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引言
為了滿足實(shí)時(shí)性要求較高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，針對(duì)串聯(lián)多個(gè)器件在一線制總線上的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的在查詢多點(diǎn)溫度時(shí)速度緩慢的問題，北京銘正同創(chuàng)科技有限公司提出了一種快速查詢多點(diǎn)溫度的解決方案。本方案以Dallas公司開發(fā)的一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20為核心，通過采用每個(gè)并行端口上連接一個(gè) DS18B20器件，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)DS18B20進(jìn)行同步操作的方法。本方案可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制、儀器儀表產(chǎn)品中。
關(guān)鍵字 快速多點(diǎn)溫度查詢 工業(yè)控制 儀器儀表 銘正同創(chuàng)
1 技術(shù)概述
Dallas公司開發(fā)的一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一款性能優(yōu)異的數(shù)字式傳感器，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制、儀器儀表產(chǎn)品當(dāng)中。DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器相比，能夠直接讀出被測溫度，并且根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程可設(shè)置9~12位的分辨率，可以在750ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字量，具有多種可選的封裝方式。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，可靠性更高。DS18B20器件具體的封裝形式如下圖所示：
GND 接地
DQ 一線制總線（輸入/輸出）
VD 供電電源
而DS18B20的一線制總線獨(dú)特而經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。一般應(yīng)用一線制總線對(duì)DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)溫度監(jiān)控時(shí)，多采用如下的電路形式，即在一DQ線上串接多個(gè)DS18B20器件。如下圖：
在一線制總線上串接多個(gè)DS18B20器件時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其中一個(gè)DS18B20器件進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換和讀取操作主要包括以下13個(gè)步驟 （所有的操作都是通過DQ線進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)模?br> 1 主機(jī)MCU發(fā)復(fù)位脈沖
2 DS18B20發(fā)應(yīng)答脈沖（即MCU接收該應(yīng)答信號(hào)，以確認(rèn)器件在總線上）
3 主機(jī)發(fā)匹配ROM命令
4 主機(jī)發(fā)64位器件序列號(hào)（器件序列號(hào)與總線上的某個(gè)DS18B20器件一一對(duì)應(yīng)）
5 主機(jī)發(fā)溫度轉(zhuǎn)換指令
6 總線保持高電平50ms
7 主機(jī)發(fā)復(fù)位命令
8 DS18B20發(fā)應(yīng)答脈沖
9 主機(jī)發(fā)匹配ROM命令
10 主機(jī)發(fā)64位器件代碼
11 主機(jī)發(fā)讀數(shù)據(jù)寄存器指令
12 主機(jī)接收數(shù)據(jù)
13 主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖
參考DS18B20的數(shù)據(jù)手冊可知，當(dāng)DS18B20的精度設(shè)置為12位精度表示時(shí)，依據(jù)上面的步驟完成對(duì)一個(gè)器件的測溫、讀取溫度值的過程，大概會(huì)消耗掉1秒鐘的時(shí)間。而如果總線上存在8個(gè)DS18B20器件的話，完成一次8個(gè)器件的查詢需要8秒的時(shí)間，這不還沒計(jì)算在系統(tǒng)初始化時(shí)，對(duì)總線上的器件序列號(hào)進(jìn)行初始化過程所消耗的時(shí)間。
針對(duì)所述利用多個(gè)DS18B20器件串接在一線制總線上進(jìn)行多點(diǎn)溫度查詢時(shí)速度慢的原因，做進(jìn)一步分析如下。
