一文詳解單總線通信技術(shù)

單總線，即一根線進(jìn)行通信，最常用的溫感 DS18B20 采用的就是單總線結(jié)構(gòu)。

一、概述
二、硬件結(jié)構(gòu)
三、單總線的時(shí)序圖
四、實(shí)測分析時(shí)序
五、DS18B20

一、概述

單總線是美國 DALLAS 公司推出的外圍串行擴(kuò)展總線技術(shù)，與 SPI、I2C 串行數(shù)據(jù)通信方式不同，它采用單根信號(hào)線，既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。

單總線英文名 1-Wire，傳輸速率一般是 15.3Kbit/s，最大可達(dá) 142Kbit/s，通常采用 100Kbit/s 以下的速率傳輸數(shù)據(jù)。

二、硬件結(jié)構(gòu)

1. 單總線典型框圖

單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號(hào)線。

單總線典型應(yīng)用結(jié)構(gòu)

2. 漏極開路

單總線主機(jī)或從機(jī)設(shè)備通過一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連接至該數(shù)據(jù)線，由于是開漏結(jié)構(gòu)，需要在數(shù)據(jù)線上加一個(gè)上拉電阻，一般是 4.7K。

為了確?？偩€上的某些器件在工作時(shí)（如溫度傳感器進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換、E2PROM 寫人數(shù)據(jù)時(shí)）有足夠的電流供給，除了上拉電阻之外，還需要在總線上使用 MOSFET 提供強(qiáng)上拉供電，大多數(shù)的應(yīng)用這個(gè)強(qiáng)上拉是不需要的。

主機(jī)或從機(jī)將數(shù)據(jù)線拉低到GND表示數(shù)據(jù)0，將數(shù)據(jù)線釋放為高表示數(shù)據(jù)1。

當(dāng) MCU 發(fā)送邏輯 1 時(shí)，經(jīng)過反相器，總線呈現(xiàn)邏輯 0，邏輯 0 經(jīng)過 1-WIRE 器件的反相器，即會(huì)收到邏輯 1；
當(dāng) MCU 發(fā)送邏輯 0 時(shí)，經(jīng)過反向器，總線呈現(xiàn)邏輯 1，邏輯 1 經(jīng)過 1-WIRE 器件的反相器，即會(huì)收到邏輯 0；
當(dāng) 1WIRE 器件發(fā)送邏輯 1 時(shí)，Tx 處有 NMOS 會(huì)導(dǎo)通，總線呈現(xiàn)邏輯 0，經(jīng)過 MCU Rx 處的反相器，MCU 會(huì)收到邏輯 1；
當(dāng) 1WIRE 器件發(fā)送邏輯 0 時(shí)，NMOS 截止，總線呈現(xiàn)邏輯 1，MCU 會(huì)收到邏輯 0；

單總線典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

3. 寄生供電電路

單總線器件內(nèi)部設(shè)置有寄生供電電路（Parasite Power Circuit）。

當(dāng)單總線處于高電平時(shí)，一方面通過二極管向芯片供電，另一方面對(duì)內(nèi)部電容 C（容值約 800pF）充電。當(dāng)單總線處于低電平時(shí)，二極管截止，內(nèi)部電容 C 向芯片供電。由于電容 C 的容量有限，因此要求單總線能間隔地提供高電平以能不斷地向內(nèi)部電容 C 充電，維持器件的正常工作，這就是通過網(wǎng)絡(luò)線路“竊取”電能的“寄生電源”的工作原理。另外需要間斷高電平的原因是如果總線保持低電平超過 480us，總線上的所有器件將復(fù)位。

DS18B20上的寄生電路

4. 64 位 ROM ID

主機(jī)通過 64 全球唯一的 ROM ID 來識(shí)別掛在總線網(wǎng)絡(luò)上的從機(jī)。

每個(gè)單總線器件都有一個(gè)全球唯一的 64 位 ROM ID，該注冊(cè)碼保證唯一的身份，并用于多節(jié)點(diǎn) 1-Wire 網(wǎng)絡(luò)中的器件尋址，64 位 ROM 注冊(cè)碼不可更改，ROM ID 由出廠激光刻度在單總線器件內(nèi)部。

64 位 ROM ID 組成：前 8 位是 1-WIRE 家族碼，后 48 位是唯一的序列號(hào)、最后 8 位是由前 56 位 ROM 碼所計(jì)算出的 CRC 校驗(yàn)碼。

64位ROM ID組成

5. 優(yōu)缺點(diǎn)

節(jié)省 I/O 口線、資源結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

由于所有設(shè)備部件均掛在單一總線上，使這種結(jié)構(gòu)只能分時(shí)工作，即同一時(shí)刻只能在兩個(gè)設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)，這就使系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎退俣仁艿较拗?，這是單總線結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)。

三、單總線的時(shí)序圖

1. 時(shí)序概述

1-Wire 器件需要嚴(yán)格的協(xié)議來保證數(shù)據(jù)的完整。

該協(xié)議由通過一條線來傳送的四種信令組成：包括復(fù)位脈沖和在線應(yīng)答脈沖的復(fù)位序列、寫 0 時(shí)隙、寫 1 時(shí)隙、讀時(shí)隙。
除在線應(yīng)答脈沖以外，所有其它信號(hào)都由總線主機(jī)發(fā)出，并且發(fā)送的所有數(shù)據(jù)和命令都是字節(jié)的低位在前。
主機(jī)與從機(jī)的數(shù)據(jù)通信是通過時(shí)隙完成的，在每個(gè)時(shí)隙只能傳送一位數(shù)據(jù)。通過寫時(shí)隙可把數(shù)據(jù)從主機(jī)傳送給從機(jī)，通過讀時(shí)隙可把數(shù)據(jù)由從器件傳送給主機(jī)，將完成一位傳輸?shù)臅r(shí)間稱為一個(gè)時(shí)隙。

