分布式測溫中傳感器時序與溫度讀取研究

在分布式測溫系統(tǒng)中應(yīng)用了大量的新型傳感器DS18B20，DS18B20是單總線數(shù)字溫度傳感器其硬件接線簡單，但時序非常復(fù)雜。要實現(xiàn)溫度的正確讀取，既要有對DS18B20的ROM操作命令，又有一些功能命令。這些命令的執(zhí)行，既有一定順序，又有特定含義。都需要基于數(shù)字溫度傳感器初始化時序、寫時序和讀時序，按照嚴(yán)格的時序配合才能完成溫度正確采集與讀取。因此要想正確使用單總線數(shù)字溫度傳感器，必須分析其時序關(guān)系，并且基于時序編制正確程序。單總線數(shù)字溫度傳感器時序分析與應(yīng)用研究具有及其重要意義。

2．?dāng)?shù)字溫度傳感器時序
DS18B20與單片機只通過一條數(shù)據(jù)線連接，所以其數(shù)據(jù)的傳輸方式為串行方式。為了正確讀取溫度值，必須嚴(yán)格按照時序配合關(guān)系，進(jìn)行程序編制。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。通信協(xié)議規(guī)定了總線上的多種信號的時序。如：復(fù)位脈沖、響應(yīng)脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1等信號的時序。DS18B20是在嚴(yán)格的時序控制下進(jìn)行正常操作的。換句話講，就是用較為復(fù)雜的軟件來換取簡單的硬件接口。因此要正確使用DS18B20，就必須了解其初始化時序、寫時序和讀時序。

2．1   數(shù)字溫度傳感器初始化時序
初始化時序有時也稱復(fù)位時序，它是數(shù)據(jù)線上所有傳輸過程的開始。整個初始化過程由主設(shè)備發(fā)出的復(fù)位脈沖和DS18B20的響應(yīng)脈沖組成。在主設(shè)備初始化的過程中，主設(shè)備通過拉低數(shù)據(jù)線至少480μS ，DS18B20即認(rèn)為是接收到一個初始化脈沖，接著主設(shè)備釋放數(shù)據(jù)線，在數(shù)據(jù)線上上拉電阻的作用下，數(shù)據(jù)線電平被拉高，并且主設(shè)備進(jìn)入接收模式。在DS18B20檢測到上升沿后，延時15~60μS ，接著通過拉低總線60~240μS以產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。初始化時序如圖2所示。圖1是圖2、圖3和圖4的線型示意圖。

                
圖1    線型示意圖
    
圖2    初始化時序

在分布式測溫系統(tǒng)中CPU采用AT89S52，溫度讀取的初始化程序如下所示：
DAT    BIT  P1.0
INI10: SETB  DAT
MOV  R2, #185
INI11: CLR  DAT
DJNZ  R2, INI11    ; 復(fù)位脈沖時間600us
SETB  DAT    ; 釋放數(shù)據(jù)線
MOV  R2, #28
INI12: DJNZ  R2, INI12    ; 等待60us
CLR  C
ORL  C, DAT    ; 有無應(yīng)答低電平
JC  INI10    ; 若無應(yīng)答，初始化失敗
MOV  R6, #40
INI13: ORL  C, DAT
JC  INI14    ; 數(shù)據(jù)線變高。初始化成功
DJNZ  R6, INI13    ; 低電平最多240us
SJMP  INI10    ; 低電平持續(xù)大于240us,失敗
INI14: MOV  R2, #222
INI15: DJNZ  R2, INI15    ; 應(yīng)答信號至少要持續(xù)480us    
RET

2．2  數(shù)字溫度傳感器寫時序
寫時序包括寫“0”時序和寫“1”時序。寫“1”時序用于主設(shè)備向DS18B20寫入1，寫“0”時序用于主設(shè)備向DS18B20寫入0。無論是哪種寫時序都至少需要60μS ，且在兩次獨立的寫時序之間至少需要1μS的恢復(fù)時間。兩種寫時序均起始于主設(shè)備拉低數(shù)據(jù)線電平。對于寫“1”時序，主設(shè)備在拉低數(shù)據(jù)線之后，緊接著必須在15μS之內(nèi)釋放數(shù)據(jù)線，由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉至高電平；而對于寫“0”時序，在主設(shè)備拉低數(shù)據(jù)線后，只需在整個時序內(nèi)保持低電平即可至少60μS。在寫時序開始后的15~60μS期間內(nèi)，DS18B20讀取數(shù)據(jù)線電平狀態(tài)。如果此期間數(shù)據(jù)線為高電平 ，則對器件寫入邏輯1，否則寫入邏輯0。寫時序如圖3所示。

