讲述1-Wire单总线最全面的一篇文章

记得诚 2020-07-05 00:00


单总线,即一根线进行通信,最常用的温感 DS18B20 采用的就是单总线结构。


  • 一、概述

  • 二、硬件结构

  • 三、单总线的时序图

  • 四、实测分析时序

  • 五、DS18B20

一、概述

单总线是美国 DALLAS 公司推出的外围串行扩展总线技术,与 SPI、I2C 串行数据通信方式不同,它采用单根信号线,既传输时钟又传输数据,而且数据传输是双向的。

单总线英文名 1-Wire,传输速率一般是 15.3Kbit/s,最大可达 142Kbit/s,通常采用 100Kbit/s 以下的速率传输数据。

二、硬件结构

1. 单总线典型框图

单总线适用于单主机系统,能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器,从机可以是单总线器件,它们之间的数据交换只通过一条信号线。

单总线典型应用结构

2. 漏极开路

单总线主机或从机设备通过一个漏极开路三态端口连接至该数据线,由于是开漏结构,需要在数据线上加一个上拉电阻,一般是 4.7K。

为了确保总线上的某些器件在工作时(如温度传感器进行温度转换、E2PROM 写人数据时)有足够的电流供给,除了上拉电阻之外,还需要在总线上使用 MOSFET 提供强上拉供电,大多数的应用这个强上拉是不需要的。

主机或从机将数据线拉低到GND表示数据0,将数据线释放为高表示数据1。

  • 当 MCU 发送逻辑 1 时,经过反相器,总线呈现逻辑 0,逻辑 0 经过 1-WIRE 器件的反相器,即会收到逻辑 1;
  • 当 MCU 发送逻辑 0 时,经过反向器,总线呈现逻辑 1,逻辑 1 经过 1-WIRE 器件的反相器,即会收到逻辑 0;
  • 当 1WIRE 器件发送逻辑 1 时,Tx 处有 NMOS 会导通,总线呈现逻辑 0,经过 MCU Rx 处的反相器,MCU 会收到逻辑 1;
  • 当 1WIRE 器件发送逻辑 0 时,NMOS 截止,总线呈现逻辑 1,MCU 会收到逻辑 0;

单总线典型内部结构框图

3. 寄生供电电路

单总线器件内部设置有寄生供电电路(Parasite Power Circuit)。

当单总线处于高电平时,一方面通过二极管向芯片供电,另一方面对内部电容 C(容值约 800pF)充电。
当单总线处于低电平时,二极管截止,内部电容 C 向芯片供电。由于电容 C 的容量有限,因此要求单总线能间隔地提供高电平以能不断地向内部电容 C 充电,维持器件的正常工作,这就是通过网络线路“窃取”电能的“寄生电源”的工作原理。
另外需要间断高电平的原因是如果总线保持低电平超过 480us,总线上的所有器件将复位。 DS18B20上的寄生电路

4. 64 位 ROM ID

主机通过 64 全球唯一的 ROM ID 来识别挂在总线网络上的从机。

每个单总线器件都有一个全球唯一的 64 位 ROM ID,该注册码保证唯一的身份,并用于多节点 1-Wire 网络中的器件寻址,64 位 ROM 注册码不可更改,ROM ID 由出厂激光刻度在单总线器件内部。

64 位 ROM ID 组成:前 8 位是 1-WIRE 家族码,后 48 位是唯一的序列号、最后 8 位是由前 56 位 ROM 码所计算出的 CRC 校验码。


64位ROM ID组成

5. 优缺点

节省 I/O 口线、资源结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。

由于所有设备部件均挂在单一总线上,使这种结构只能分时工作,即同一时刻只能在两个设备之间传送数据,这就使系统总体数据传输的效率和速度受到限制,这是单总线结构的主要缺点。

三、单总线的时序图

1. 时序概述

1-Wire 器件需要严格的协议来保证数据的完整。

  • 该协议由通过一条线来传送的四种信令组成:包括 复位脉冲和在线应答脉冲的复位序列、写 0 时隙、写 1 时 隙、读时隙。
  • 除在线应答脉冲以外,所有其它信号都由总线主机发出,并且 发送的所有数据和命令都是字节的低位在前
  • 主机与从机的数据通信是通过时隙完成的,在每个时隙只能传送一位数据。通过写时隙可把数据从主机传送给从机,通过读时隙可把数据由从器件传送给主机,将完成一位传输的时间称为一个时隙。