如下給出了時(shí)序的波形圖，在后面實(shí)測波形會(huì)詳細(xì)介紹時(shí)序要求。

2. 復(fù)位/應(yīng)答

復(fù)位/應(yīng)答脈沖

3. 寫時(shí)隙

寫1和寫0時(shí)隙

4. 讀時(shí)隙

讀1和讀0時(shí)隙

波形定義

四、實(shí)測分析時(shí)序

1. 復(fù)位/應(yīng)答脈沖

復(fù)位/應(yīng)答脈沖要求：主機(jī)拉低總線 480~960us 來產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，然后釋放總線進(jìn)入接收模式，接著從機(jī)等待 15-60us（上拉電阻上拉至高電平），從機(jī)再拉低總線 60-240us 來產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，主機(jī)接收到從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)后，表明從機(jī)準(zhǔn)備就緒，初始化過程完成了。

實(shí)測復(fù)位應(yīng)答信號(hào)

2. 寫 0 時(shí)隙

寫0時(shí)隙要求：寫 0 時(shí)隙起始于主機(jī)拉低總線，主機(jī)拉低總線后，只需在整個(gè)時(shí)隙期間保持總線低電平在 60us 以上，一般是 60~120us 之間。

實(shí)測寫0時(shí)隙

3. 寫 1 時(shí)隙

寫1時(shí)隙要求：寫 1 時(shí)隙和寫 0 時(shí)隙一樣，起始于主機(jī)拉低總線，在拉低總線 15us 之內(nèi)需要將總線拉高，拉高總線需要維持 60us 以上。

實(shí)測寫1時(shí)隙

4. 讀 0 時(shí)隙

讀0時(shí)隙要求：讀 0 時(shí)隙由主機(jī)發(fā)起，且至少拉低總線 1us，此時(shí)從機(jī)才開始在總線上發(fā)數(shù)據(jù) 0 或者 1；從機(jī)發(fā)送 1，則保持總線為高電平；從機(jī)發(fā)送 0，則拉低總線。當(dāng)發(fā)送 0 時(shí)，從機(jī)在該時(shí)隙結(jié)束后釋放總線，由上拉電阻拉至空閑的高電平狀態(tài)。從機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時(shí)隙之后，保持有效時(shí)間 15us，因而，主機(jī)在讀時(shí)隙期間必須釋放總線并且在時(shí)隙起始后的 15us 之內(nèi)采樣總線。讀 1 時(shí)隙沒有在本文中沒有寫，要求和寫 1 時(shí)隙是一致的。

實(shí)測讀0時(shí)隙

五、DS18B20

1. 硬件結(jié)構(gòu)

DS18B20 是學(xué)習(xí) 51 單片機(jī)中時(shí)，最常用的溫感，采用的就是單總線結(jié)構(gòu)。其供電方式有兩種，一種是總線寄生電源，一種是使用外部電源。

需要注意，使用總線寄生電源時(shí)，18B20 的 VDD 管腳需要和 GND 接在一起。

DS18B20采用寄生電源

DS18B20采用外部電源

DS18B20內(nèi)部框圖

2. C 語言實(shí)現(xiàn)

利用單片機(jī)從DS18B20 獲取溫度。

分四步：初始化（復(fù)位/應(yīng)答）→ 寫字節(jié) → 讀字節(jié) → 計(jì)算溫度。

如下是給出的代碼示例。

#include"delay.h"#include"18b20.h"/*------------------------------------------------                    18b20初始化------------------------------------------------*/bit Init_DS18B20(void){   bit dat=0;   DQ = 1;    //DQ復(fù)位   DelayUs2x(5);   //稍做延時(shí)   DQ = 0;         //單片機(jī)將DQ拉低   DelayUs2x(200); //精確延時(shí) 大于 480us 小于960us   DelayUs2x(200);   DQ = 1;        //拉高總線   DelayUs2x(50); //15~60us 后 接收60-240us的存在脈沖   dat=DQ;        //如果x=0則初始化成功, x=1則初始化失敗   DelayUs2x(25); //稍作延時(shí)返回   return dat;}
/*------------------------------------------------                    讀取一個(gè)字節(jié)------------------------------------------------*/unsigned char ReadOneChar(void){   unsigned char i=0;   unsigned char dat = 0;   for (i=8;i>0;i--) {    DQ = 0; // 給脈沖信號(hào)    dat>>=1;    DQ = 1; // 給脈沖信號(hào)    if(DQ)    dat|=0x80;    DelayUs2x(25); }    return(dat);}/*------------------------------------------------                    寫入一個(gè)字節(jié)------------------------------------------------*/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);}
/*------------------------------------------------                    讀取溫度------------------------------------------------*/unsigned int ReadTemperature(void){   unsigned char a=0;   unsigned int b=0;   unsigned int t=0;   Init_DS18B20();   WriteOneChar(0xCC); // 跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作   WriteOneChar(0x44); // 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換   DelayMs(10);   Init_DS18B20();   WriteOneChar(0xCC); //跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作   WriteOneChar(0xBE); //讀取溫度寄存器等（共可讀9個(gè)寄存器） 前兩個(gè)就是溫度   a=ReadOneChar();   //低位   b=ReadOneChar();   //高位
   b<<=8;   t=a+b;
   return(t);}

今天的文章到這里就結(jié)束了。。。

你學(xué)到了嗎？

　　審核編輯：湯梓紅

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