(原创)巩固理解基于DS18B20的1-wire协议(MCU，经验)
1.Abstract
如前篇随笔所写，将以前遇到最难懂的两个部分重拾一下。前一篇写的是I2C协议（http://www.cnblogs.com/hechengfei/p/4117840.html），这一篇就来写基于DS18B20的1-wire协议。以前用到它的时候是借助别人写的文章和配套程序，整了一个一知半解；现在重新学习一遍，我想参考的资料就只有唯一一份了——芯片手册，最为权威和齐全的。在平静下来写这个的时候，着实花了很大精力将手册从头看到尾，部分的时序图在草稿纸上画了画，理解也更加深刻了一些。
总线的结构都是差不多的，相对于上篇中的I2C总线，1-wire总线结构从逻辑上来说还简单一点，要说复杂的地方，那就是比较严格的时序了——规定的时间内必须完成某事，否则容易出岔子。关于1-wire总线的优劣势，在仔细分析完一个具体的器件以后，再来做结论比较适合，下面开始正文。
2.Content
挂在1-wire总线上的，一般都只有一个主器件，一个或者多个从器件；而且通常情况下单个器件的情况居多。构成主器件的，都是微控制器或者可编程逻辑器件（CPLD/FPGA），从器件就是各个厂商生产的具体功能芯片了（尤其是DALLAS Semiconductor 公司）。下面以一个具体的实例为例，分析下它是如何工作的。器件使用典型的DS18B20温度传感器，在1-wire总线结构中，它只能作从器件。
2.1 协议分析
和分析I2C的协议一样，把挂在总线上的器件分为两种；一种是主器件，它具有控制总线的权利，主动与从器件打交道；另外一种是从器件，它受主器件的指挥；一般都是站在主器件的角度去看总线（因为从器件是受控对象，它的功能已经实现好了，只需要给它特定的指令，它就会自动地去做某件事儿）。
和其他总线通信一样，主器件需要知道从器件的一些基本信息——器件地址和器件内部的控制信息。对于DS18B20来说，解决它的器件地址还真不是一件容易的事儿，看看它的地址信息是怎么分配的。
FIG2.1 DS18B20内部ROM信息
DS18B20的内部ROM有64位，分为8个字节（8 * 8 = 64bit）；第一个字节是器件家族的固定编码，DS18B20为28H；中间的6个字节48位为器件的序列号，也就是器件地址（最为关注的就是它了）；最后一个字节是前面 8 + 48 = 56 位的循环冗余校验码（CRC CODE），若是主器件想读取该器件的ROM信息，可以将前56位编码做一个循环冗余校验，生成一个8bit的循环冗余校验码，然后和最后的这一个字节进行对比，若相同，则说明读取信息是正确的，否则，主器件的读取是有误的。
从上面的分析中，找到了关键的地址信息——中间的这个48bit序列号，按照数学的逻辑组合，它可以分配2的48次方281,474,976,710,656个地址，以亿为单位算，有281474亿个地址！实在是太多了，所以器件生产商将每一个器件都做了一个固定的序列号；不过这样有一个麻烦的是，拿到手中的器件的地址信息最开始是不知道的，要想获得某个器件的地址，必须得用主器件将它的这个序列号读取出来；然而实际上，在1-wire总线上挂了多个DS18B20的器件，要将它们的地址都获取出来，是非常麻烦的；芯片手册里给出了一种算法，将不同的器件识别出来，这里的识别指的不是准确的获取它们的序列信息。所以通常情况下，在未知器件序列号的情况下，都是采用单个从器件跟主器件连接的。要想主器件上一根I/O口线连接多个从器件，那么就得想想其他办法了。
这里提出一种简单的方法供参考。鉴于DS18B20的数据输出口传输的是数字信号，故MCU的数据端口也应该配置的数据输入输出端口；将它们抽象起来看，就是一个数字端口能分时的与多个数字端口连接，常采用方法就是用选择器，n个地址的选择器就可以分2的n次方个连接端口，下图是以8选1的集成芯片74151做例子解释。
FIG2.2 74151多路选择器
本图的重要目的是为了解释接口的关系，图纸并不完全。左边是DS18B20的插座，数据接入选择器的输入端，输出端和输入端口选择的地址接在MCU输入输出端子上。如果还需要接更多的DS18B20器件，可以采用选择器路数更多的功能芯片，如16选1，32选1等；如果还需要接有更多的从器件，按照这种逻辑可以使用CPLD/FPGA器件，它们的引脚数比较众多，是做数字设计的好帮手。这样用多路选择器的方法可以解决多个DS18B20分时共用一个数据端口的问题。
由上述可知，1-wire总线上在同一个时间点上主器件只和一个从器件相连，构成一对一的关系，所以主器件知道从器件的地址信息就不再有意义了。在1-wire通信中，主器件需要了解从器件的控制信息显得更为重要一些了。
对应于主器件，和从器件通信只有两件事儿，其一是向从器件写数据，另外一个是从从器件读数据。基于DS18B20的1-wire通信协议将器件的控制信息全部列举出来，主器件只需要发送这些控制命令，就可以执行相应的操作了。
FIG2.3 DS18B20的指令对照表
由于DS18B20内部的寄存器不多（只有七个，其中有三个作为保留），所以对器件进行读写的控制就比较简单，发送相应的读写命令指令以后，器件就会按照协议进行数据交换。整体的读写操作流程如下图所示。
