高电平，之后等待从器件的应答信号，等待时间在15~60μs之间。正常情况下，从器件将产生60~240μs宽的低脉冲作为应答信号，表示从器件在线，可接收主器件的命令与读操作。2）读/写时序

18B20读/写操作是靠时间片来识别总线信息的。又有读、写“0”和“1”时间片两种。写时间片至少要持续60μs（但不要超过120μs），包括两个时间片中间的至少1μs的电平转换时间。图10-28（a）为写时序，图10-28（b）为读时序。

（3）读时序 读数据的过程从DQ端由高向低电平跃变开始。读与写不同于：在读时间片开始后，主机要在15μs之内完成读进程，因为在读命令下达后，读时间片就开始了，总线状态随18B20的输出而变化。因此，在读过程中主机要保持DQ为低电平15μs。之后，主机要释放DQ端，总线回到高电平状态最长时间为45μs，整个过程应在60μs之内完成。见图10-28。10.4.3DS18B20的应用1．DS18B20命令流程 为应用好DS18B20，使用者需要具备以下条件： （1）对DS18B20的数据手册中关于工作原理和操作技术细节的内容有深入的理解。 （2）深入理解DS18B20的操作时序。 （3）掌握实现DS18B20各种功能的流程，并能编写驱动程序实现其功能。 18B20的操作一般由以下固定的步骤顺序组成： （1）初始化18B20，包括主机发复位脉冲，18B20应答，主机确认等。 （2）主机发ROM命令到18B20，后跟所需的数据。 （3）主机发功能命令，后跟所需的数据。

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

1）搜索算法的物理基础

要在众多器件中，一个个地确定它们的64位ROM编码，需要18B20对搜索ROM命令（F0H）有特别的反应。事实正是如此，听到搜索广播命令后，每个18B20会向总线输出两个数据位，前面是64位ROM编码之一，后跟此位的“非”。主机读到的是所有器件码的“与”值。“两读”内容的4种组合，对搜索ROM编码所提供的信息及分析结果如表10-14所示。 “两读”内容（原码、非码、线与）的特征，是搜索算法的物理基础之一。 “一写”，写什么？18B20对“一写”的内容有如下反应：如果器件编码位与写的值相同，则继续保持与总线的联系；否则从总线上“退出”，不再响应主机发布的命令，直到主机进行下一次复位为止。这就是识别算法的物理基础之二。

设“两读”结果为01，说明总线上所有器件该位ROM码均为0，为保持器件与总线的联系，“一写”内容0。同理，如“两读”数据为10，主机则应写1。“一写”的“排除”功能，使每64次“两读一写”，确定一个器件的64位编码成为可能。 2）ROM编码的“排除”搜索算法示例

【例10-5】为使讨论的问题简单扼要，假设某一线总线器件有4位ROM编码，器件具有DS18B20的功能。现有4个这种器件在总线上，它们的编码分别为0000、1111、0101、1010。试描述ROM编码的“排除”搜索算法确定它们编码的过程。 解：4个4位编码器件在总线上，需要4轮4循环“两读一写”才能完成搜索。表10-15为一个器件编码搜索的全过程，确定总线上有一个ROM编码为0000的器件。

3.DS18B20的51机应用程序举例

【例10-6】DS18B20的基本功能-温度采集的用法。设总线上只有一片一总线器件，即一片18B20。设在图8-25（b）中，51机用P1.0与DS18B20的DQ端相连接。并设系统时钟频率为：fosc=12MHz。 解：在系统中若一总线上只有一个器件，可以利用DS18B20命令，直接命令器件进行温度转换或读取温度的工作，参考的汇编程序如下： DQ EQU P1.1 RESULT EQU 40H ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0040HMAIN： MOV SP，#5FH MOV R0，#RESULT LCALL INIT；复位一总线，并检测应答

MOV A，#0CCH

LCALL WRITE_BYTE；发跳过ROM命令

MOV A，#44H LCALL WRITE_BYTE ；发启动转换命令

LCALL DEYAY1S；延时1s待温度转换完成

LCALL INIT MOV A，#0CCH；发跳过ROM命令

LCALL WRITE_BYTE MOV A，#0BEH ；发读存储器命令

LCALL WRITE_BYTE LCALL READ_BYTE MOV @R0，A ；存温度值低位字节

LCALL READ_BYTE INC R0 MOV @R0，A ；存温度值高位字节

SJMP $INIT： CLR DQ ；复位总线，并检测应答。

MOV B，#240 DJNZ B，$

；等待480μs，参考图10-27

CLR C

；清标志，C=1成功，总线有应答

MOV B，#1051W_ACK： ORL C，/DQ DJNZ B，1W_ACK ；等待420μs，参考图10-27 ANL C，DQ ；总线若总为高，C=0，失败

RETWRITE_BIT： CLR DQ ；写一位数据到总线子程序。总线拉低

MOV B，#27 ；等待2μs，完成下降沿起动时间片

MOV DQ，C DJNZ B，$

；等待54μs，参考图10-28（a）

SET DQ ；释放总线

RET ；最后2μs，完成时间片

READ_BIT： CLR DQ ；总线拉低

MOV B，#4 ；等待2μs SETB DQ ；释放总线

DJNZ B，$ ；等待10μs NOP MOV C，DQ ；读数据

MOV B，#21 DJNZ B，$ ；等待42μs，参考图10-28b RETWRITE_BYTE：MOV R7，#8 ；写一字节数据到总线子程序。WR_NEXTB： RRC A ；移出数据

LCALL WRITE_BIT ；写一位

DJNZ R7，WR_NEXTB RET READ_BYTE： MOV R7，#8 ；写一字节数据到总线子程序。R_NEXTB： LCALL READ_BIT ；读一位

RRC A ；移入数据

DJNZ R7，R_NEXTB RET DEYAY1S： MOV R7，#8 ；延时1s子程序8XDELY： MOV R6，#250500US： MOV R5，#250 DJNZ R5，$ DJNZ R6，500US DJNZ R7，8XDELY RET END 【例10-7】设在图10-25中，标准51机用P1.1与DS18B20的DQ端相连接，51机系统时钟频率为12MHz。试用C51编写核对DS18B20的进行温度采集的程序，并用CRC验证数据的正确性。

解：检验温度转换和数据传输的正确性，用DS18B20中寄存器组中的CRC值，它是寄存器组中前8个寄存器值的CRC值。编程步骤归纳如下： （1）主机向总线发复位脉冲，对总线上所有DS18B20复位。 （2）主机发跳过ROM命令（CCH）。 （3）主机向总线上的所有器件发置换温度的命令（44H）。 （4）等待DS18B20温度转换完成。 （5）主机读取该DS18B20暂存寄存器内容，包括温度值、CRC值共9B