基于１－Ｗｉｒｅ總線的嵌入式測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋曉博　柴　波

摘 要：給出一種基于DS18B20的1－Wire總線的嵌入式測(cè)溫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了數(shù)字溫度傳感器DS18B20和橋接器DS2480B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理及使用方法；給出基于1－Wire操作的時(shí)序圖和部分驅(qū)動(dòng)代碼，并對(duì)代碼做出比較詳細(xì)的說(shuō)明。給出系統(tǒng)硬件電路邏輯，并對(duì)硬件電路中的細(xì)節(jié)問(wèn)題做了說(shuō)明。在以往的應(yīng)用中，大多為PC機(jī)通過(guò)串口控制測(cè)溫芯片DS18B20和橋接器DS2480B進(jìn)行溫度測(cè)量。采用單片機(jī)C8051F040代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PC機(jī)，通過(guò)片上UART對(duì)測(cè)溫芯片進(jìn)行控制，在空間狹小的特殊嵌入式環(huán)境中對(duì)溫度值進(jìn)行采集。經(jīng)實(shí)踐證明電路系統(tǒng)工作正常，溫度采集效果良好。

關(guān)鍵詞：1－Wire總線；DS18B20；DS2480B；硬件電路；驅(qū)動(dòng)程序

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004－373X(2009)04－162－04

Design of Embedded TemperatureMeasurement System Based on 1－Wire Bus

SONG Xiaobo,CHAI Bo

(Xi′an Micro－electronics Technology Institute,Xi′an,710075,China)

Abstract：The software and hardware design of 1－wire embedded temperatare measurement system based on DS18B20 are proposed.the interior structure,work protocol and using method of DS18B20 and DS2480B are introduced.The time sequence pictures and driving code of 1－wire operation,the circuit logic of system′s hardware are given.In the past applications,the temperatare measuremant mostly for the PC－chip through the serial port control DS18B20 and bridges DS2480B.In this paper,C8051F040 is applied to instead of the traditional PC,through on－chip UART chip to control the temperature in the special environment.Practice proves that the circuit system is working normal,the temperature acquisition is good.

Keywords：1－Wire bus;DS18B20;DS2480B;hardware circuit;driving program

溫度作為一種基本的環(huán)境因素，直接影響著工業(yè)控制、化工、醫(yī)藥、航空航天等生產(chǎn)工藝過(guò)程，因此如何安全、可靠、快速地取得溫度值就顯得尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)及集成電路工業(yè)的迅速發(fā)展，各種溫度采集技術(shù)不斷出現(xiàn)。這里介紹一種基于DS18B20的

1－Wire總線的嵌入式測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1－Wire總線是美國(guó)Dallas公司的一項(xiàng)專有技術(shù)單總線技術(shù)（1－Wire Bus Technology），該技術(shù)在理論上每條總線連接的1－Wire 器件數(shù)量可達(dá)248еВ適用于單主機(jī)、多從設(shè)備的系統(tǒng)。它與其他串行通信方式最大的不同在于它采用單根信號(hào)線雙向傳輸數(shù)據(jù)，以其節(jié)省I/O口線資源，成本低廉，體積小，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在串行數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位。

1－Wire 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成簡(jiǎn)單，一般情況下只使用電源線、地線、信號(hào)線3條線，當(dāng)使用寄電方式供電時(shí)只需電源/信號(hào)線和地線2根線。

DS18B20是Dallas公司生產(chǎn)的一種簡(jiǎn)便易用的數(shù)字式溫度傳感器。它體積小巧，溫度測(cè)量范圍廣（-55～ +125 ℃），測(cè)量分辨率可選，分別為0.062 5 ℃,0.125 ℃,0.25 ℃,0.5 ℃。

1 主要器件結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 DS18B20結(jié)構(gòu)及工作原理

Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20可編程單總線數(shù)據(jù)溫度傳感器共有3種封裝形式：8管腳SO封裝、8管腳μSOP封裝和3管腳TO－92封裝。該設(shè)計(jì)中為了節(jié)省空間采用3管腳的TO－92封裝，它的管腳排列圖和底視圖如圖1所示，其中GND為接地管腳，VDD為外部供電電源管腳，DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出管腳。