DS18B20器件在進(jìn)行一線制總線操作時(shí)，僅有一根DQ線用于雙向的數(shù)據(jù)傳輸，每一個(gè)操作最小的細(xì)分至每一個(gè)的讀寫過程，即一個(gè)位的讀寫操作為一線制總線操作的最小單位，可以參考DS18B20的手冊，了解到每一次最小單位的總線操作利用了規(guī)定時(shí)間內(nèi)MCU驅(qū)動(dòng)DQ線的高低電平來決定讀/寫的操作，然后在其后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成讀/寫一個(gè)位數(shù)據(jù)的操作。這樣，就決定了每一次操作的過程中，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)越多，每一次的操作耗時(shí)越長。而 DS18B20的一線制總線的操作對(duì)時(shí)序的要求很嚴(yán)格，一般在設(shè)計(jì)MCU對(duì)其總線操作的程序時(shí)，都是利用延時(shí)去保證每個(gè)讀寫周期的時(shí)間準(zhǔn)確性，即說明這些時(shí)間內(nèi)CPU必然是閑置的。如下圖示意了一個(gè)寫0和1操作的時(shí)序：
另外，在多個(gè)器件串接在一線制總線上時(shí)，為了區(qū)分每次操作是針對(duì)總線上哪一個(gè)器件，DS18B20器件在內(nèi)部提供了每個(gè)器件獨(dú)有的64位 ROM序列號(hào)，也就是說每一次操作都要首先在對(duì)DS18B20器件的ROM序列號(hào)進(jìn)行匹配后，方可對(duì)其中的某一個(gè)器件進(jìn)行測溫/讀取溫度值的操作�？梢怨浪愠觯恳淮涡蛄刑�(hào)的匹配操作，差不多需要4ms的時(shí)間，完成一次完整的測溫/讀取溫度值操作，就需要進(jìn)行兩次序列號(hào)匹配，即消耗掉大概8個(gè)ms的時(shí)間。
多個(gè)器件串接在總線上時(shí)，對(duì)所有的器件的查詢操作，需要一個(gè)一個(gè)來，完成一次全部器件的查詢需要成倍的操作時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)把大量時(shí)間消耗在時(shí)序所要求的延時(shí)上。
此外，當(dāng)采用多個(gè)器件串接在一線制總線的系統(tǒng)時(shí)，還需要在系統(tǒng)的初始化其間花銷較長的時(shí)間來進(jìn)行煩瑣的總線上器件的序列號(hào)查詢，并以此獲知總線上的每個(gè)器件的序列號(hào)。
如前所述，可以總結(jié)出，影響查詢多點(diǎn)DS18B20溫度速度的最主要因素有如下幾個(gè)：
1．每次操作都需要附加兩次對(duì)64位序列號(hào)的匹配過程；
2．多個(gè)器件串接，完成全部的查詢就需要與器件個(gè)數(shù)成倍增長的耗時(shí)。
這樣的應(yīng)用在一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較高的系統(tǒng)當(dāng)中，是非常占用資源的（雖然省掉了端口資源，但CPU不得不等待N長時(shí)間后方可獲取多點(diǎn)的溫度值），所以使用起來總會(huì)有些遺憾。下面，介紹一種快速查詢多點(diǎn)DS18B20溫度的方法，包括硬件的連線構(gòu)成以及軟件的編程思路。
2 解決方案
由于一般都會(huì)將對(duì)DS18B20器件的溫度查詢放置在中斷當(dāng)中實(shí)現(xiàn)或者是在程序的主循環(huán)當(dāng)中采用定時(shí)查詢的方法實(shí)現(xiàn)，所以這就要求每次對(duì) DS18B20的操作都能快速的完成，盡快退出來進(jìn)行其它的處理。所以為了解決串聯(lián)多個(gè)器件在一線制總線上的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的在查詢多點(diǎn)溫度時(shí)速度緩慢的問題，本設(shè)計(jì)提出一種解決方案，具體說是通過修改硬件連接來實(shí)現(xiàn)方便快捷的查詢多點(diǎn)DS18B20器件溫度的方法。
2.1 快速查詢多點(diǎn)DS18B20溫度的方法簡述
當(dāng)一線制總線上僅有一個(gè)DS18B20器件時(shí)，可以用skip ROM操作（即跳過ROM匹配）命令來代替64位序列號(hào)的匹配過程，這點(diǎn)也是使用單個(gè)DS18B20器件的系統(tǒng)常用的方法。所以，要想節(jié)省掉64位序列號(hào)匹配的時(shí)間開銷，就必需設(shè)計(jì)成一個(gè)一線制總線上僅有一個(gè)DS18B20器件的系統(tǒng)。
DS18B20的一線制總線在時(shí)序上的嚴(yán)格要求，也從另一方面意味著在一定的彈性范圍內(nèi)，不同DS18B20器件的時(shí)序細(xì)節(jié)上的一致性應(yīng)該是非常好，所以可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成利用MCU的并行端口同時(shí)對(duì)多個(gè)DS18B20進(jìn)行統(tǒng)一的操作，不過這時(shí)候并行端口上的每一個(gè)端口連接著一個(gè)DS18B20 器件而已。
本文所述的解決方案正是以端口的消耗為代價(jià)，換取對(duì)多點(diǎn)DS18B20溫度查詢的速度，并在程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上采用一些巧妙的處理方法，使得系統(tǒng)對(duì)DS18B20的操作上花更少的時(shí)間。此外，采用本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的快速多點(diǎn)溫度查詢系統(tǒng)，可以省掉煩瑣的總線上器件序列號(hào)的查詢操作，并可節(jié)省大量的存儲(chǔ)空間（原用于存儲(chǔ)總線上器件的序列號(hào)所用的空間）。