FIG2.4 主器件向从器件写数据
FIG2.5 主器件从从器件读数据
和其他的通信协议一样，主器件的写操作分为五大步骤，建立通信、写ROM操作指令、写控制操作指令、数据交换、结束通信。
1-wire协议对它们进行了详细地规定；建立通信是一段480us~960us的低电平复位，如下图所示。
FIG2.5 DS18B20的初始化
操作首先是主控给一段480-960us的低电平，然后释放总线（将总线拉高）；紧接着DS18B20等待15-60us以后，输出一个时常为60-240us的低电平，表示收到主器件发来的初始化信息；之后将总线释放掉。主器件可以通过从器件返回的这个低电平判断器件是否正常连接（相当于一个应答）。
写ROM操作指令。具体主器件是如何将数据一位一位地通过1-wire传送到从器件，这个在后边讲述；这里将它抽象出来，作为一个指令来叙述。 写ROM的操作指令有5个，如下表所示。
表2.1 ROM指令对照表
| ROM指令 | 指令功能 |
| 33H | READ ROM |
| 55H | MATCH ROM |
| F0H | SERACH ROM |
| ECH | ALARM SERACH ROM |
| CCH | SKIP ROM |
虽然器件给出了五种ROM的操作指令，但是在实际应用中，主器件与从器件的连接是1对1的，所以一般情况下是不需要对ROM数据进行太多的处理的，所以CCH（SKIP ROM）这条ROM指令用得最多。
写一个控制操作指令。在主器件进行完写ROM操作指令以后，紧接着就是要写一个控制指令了，控制指令表由图FIG2.3给出了，这里只将控制指令部分和指令功能部分列成表给出。
表2.2 控制指令对照表
| 控制指令 | 指令功能 |
| 44H | Convert T |
| BEH | Read Scratchpad |
| 4EH | Write Scratchpad |
| 48H | Copy Scratchpad |
| B8H | Recall E2 |
| B4H | Read Power Supply |
简单的解释一下吧，44H(Convert T)指令是让从器件进行温度转换的指令，在正确读取温度数据之前，需要对当前的温度进行转换;BEH(Read Scratchpad)指令是将从器件中的9个RAM数据读取出来，DS18B20的内部RAM结构图如下图所示。
FIG2.6 DS18B20内部RAM一览表
前两个数据是温度转换数据，紧接着的两个是温度上下限控制数据，第五个是配置寄存器，第6到第8个是保留寄存器，第9个是前边数据的CRC校验数据。与掉电数据丢失的SCRATCHPAD RAM块相比，器件内部设置了一个掉电不丢失的电可擦除E2RAM，用于保存温度上下限控制数据和配置寄存器数据。
这些数据是按BYTE0 到BUTE8的顺序逐步读出的。若需要读取E2RAM块的数据，则需要先执行将E2RAM的数据写入到SCRATCHPAD的控制指令。下面简要的说明一下其他控制指令的功能。
BEH(READ SCRATCHPAD)指令是读取SCRATCHPAD的指令，执行此条指令以后，从器件会将内部SCRAPTCHPAD的数据逐步的发送至1-wire上。当然在读的这个过程中，主器件随时可以中断读操作，只对特定感兴趣的数据读取。
4EH(WRITE SCRATCHPAD)指令是写SCRATCHPAD指令，执行此条指令以后，主器件需要完整地将温控上下限数据(TH 与TL)和配置数据(CONFIG)依次发送到1-wire上。值得注意的是此条指令的写只是将数据存放到SCRATCHPAD中，而不是E2RAM中，它是会掉电丢失的。
48H(COPY SCRACTCHPAD)指令是将SCRATCHPAD中的温控上下限数据(TH与TL)和配置数据(CONFIG)写到E2RAM中，用于掉电数据保持。执行此条指令以后后续不需要再写数据。
B8H(RECALL SCRATCHPAD)指令是将E2RAM的数据读到SCRATCHPAD中，一般是用于读取E2RAM的数据进行校验的场合。执行此条指令以后后续不需要再写数据。
B4H(READ POWER SUPPLY)指令是读取芯片的供电方式。一种是独立的电源供电，返回1；另外一种是用DQ引脚端复合供电，返回0。执行此条指令以后后续不需要再写数据。
了解总体的数据读写操作流程以后，剩下的就是具体的读写操作过程了。因为读写的操作过程数据线上只有0和1的变化，没有时钟的辅助，所以DS18B20对时序的控制非常严格。还是站在主器件的角度去看。
FIG2.7 主器件写一位0或者1数据时序操作