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括供電電路、64 b ROM、內(nèi)部存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器控制邏輯4部分。64 b ROM中存儲(chǔ)著每個(gè)DS18B20芯片獨(dú)有的64位ROM ID碼，這是系統(tǒng)用來(lái)識(shí)別DS18B20芯片的標(biāo)志。其中最低8位是DS18B20的家族碼：28H。中間48位是每片DS18B20獨(dú)有的串行碼。最高8位是用前56位計(jì)算得到的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

內(nèi)部存儲(chǔ)器由9 Byte SRAM和3 B E2PROM組成。SRAM中Byte0和Byte1是溫度寄存器，用來(lái)存儲(chǔ)采集到的溫度值。Byte0的內(nèi)容是溫度的低8位，Byte1是溫度的高8位。Byte2和 Byte3為高低溫警報(bào)寄存器。Byte4為配置寄存器，用來(lái)設(shè)置器件溫度采集精度。這3個(gè)字節(jié)中的值可以拷貝到E2PROM中，保證掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，重新上電后E2PROM中的值將自動(dòng)重載入SRAM中。Byte5，Byte6，Byte7保留為內(nèi)部使用。Byte8存儲(chǔ)CRC碼。

DS18B20有2種供電方式：寄電方式和外部供電方式。寄電方式非常適用于需要遠(yuǎn)程溫度測(cè)量和空間受限的場(chǎng)合。當(dāng)工作于這種方式時(shí)，管腳3必須接地。總線處于高電平時(shí)DS18B20通過(guò)DQ管腳從1－Wire網(wǎng)絡(luò)上竊取能量并存儲(chǔ)一部分電荷到寄電電容中，總線處于低電平時(shí)釋放寄電電容中的電荷給DS18B20供電。在寄電方式中寄電電容中存儲(chǔ)的電荷能滿足DS18B20大部分操作的要求，但是當(dāng)執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)拷貝命令時(shí)操作電流提高到1.5 mA，這將導(dǎo)致內(nèi)部弱上拉電阻上產(chǎn)生不可接受的壓降，同時(shí)這個(gè)電流也高于寄電電容能夠提供的電流，所以必須外接強(qiáng)上拉電路以滿足這一類命令的要求。當(dāng)處于外部供電方式下時(shí)則不需要外接強(qiáng)上拉電路，直接通過(guò)管腳3從外部供電。

在溫度超過(guò)100 ℃條件時(shí)，處于寄電方式下的DS18B20可能不能保證正常通信，所以在某些特殊場(chǎng)合下使用外部供電方式比寄電方式更加可靠。

DS18B20是一種可編程的基于1－Wire 總線標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字式溫度傳感器，可以通過(guò)SRAM中的配置寄存器來(lái)選擇測(cè)量分辨率，其上電默認(rèn)值為12位精度，對(duì)應(yīng)分辨率為0.062 5 ℃。其他可選擇的精度包括11位、10位和9位，對(duì)應(yīng)的分辨率分別為0.125 ℃，0.25 ℃，0.5℃。

DS18B20上電后處于空閑狀態(tài)，可通過(guò)微處理器發(fā)送轉(zhuǎn)換命令44H 來(lái)啟動(dòng)1次溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果存儲(chǔ)在溫度寄存器中，此后DS18B20返回空閑狀態(tài)。如果DS18B20處于外部供電模式，微處理器可以發(fā)送“讀時(shí)隙”來(lái)查看溫度采集轉(zhuǎn)換過(guò)程是否完畢，如果結(jié)束則應(yīng)答為1，沒(méi)結(jié)束則應(yīng)答為0。如果DS18B20處于寄電方式下則不能使用該功能。DS18B20的溫度數(shù)據(jù)值是以攝氏度為單位的。