從理論上分析，本設(shè)計(jì)方案的采用，查詢多個(gè)DS18B20器件操作所消耗的時(shí)間與查詢一個(gè)DS18B20器件操作所消耗的時(shí)間是等量的。
下面以查詢8個(gè)DS18B20器件為例詳細(xì)分析此方法的設(shè)計(jì)思想。
2.2 系統(tǒng)硬件連接
本系統(tǒng)方案8個(gè)DS18B20器件連接在MCU的一組端口的8個(gè)I/O口上，連線示意圖如下所示： 當(dāng)然，上圖中的示意圖并沒有考慮諸如端口驅(qū)動(dòng)能力、抗干擾處理等，僅表明一個(gè)邏輯的連接示意，具體在產(chǎn)品級(jí)的設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用做必要的處理，比如增加一些必要的電路等，此處不作為討論的重點(diǎn)。
從上圖可見，每個(gè)端口連接有一個(gè)DS18B20器件，也即一條一線制總線上僅有一個(gè)DS18B20器件，符合了前面所述的解決方法。實(shí)際在對(duì)DS18B20器件進(jìn)行操作時(shí)，只需統(tǒng)一地對(duì)這一組并行端口進(jìn)行操作（每個(gè)端口在同一時(shí)間輸出相同的電平狀態(tài)）即可。
一個(gè)端口對(duì)應(yīng)一個(gè)DS18B20器件，也就表示每組端口的某一個(gè)位的讀回?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)也就是該端口所對(duì)應(yīng)的器件的輸出狀態(tài)，所以，這樣的系統(tǒng)里面是不需要進(jìn)行每個(gè)器件的序列號(hào)搜索、匹配的操作的�？芍趯�(duì)DS18B20器件進(jìn)行操作時(shí)，可以使用skip ROM命令來跳過ROM序列號(hào)匹配的操作，也即在所有的DS18B20器件的ROM操作時(shí)可以使用相同的端口輸出時(shí)序。
2.3 軟件設(shè)計(jì)思路
總結(jié)前面所介紹的電路示意圖，下面詳細(xì)介紹程序設(shè)計(jì)思想。
在接下來的軟件介紹中，會(huì)以C語言的例子介紹具體的編程思路，但這些代碼并非就是實(shí)際中所使用的代碼，僅作為邏輯性的參考，以便大家理解。這些代碼是從一個(gè)產(chǎn)品的應(yīng)用當(dāng)中摘出的，而程序設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也是從具體的設(shè)計(jì)當(dāng)中分解出來的，供大家參考。
軟件設(shè)計(jì)從最底層的與DS18B20時(shí)序相關(guān)的驅(qū)動(dòng)，到與一線制總線器件處理過程控制/協(xié)議的接口函數(shù)，再上升到應(yīng)用API接口函數(shù)的關(guān)系如下圖所示： 在對(duì)連在一組8位端口上的8個(gè)DS18B20操作時(shí)，是同時(shí)對(duì)該組端口進(jìn)行操作，也即同時(shí)對(duì)8個(gè)DS18B20器件進(jìn)行同步的操作。
范例程序是根據(jù)筆者的項(xiàng)目當(dāng)中的功能需求而設(shè)計(jì)的，不一定會(huì)適合所有人的使用方法，但程序設(shè)計(jì)思想是可以參考的，這點(diǎn)請使用者在參考本文時(shí)對(duì)這里的范例進(jìn)行一定的取舍。下面詳細(xì)介紹一個(gè)以MCS51系列單片機(jī)的應(yīng)用為例的范例程序，其中約定與8個(gè)DS18B20器件進(jìn)行連接的是P1端口。
2.3.1 底層時(shí)序驅(qū)動(dòng)
底層時(shí)序驅(qū)動(dòng)程序與DS18B20的一線制總線的協(xié)議保持一致，根據(jù)一線制總線時(shí)序的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了四個(gè)基本的函數(shù)：
總線寫1時(shí)序控制函數(shù)：
void DS18B20_Write_1(void)
{
P1 = 0x00; //8個(gè)DQ 線全部設(shè)置為低電平
Delay_1us(10); //延時(shí)10us左右
P1 = 0xff; //8個(gè)DQ線全部輸出高電平
Delay_1us(30); //延時(shí)30us左右
}
總線寫0時(shí)序控制函數(shù)：
void DS18B20_Write_0(void)
{
P1 = 0x00; //8個(gè)DQ 線全部設(shè)置為低電平
Delay_1us(40); //延時(shí)
P1 = 0xff; //端口恢復(fù)高電平
Delay_1us(1);
}
總線讀取一個(gè)數(shù)據(jù)位時(shí)序控制函數(shù):
unsigned char DS18B20_ReadDQ(void)
{
unsigned char DQ_S=0;
P1 = 0x00; //8個(gè)DQ 線全部設(shè)置為低電平
Delay_1us(10);
P1 = 0xff; //端口置1，準(zhǔn)備讀取
Delay_1us(1); //延時(shí)待總線準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)