     
圖3    數(shù)字溫度傳感器寫時序

寫一位程序如下所示。程序中DAT為I/O口P1.0。
WIR11: SETB  DAT  ; 拉高電平
          MOV  R4, #5
          NOP
          CLR  DAT  ; 高電平持續(xù)2us后拉低
WIR12: DJNZ  R4, WIR12  ; 等待10微秒
           MOV  DAT, C  ; 發(fā)送1位
MOV  R4, #23
WIR13: DJNZ  R4, WIR13  ; 保證寫時間大于60us
          SETB  DAT
          RET

2．3   溫度傳感器讀時序
DS18B20只有在檢測到主設(shè)備啟動讀時序后才向主設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。所以一般在主設(shè)備發(fā)送了讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便DS18B20能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有的讀時序都至少需要60μS，且在兩次獨立的讀時序之間至少需要1μS的恢復(fù)時間。每個讀時序都由主設(shè)備發(fā)起，先使數(shù)據(jù)線為高電平，然后拉低數(shù)據(jù)線至少1μS，再釋放數(shù)據(jù)線。在主設(shè)備發(fā)出讀時序之后，DS18B20開始在數(shù)據(jù)線上發(fā)送數(shù)據(jù)0或1。若其發(fā)送1，則保持?jǐn)?shù)據(jù)線為高電平。若發(fā)送0，則DS18B20拉低數(shù)據(jù)線，在該時序結(jié)束后釋放數(shù)據(jù)線。DS18B20發(fā)出的數(shù)據(jù)在起始時序之后15μS內(nèi)保證可靠有效。因而主設(shè)備在讀時序期間必須釋放數(shù)據(jù)線，并且要在時序開始后的15μS之內(nèi)讀取數(shù)據(jù)線狀態(tài)。寫時序如圖4所示。

  
圖4    數(shù)字溫度傳感器讀時序

讀一位程序如下所示：
RE11:   SETB  DAT            ; 使數(shù)據(jù)線為高電平
          NOP
          NOP
          CLR  DAT             ; 高電平持續(xù)2us后拉低數(shù)據(jù)線
          MOV  R4, #4
          NOP     ; 持續(xù)低電平2us
          SETB  DAT  ; 釋放數(shù)據(jù)線
RE12:   DJNZ  R4, RE12 ; 等待8us
MOV  C, DAT     ; 讀入一位
          MOV  R5, #28
RE13:   DJNZ  R5, RE13 ; 保證一個讀周期持續(xù)60us
          SETB  DAT            ; 使數(shù)據(jù)線為高電平
          RET

3．初始化以及讀寫時序應(yīng)用
3．1   溫度采集程序設(shè)計
單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20要完成溫度的采集需要按順序完成如下幾個步驟：初始化、跳過ROM匹配、啟動轉(zhuǎn)換、等待轉(zhuǎn)換完成、初始化、匹配ROM、讀便箋式存儲器、CRC校驗、溫度格式轉(zhuǎn)換、保存溫度值以及顯示等其他處理。按照此步驟，程序設(shè)計時首先就要按照初始化時序執(zhí)行2.1所介紹的初始化程序INI10，其次要將跳過ROM匹配命令（代碼為CCH）寫入到DS18B20中，此時需根據(jù)2.2所介紹的數(shù)字溫度傳感器寫時序編寫對DS18B20一個寫入字節(jié)程序WRITE，將跳過ROM匹配命令寫入DS18B20。為了完成溫度啟動轉(zhuǎn)換，需要將啟動轉(zhuǎn)換命令寫入DS18B20中。用延時750ms等待轉(zhuǎn)換完成。隨后再按照初始化時序執(zhí)行本文中2.1所介紹的初始化程序INI10，用寫入一個字節(jié)程序?qū)⑵ヅ銻OM命令（代碼為55H）寫入到DS18B20中。為了完成讀便箋式存儲器操作，需要先結(jié)合數(shù)字溫度傳感器寫時序?qū)⒆x便箋式存儲器命令（代碼為BEH）寫入到DS18B20中，再用溫度傳感器讀時序編寫的讀一個字節(jié)程序READ，連續(xù)讀取DS18B20便箋式存儲器中9個字節(jié)的內(nèi)容。由此可見，要想實現(xiàn)溫度正確采集，需要結(jié)合上述所介紹的初始化時序、溫度傳感器寫時序和溫度傳感器讀時序，才可以將所需的命令寫入與讀出。完成溫度的正確讀取。