1.2 DS2480B介紹及工作原理

1－Wire通信協(xié)議可以通過(guò)微處理器上的一個(gè)I/O引腳實(shí)現(xiàn)，但是要?jiǎng)?chuàng)建可靠的1－Wire網(wǎng)絡(luò)，必須提供正確的時(shí)序和適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷簲[率，如果1－Wire主機(jī)發(fā)送的時(shí)序不正確會(huì)導(dǎo)致與1－Wire從器件之間的通信間斷或完全失敗，并限制網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度。DS2480B是從串行接口到1－Wire網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的橋接器。使用這個(gè)橋接器和UART連接就能產(chǎn)生嚴(yán)格定時(shí)和電壓擺率控制的1－Wire波形，并能減輕主機(jī)產(chǎn)生1－Wire 時(shí)序信號(hào)和對(duì)1－Wire 總線進(jìn)行采樣的負(fù)擔(dān)。

DS2480B接收指令與數(shù)據(jù)，執(zhí)行1－Wire操作，并將結(jié)果返回至主機(jī)。圖3為1－Wire復(fù)位操作、寫1/讀數(shù)據(jù)操作、寫0操作的時(shí)序圖，這3種操作是1－Wire操作中必須具備的基本操作，幾乎所有的其他1－Wire操作都可以由這3種操作構(gòu)成。由于該設(shè)計(jì)工作在Flexible模式下，以下提供的參數(shù)都是Flexible模式下適用的參數(shù)。

1.2.1 復(fù)位/應(yīng)答 時(shí)序

DS2480B接到主機(jī)復(fù)位命令后將總線拉低512 μs后釋放總線，等待 2 μs(短路/中斷采樣)后檢測(cè)總線上是否有短路或中斷信號(hào)，如果沒(méi)有則等待8 μs（應(yīng)答采樣）后檢測(cè)總線上是否有應(yīng)答脈沖，再等待512 μs（延遲）后向主機(jī)發(fā)送命令應(yīng)答字。如果總線上有短路或中斷信號(hào)則等待4 096 μs后再次檢測(cè)總線。時(shí)序如圖3所示。

1.2.2 寫1 /讀數(shù)據(jù)時(shí)序

DS2480B在寫1/讀數(shù)據(jù)時(shí)序中先將總線拉低8~15 μs（寫1低），3~10 μs（數(shù)據(jù)采樣）數(shù)據(jù)采樣偏移后對(duì)總線采樣并讀從器件應(yīng)答。再經(jīng)過(guò)49 μs（等待高）1/讀數(shù)據(jù)時(shí)序結(jié)束。時(shí)序圖如圖4所示。

1.2.3 寫0 時(shí)序

DS2480B的寫0時(shí)序中先將總線拉低57 μs（寫0低）然后釋放總線，3~10 μs后寫0時(shí)序結(jié)束。如圖5所示。

DS2480B可以被看作包含2個(gè)靜態(tài)和多個(gè)動(dòng)態(tài)的狀態(tài)機(jī)。上電后DS2480B自動(dòng)進(jìn)入兩個(gè)靜態(tài)之一的命令模式。此時(shí)主機(jī)應(yīng)向DS2480B發(fā)送1次復(fù)位命令，用來(lái)校準(zhǔn)DS2480B內(nèi)部的時(shí)序產(chǎn)生器，所有的1－Wire通信過(guò)程都必須以復(fù)位命令開(kāi)始。此后DS2480B準(zhǔn)備好接收及執(zhí)行任何合法命令。在命令模式下微處理器可以改變1－Wire網(wǎng)絡(luò)的通信速度、供電方式、改變1－Wire通信波形等。DS2480B從命令模式轉(zhuǎn)換到下一個(gè)靜態(tài)－數(shù)據(jù)模式后將從TXD管腳上收到的信息字節(jié)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的1－Wire通信波形并將從器件返回的應(yīng)答字節(jié)通過(guò)RXD管腳返回給微處理器。也就是說(shuō)對(duì)1－Wire從器件DS18B20的操作必須在數(shù)據(jù)模式下進(jìn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2部分。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

與DS2480B橋接器一起工作的UART應(yīng)支持8位字長(zhǎng)、無(wú)奇偶校驗(yàn)、9 600波特率（b/s）的通信方式。該系統(tǒng)采用Silicon公司生產(chǎn)的C8051F040作為主處理器，C8051F040有2個(gè)UART串口，且滿足橋接器對(duì)UART的要求。溫度采集轉(zhuǎn)換芯片為Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20。系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