DQ_S = P1; //一次性讀取8條DQ線的數(shù)據(jù)狀態(tài)
P1 = 0xff; //恢復(fù)端口電平
Delay_1us(30); //延時(shí)
return DQ_S; //返回讀取的值
}
在讀取一個(gè)總線狀態(tài)數(shù)據(jù)位的函數(shù)中，將會(huì)返回一個(gè)byte的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的8個(gè)位正好與連接在P2端口上的8個(gè)I/O口對(duì)應(yīng)，如下圖所示：
總線復(fù)位時(shí)序控制函數(shù)：
void DS18B20_Reset(void)
{
unsigned char Error_Counter=0;
P1 = 0x00; //8個(gè)DQ 線全部設(shè)置為低電平
Delay_1us(500); //保持總線低電平500us
P1 = 0xff;
Delay_1us(100);
if(P1!=0x00) B20_Error = P1;//如檢測到DS18B20總線響應(yīng)了回復(fù)信號(hào)，則讀取當(dāng)前8條
//總線的狀態(tài)
Delay_1us(50);
P1 = 0xff;
for(Error_Counter=0;Error_Counter <200;Error_Counter++)
{
if((P1&(~B20_Error))==(~B20_Error)) break; //如檢測到總線的回復(fù)信號(hào)結(jié)
//束，則退出循環(huán)
Delay_1us(1);
}
P1 = 0xff; //恢復(fù)端口電平
Delay_1us(200); //延時(shí) 200us~~~
}
在復(fù)位時(shí)序控制的函數(shù)中，使用了B20_Error全局變量，它將會(huì)傳遞給上一層的數(shù)據(jù)處理函數(shù)作為判斷當(dāng)前8個(gè)I/O口所接的DS18B20是否正常工作，或者是否在各自的總線上。
2.3.2 操作協(xié)議相關(guān)的函數(shù)
分析DS18B20的一線制總線控制命令，可以提煉出兩個(gè)最基本的操作函數(shù)，一個(gè)是寫一個(gè)byte數(shù)據(jù)至DS18B20器件，另一為讀取 DS18B20器件的數(shù)據(jù)。而在本文的范例程序當(dāng)中，僅僅為了提取DS18B20器件的轉(zhuǎn)換完后的溫度值，所以在讀取DS18B20的數(shù)據(jù)時(shí)，僅讀取存放在數(shù)據(jù)地址前兩個(gè)字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)，而不讀取其它字節(jié)的數(shù)據(jù)，包括CRC校驗(yàn)值也沒有進(jìn)行讀取，供參考。
寫字節(jié)操作函數(shù)：
void DS18B20_WriteByte(unsigned char Com)
{
unsigned char i;
for(i=0;i <8;i++)
{
if(Com&0x01)
DS18B20_Write_1();
else
DS18B20_Write_0();
Com = Com> > 1;
}
}
調(diào)用DS18B20_WriteByte函數(shù)，連在8個(gè)I/O口上的一線制總線上的8個(gè)DS18B20器件，將都會(huì)接收到同樣的一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)：Com。
讀數(shù)據(jù)操作函數(shù)：
unsigned char Read_buf_8ch[16]; //buffer of Read DS18B20
void DS18B20_Read2Byte(void)
{
unsigned int i;
for(i=0;i <16;i++)
{
Read_buf_8ch[i] = DS18B20_ReadDQ();
}
}
前面已經(jīng)介紹過了，在本范例中，只讀取位到DS18B20內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)域的前兩節(jié)字的溫度值數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)讀取函數(shù)設(shè)計(jì)成讀取兩個(gè)字節(jié)的函數(shù)，即需要連續(xù)讀取16個(gè)位（對(duì)應(yīng)于每一個(gè)DS18B20器件來說是連續(xù)的16個(gè)位）。而將讀回的數(shù)據(jù)保存于一個(gè)Read_buf_8ch（簡寫：Rb）的數(shù)組中，可以根據(jù)系統(tǒng)的接線圖對(duì)讀回的16個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如下圖所示： 讀取DS18B20的數(shù)據(jù)時(shí)，先讀高位再讀低位；所以可以從上圖看到，以TM2的DS18B20的數(shù)據(jù)為例，TM2的兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)由 Read_buf_8ch數(shù)組的16個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)中的每個(gè)字節(jié)的bit2位組成�？芍瓿梢淮螖�(shù)據(jù)讀取的操作后，可以同時(shí)讀回8個(gè)DS18B20器件的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，只需針對(duì)上圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)Read_buf_8ch數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到每個(gè)DS18B20器件的測溫值。