主器件的写是一个特定时间内完成特定数据的变化的过程。主器件首先要发送一个大于1us的低电平，后续就发送相应的数据位，整个1位写的时常至少为60us。如上图左边写0的过程，主器件首先发送一个大于1us的低电平电平，由于数据是0，所以后续的电平为低电平，直至整个位长时间结束(至少60 - 1us)。写完1位数据以后，需要释放数据线，否则数据线低电平时间超过480us，则导致器件开始初始化操作。右边写1的过程也是一样，主器件首先发送一个大于1us的低电平，由于数据是1，所以发送完低电平以后就需要释放数据线，数据线高电平时间一直保持到整个位长时间结束（至少60-1us）；与发送1相比，最后可以不需要释放总线（因为数据线本就是高电平）。图中灰色的方框内给出了典型的操作时间；在前15个us以内，写操作主控需要将数据线拉低至少1us，然后将要发送的数据电平发送到数据上并保持稳定，这整段的时间最好在15us左右，余下的15+30 = 45us是从器件DS18B20读取数据（电平采样）的过程；采样完成以后，需要释放数据线，两位数据读取的时间要大于1us。
FIG2.8 主器件读取一位0或者1数据的时序操作
理解了主器件写一位数据的操作流程，那么来理解主器件读一位数据的操作流程就比较简单了，它们的格式都是一样的。主器件读取一位数据之前，也需要发送一个大于1us的低电平，然后等待从器件将相应的数据放到数据线上直到稳定；主器件等待一段时间以后对数据线进行采样，如果数据线为高电平，表示从器件发送了一个1；相反，如果数据线为低电平，则表示从器件发送一个0数据。整个读取一位数据的时长至少为60us，1位数据读取完毕以后，从器件会自动的将数据线释放掉，做好发送下一位数据的准备。
插一段理解。纵观通信特点，读和写都的过程都是差不多的；每一次读或写的开始，主器件都需要发送一个至少1us时常的低电平，可以认为是数据传输的开始，紧接着是将数据放到数据线并稳定下来，这整个的时常大约为15us，余下的时间就是等待主器件或者从器件的采样操作，最后就是将数据线释放掉，准备下一次数据的传输操作。
2.2 基于MCU的协议实现
用MCS-51来实现一下，采用的是传统51单片机，12M晶振，故指令时间最短为1us。
2.2.1 DS18B20 复位
bit Init_DS18B20(void) { bit dat=0; // DQ复位 DQ = 1; DelayUs2x(5); // 稍做延时,高电平维持一小段时间 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; }
2.2.2 MCU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; // 给低电平信号 dat>>=1; _Nop(); _Nop(); // 维持一段时间 DQ = 1; // 给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; DelayUs2x(25); // MCU采样 } return(dat); }
2.2.3 MCU写一个字节
void WriteOneChar(unsigned char dat) { unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i--) { DQ = 0; // 先发送一个低电平 _Nop(); _Nop(); // 低电平时常大于1us DQ = dat&0x01; // 将数据发送到总线上 DelayUs2x(25); // 保持数据一段时间 DQ = 1; // 释放数据线 dat>>=1; } DelayUs2x(25); // 时序缓冲处理，可省略 }
2.2.4 读取温度转换值
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(750); // 等待数据转换完毕 Init_DS18B20(); // 初始化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; // 数据合并 return(t); }
值得注意的是，主器件每次对从器件的操作，都需要符合固定的通信格式，详细地可以参照2.1节协议分析。
2.3 协议验证
限于手上只有一个DS18B20温度芯片，所以直接将它与MCU相连就可以了，采用默认的12位温度转换方式。不考虑扩展的情况。测试的工具是一个量程为0置100度的液体温度计，温度计的分辨率为0.1度。下面是一个室内室外早晚的测试结果表。
表2.2 温度测试表
| 测量次数 | 温度计测量值（度） | DS18B20测量值（度） |
| 1 | 12.5 | 12.496 |
| 2 | 16.5 | 16.496 |
| 3 | 18.7 | 18.695 |
| 4 | 14.8 | 14.795 |
对照上述的结果表，可以看出测量结果还是比较精确的。产生误差的原因有两个方面，一个是传感器量化的误差，另外一个是温度计的测量精度有限，人眼来读取数值时难免会有些误差。
从上述的结果分析中可以看出，主器件MCU与从器件DS18B20之间按照1-wire的通信方式是成功的。
3.Conclusion
总体上来说，1-wire协议还是不复杂的，但是对时序的要求还是比较高；相对其他的两线或者三线协议，1线协议要实现单根线上挂多个器件是非常麻烦，这或许也是1-wire协议用得不是很广泛的原因吧。
4.Reference
1). AT24C02 datasheet