其中從C8051F040的UART到DS2480B需用1片QS3245進(jìn)行3~5 V的電平轉(zhuǎn)換。1－Wire總線上過(guò)多的噪聲會(huì)影響1－Wire通信的正確性，為了濾除電路中的噪聲保護(hù)DS2480B的1－Wire端口不受靜電損傷DS2480B的1－W管腳外接RC濾波電路。在本設(shè)計(jì)中只涉及到基本DS2480B操作，在需要進(jìn)行EPROM編程的設(shè)計(jì)中應(yīng)串接2個(gè)DS9503。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

給出的1－Wire 總線驅(qū)動(dòng)程序是結(jié)合圖4所述電路，以C8051F040單片機(jī)為主控制器，使用內(nèi)部時(shí)鐘頻率24.5 MHz編寫而成，其中包括DS2480B復(fù)位子程序、DS2480B初始化子程序、總線復(fù)位子程序、溫度采集子程序、溫度值讀取子程序。C8051F040系統(tǒng)內(nèi)部有64 KB FLASH存儲(chǔ)器可以用來(lái)存儲(chǔ)程序代碼。C代碼設(shè)計(jì)調(diào)試工具為Silicon公司提供的單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

控制器上電后，對(duì)自身和DS2480B進(jìn)行初始化并與DS2480B取得同步。由于DS2480B中沒(méi)有晶振，它必須通過(guò)采樣主機(jī)發(fā)送的字節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)自身的時(shí)基。主控制器在低于9 600波特率條件下發(fā)送1次0字節(jié)可以產(chǎn)生1次復(fù)位信號(hào)。DS2480B復(fù)位后所有參數(shù)恢復(fù)到缺省狀態(tài)，在該設(shè)計(jì)中1－Wire網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度在10 m之內(nèi)，屬于小型長(zhǎng)度，為了取得良好的性能，選擇在“flexible speed”下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)速度通信。對(duì)DS2480B復(fù)位和初始化是進(jìn)行正確1－Wire通信的前提，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)答數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度或格式不正確時(shí)，也必須重新對(duì)DS2480B復(fù)位和初始化。

所有的1－Wire操作都是從復(fù)位1－Wire總線開(kāi)始的。每次采集溫度值和讀取溫度值操作前最好對(duì)總線進(jìn)行1次復(fù)位操作，同時(shí)檢測(cè)來(lái)自總線上的從器件的在線應(yīng)答脈沖。驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖7所示，部分程序代碼如下所示：

#include ＜c8051f040.h＞

#include "DS2480.h"

#include ＜stdio.h＞

// MAIN Routine

main()

{

//.........disable watchdog timer.........

WDTCN = 0xde;

WDTCN = 0xad;

/........................................

UART_configure (); //UART配置

DS2480B_Rset();//DS2480B復(fù)位

init_ds2480();//DS2480B初始化

while(1)

{

wire_reset(); //1－Wire總線復(fù)位

tmp_turn(); //溫度值采集

wire_reset(); //1－Wire總線復(fù)位

tmp_read(ch1,ch2,ch3,ch4,ch5,ch6,ch7,ch8); //讀取溫度值

}

}

//........................................

void DS2480B_Rset(void)

{

//change baute to 4800

out_uart(0x00);//在4 800波特率下主控制器向DS2480B

//發(fā)送0字節(jié)產(chǎn)生一次復(fù)位信號(hào)

delay(2);//延遲2 ms

//change baute to 9600

}

//........................................

void init_ds2480(void)

{

{

out_uart(0xc1); //發(fā)送總線復(fù)位命令

delay(2); //延遲2 ms

//設(shè)置1－Wire參數(shù)，為flexible模式下的1－Wire信號(hào)整形

out_uart(0x17);

while(get_uart()!=0x16);

out_uart(0x45);

while(get_uart()!=0x44);

out_uart(0x5b);

while(get_uart()!=0x5a);

out_uart(0x0f);

while(get_uart()!=0x00);

out_uart(0x91);

while(get_uart()!=0x93);

}

//..............................

void wire_reset(void)