2.3.3 API功能函數(shù)：
供上層應(yīng)用程序直接調(diào)用的函數(shù)相對(duì)來說，是與系統(tǒng)的具體硬件接法沒有太多的關(guān)系，只需要依照DS18B20器件的操作流程進(jìn)行操作即可。在此，提供兩個(gè)API的范例，分別是啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換控制函數(shù)和讀取溫度值函數(shù)。
啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換控制函數(shù)：
void DS18B20_Conver(void)
{
DS18B20_Reset();
DS18B20_WriteByte(0xcc); //Skip ROM
DS18B20_WriteByte(0x44); //啟動(dòng)測溫
}
讀取溫度值函數(shù)：
void DS18B20_ReadTemp(void)
{
DS18B20_Reset();
DS18B20_WriteByte(0xcc); //Skip ROM
DS18B20_WriteByte(0xbe); //送入讀取數(shù)據(jù)命令
DS18B20_Read2Byte();
}
調(diào)用讀取溫度值函數(shù)后，8個(gè)DS18B20器件的測溫?cái)?shù)據(jù)將保存在數(shù)組Read_buf_8ch的16個(gè)字節(jié)單元當(dāng)中，還有待進(jìn)行下一步的處理，方可得到對(duì)應(yīng)每個(gè)DS18B20器件的測溫值。下面介紹簡單的處理代碼片斷：
char i,j;
unsigned int uiData[8];
unsigned char Mask;
//OS the resoult of Temperature
for(i=15;i> =0;i--)
{
Mask = 0x01;
for(j=0;j <8;j++)
{
uiData[j] = uiData[j] < <1;
if(Read_buf_8ch[i]&Mask) uiData[j]++;
Mask = Mask < <1;
}
}
經(jīng)過上述簡單的處理，8個(gè)DS18B20器件的測溫?cái)?shù)據(jù)將保存在數(shù)組uiData當(dāng)中的8個(gè)單元里，就可以根據(jù)自身程序設(shè)計(jì)的需求來對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的處理了。
3 結(jié)語
本文介紹的快速查詢多點(diǎn)DS18B20溫度的設(shè)計(jì)方案，解決了串聯(lián)多個(gè)器件在一線制總線上的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的在查詢多點(diǎn)溫度時(shí)速度緩慢的問題，基本的設(shè)計(jì)思想是：將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在每個(gè)并行端口上連接一個(gè)DS18B20器件，利用MCU的并行端口同時(shí)對(duì)多個(gè)DS18B20進(jìn)行統(tǒng)一的操作，實(shí)現(xiàn)操作多個(gè) DS18B20器件的時(shí)間等同于操作單個(gè)DS18B20器件的時(shí)間。本設(shè)計(jì)思想，可以大大減少在查詢多個(gè)DS18B20測溫值的時(shí)間開銷，滿足了實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求；同時(shí)，也省掉了煩瑣的總線上多個(gè)器件序列號(hào)搜索的代碼的步驟，并且節(jié)省了用于存儲(chǔ)這些器件的序列號(hào)的存儲(chǔ)單元，使得利用 DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)測溫的操作變得更方便、容易。
雖然本文介紹的方法是以犧牲端口資源為代價(jià)，但具體在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，也可以通過一些擴(kuò)展端口、串轉(zhuǎn)并端口、多路模擬開關(guān)等硬件電路設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)這些端口資源的消耗，也可通過這些硬件電路來擴(kuò)展更多的DS18B20器件（如果有必要的話）。
本文所介紹的方法已經(jīng)在筆者參與設(shè)計(jì)的大型恒溫系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。 | 
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