如下给出了时序的波形图,在后面实测波形会详细介绍时序要求。

2. 复位/应答


复位/应答脉冲

3. 写时隙


写1和写0时隙

4. 读时隙


读1和读0时隙


波形定义

四、实测分析时序

1. 复位/应答脉冲

复位/应答脉冲要求:主机拉低总线 480~960us 来产生复位信号,然后释放总线进入接收模式,接着从机等待 15-60us(上拉电阻上拉至高电平),从机再拉低总线 60-240us 来产生应答信号,主机接收到从机的应答信号后,表明从机准备就绪,初始化过程完成了。


实测复位应答信号

2. 写 0 时隙

写0时隙要求:写 0 时隙起始于主机拉低总线,主机拉低总线后,只需在整个时隙期间保持总线低电平在 60us 以上,一般是 60~120us 之间。


实测写0时隙

3. 写 1 时隙

写1时隙要求:写 1 时隙和写 0 时隙一样,起始于主机拉低总线,在拉低总线 15us 之内需要将总线拉高,拉高总线需要维持 60us 以上。


实测写1时隙

4. 读 0 时隙

读0时隙要求: 读 0 时隙由主机发起,且至少拉低总线 1us,此时从机才开始在总线上发数据 0 或者 1;
从机发送 1,则保持总线为高电平;
从机发送 0,则拉低总线。当发送 0 时,从机在该时隙结束后释放总线,由上拉电阻拉至空闲的高电平状态。从机发出的数据在起始时隙之后,保持有效时间 15us,因而,主机在读时隙期间必须释放总线并且在时隙起始后的 15us 之内采样总线。
读 1 时隙没有在本文中没有写,要求和写 1 时隙是一致的。

实测读0时隙

五、DS18B20

1. 硬件结构

DS18B20 是学习 51 单片机中时,最常用的温感,采用的就是单总线结构。其供电方式有两种,一种是总线寄生电源,一种是使用外部电源

需要注意,使用总线寄生电源时,18B20 的 VDD 管脚需要和 GND 接在一起。 DS18B20采用寄生电源 DS18B20采用外部电源 DS18B20内部框图

2. C 语言实现

利用单片机从DS18B20 获取温度。

分四步:初始化(复位/应答)→ 写字节 → 读字节 → 计算温度。

如下是给出的代码示例。

#include"delay.h"
#include"18b20.h"
/*------------------------------------------------
                    18b20初始化
------------------------------------------------*/
bit Init_DS18B20(void)
{
   bit dat=0;
   DQ = 1;    //DQ复位
   DelayUs2x(5);   //稍做延时
   DQ = 0;         //单片机将DQ拉低
   DelayUs2x(200); //精确延时 大于 480us 小于960us
   DelayUs2x(200);
   DQ = 1;        //拉高总线
   DelayUs2x(50); //15~60us 后 接收60-240us的存在脉冲
   dat=DQ;        //如果x=0则初始化成功, x=1则初始化失败
   DelayUs2x(25); //稍作延时返回
   return dat;
}

/*------------------------------------------------
                    读取一个字节
------------------------------------------------*/
unsigned char ReadOneChar(void)
{
   unsigned char i=0;
   unsigned char dat = 0;
   for (i=8;i>0;i--)
 {
    DQ = 0; // 给脉冲信号
    dat>>=1;
    DQ = 1; // 给脉冲信号
    if(DQ)
    dat|=0x80;
    DelayUs2x(25);
 }
    return(dat);
}
/*------------------------------------------------
                    写入一个字节
------------------------------------------------*/
void WriteOneChar(unsigned char dat)
{
    unsigned char i=0;
    for (i=8; i>0; i--)
 {
    DQ = 0;
    DQ = dat&0x01;
    DelayUs2x(25);
    DQ = 1;
    dat>>=1;
 }
    DelayUs2x(25);
}

/*------------------------------------------------
                    读取温度
------------------------------------------------*/
unsigned int ReadTemperature(void)
{
   unsigned char a=0;
   unsigned int b=0;
   unsigned int t=0;
   Init_DS18B20();
   WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作
   WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换
   DelayMs(10);
   Init_DS18B20();
   WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
   WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器等(共可读9个寄存器) 前两个就是温度
   a=ReadOneChar();   //低位
   b=ReadOneChar();   //高位

   b<<=8;
   t=a+b;

   return(t);
}



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