{

out_uart(0xe3);

//切換到命令模式

delay(2);

//延遲2 ms

out_uart(0xc5);

//發(fā)送總線復(fù)位命令

while(get_es0()!=0xcd);//應(yīng)答不正確則繼續(xù)等待

}

//........................................

void tmp_turn()

{

out_uart(0xe1);//切換到數(shù)據(jù)模式

delay(2);//延遲2 ms

out_uart(0xcc);//發(fā)送SKIP ROM命令，尋址總線上所有從器件

while(get_uart()!=0xcc);

out_uart(0x44);//發(fā)送CONVERT T命令，令從器件采集溫度值

while(get_uart()!=0x44);

out_uart(0xff);//發(fā)送“讀時(shí)隙”，檢查溫度采集操作是否結(jié)束

delay(2);//延遲2 ms

while(get_uart()!=0xff)//沒(méi)結(jié)束則等待至結(jié)束

}

//........................................

void tmp_read(ch1,ch2,ch3,ch4,ch5,ch6,ch7,ch8)

unsigned char ch1,ch2,ch3,ch4,ch5,ch6,ch7,ch8;

{

out_uart(0xe1);//切換到數(shù)據(jù)模式

delay(2);//延遲2 ms

out_uart(0x55);//發(fā)送MATCH ROM命令

while(get_uart()!=0x55);

out_uart(ch1); //發(fā)送要讀取溫度值的DS18B20的64位ROM ID號(hào)

while(get_uart()!=ch1);

out_uart(ch2);

while(get_uart()!=ch2);

out_uart(ch3);

while(get_uart()!=ch3);

out_uart(ch4);

while(get_uart()!=ch4);

out_uart(ch5);

while(get_uart()!=ch5);

out_uart(ch6);

while(get_uart()!=ch6);

out_uart(ch7);

while(get_uart()!=ch7);

out_uart(ch8);

while(get_uart()!=ch8);

out_uart(0xbe);//發(fā)送讀暫存器命令

while(get_uart()!=0xbe);

out_uart(0xff);//讀暫存器Byte0

cc1=get_uart();

out_uart(0xff);//讀暫存器Byte1

cc2=get_uart();

cc1=(((cc1＞＞4)&0x0f) | ((cc2＜＜4)&0xf0));

}

3 結(jié) 語(yǔ)

介紹一種1－Wire總線嵌入式測(cè)溫系統(tǒng)，并給出了硬件電路及部分驅(qū)動(dòng)代碼。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展方便，占用主控制器資源少，軟件控制方便易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試等特點(diǎn)，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中。在設(shè)計(jì)成本、費(fèi)用和復(fù)雜度方面相對(duì)于CAN，RS 485等總線有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，更適合小型工控系統(tǒng)使用，在今后的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中必將有著更為廣闊的空間。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張彥兵,劉永前,李義強(qiáng).1－Wire總線驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(4):1 020－1 024.

［2］Dallas Semiconductor Maxim.DS18B20 Programmble Resolution 1－Wire Digital Thermometer.

［3］Dallas Semiconducor Maxim.DS2480B Serial 1－Wire Line Driver with Load Sensor.2005.

［4］Dallas Semiconductor Maxim.應(yīng)用筆記192 DS2480B串行接口1－Wire線驅(qū)動(dòng)器的使用.2005.

［5］譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì).2版.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［6］張培仁.MCS－51單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［7］譚立勇，李哲英.1－Wire技術(shù)概述.數(shù)據(jù)通信,2004(2)：19－21.

［8］伍家滿，虞禮貞,劉小燕，等.基于1－Wire接口的總線技術(shù)及其應(yīng)用.南昌大學(xué)學(xué)報(bào):工科版,2005,27(1):89－93,98.

［9］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［10］沈金龍.計(jì)算機(jī)通信網(wǎng).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

［11］劉金勝.局域網(wǎng)基礎(chǔ)與建設(shè).遼寧師專學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,2(2):35－37.

作者簡(jiǎn)介 宋曉博 女，碩士研究生。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。

柴 波 男，研究員、碩士研究生導(dǎo)師。主要從事嵌入式計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究工作。