3．2   溫度傳感器序列號讀取程序設(shè)計
每個單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20出廠時都有唯一的一個64位序列號，在使用溫度傳感器之前，需事先將每個溫度傳感器逐一掛接在I/O口如P1.0上，再讀取溫度傳感器的序列號。當(dāng)I/O口上掛接一個溫度傳感器DS18B20時，可以用讀ROM命令完成64位序列號的讀取。程序設(shè)計思路是首先將讀ROM命令（代碼為33H）送入累加器A中，隨后調(diào)用寫入一個字節(jié)程序WRITE，然后調(diào)用讀64位序列號程序DXLH。在寫入一個字節(jié)程序WRITE中，置循環(huán)次數(shù)為8，再調(diào)用寫入一位子程序，嚴(yán)格按照時序關(guān)系，執(zhí)行傳感器寫時序，循環(huán)8次寫完一個字節(jié)。在讀64位序列號程序DXLH中，置內(nèi)部RAM首地址為30H，置循環(huán)次數(shù)為8，調(diào)用讀一個字節(jié)程序READ，將讀取數(shù)據(jù)存放在內(nèi)部RAM中。循環(huán)8次讀完8個字節(jié)即64位序列號。讀出的64位序列號將存放到內(nèi)部RAM 30H ~ 37H單元中。讀一個字節(jié)程序READ如下所示。 

READ:   MOV  R6,  #8            ;  循環(huán)次數(shù)為8
         SETB  DAT               ;  讀出一位程序，執(zhí)行傳感器讀時序
         NOP
         NOP
RD11:    CLR  DAT
         MOV  R4,  #4
         NOP                     ;  持續(xù)低電平2us
         SETB  DAT              ;  釋放數(shù)據(jù)線
RD12:    DJNZ  R4, RD12          ; 等待8us
         MOV  C, DAT            ;  讀入一位
         RRC  A                  ;  將讀入數(shù)據(jù)移入累加器A
         MOV  R5,  #28
RD13:    DJNZ  R5,  RD13        ;  保證一個讀周期持續(xù)60us
         DJNZ  R6,  RD11         ;  循環(huán)8次讀一個字節(jié)
         SETB  DAT
         RET

上述程序執(zhí)行完畢，可將溫度傳感器的64位序列號存放在單片機內(nèi)部RAM 30H ~ 37H單元中。

4．分布式測溫系統(tǒng)中溫度顯示
分布式測溫系統(tǒng)中，采用液晶顯示可以實現(xiàn)房間號的顯示，實際溫度的顯示，報警上限值的顯示以及報警發(fā)生時的時間。還可以循環(huán)顯示多個房間的實際溫度和上限值。如圖5所示。

    
圖5   分布式測溫系統(tǒng)中對應(yīng)房間溫度以及報警上限顯示

5．結(jié)束語
正確讀取多個單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的溫度在分布式測溫系統(tǒng)中是非常重要的。由于在程序設(shè)計時必須根據(jù)嚴(yán)格的時序關(guān)系，因此本文作者創(chuàng)新點是詳細(xì)闡述了初始化時序、讀寫時序等復(fù)雜邏輯關(guān)系，設(shè)計了正確的溫度序列號讀取程序和溫度讀寫程序并能夠進(jìn)行液晶顯示。由于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20各個功能的實現(xiàn)是通過各種ROM命令與操作功能命令實現(xiàn)的，這些命令一環(huán)扣著一環(huán)，每個環(huán)都是一個時序的集合。在進(jìn)行程序調(diào)試時，不能像調(diào)試其它程序一樣用單步執(zhí)行來進(jìn)行跟蹤，因此對錯誤查找和程序優(yōu)化帶來了很大的難度。在遇到程序運行出錯時，只能夠根據(jù)錯誤現(xiàn)象來分析、推測、修改和再運行來解決，而不能直接定位。文中所介紹的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20程序設(shè)計思路與方法，目前已較好地應(yīng)用于分布式測溫系統(tǒng)中，并且滿足一定精度要求。