方 凱

山東藝術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南 250014

用并行方式實(shí)現(xiàn)快速讀寫多只單總線器件

方 凱

山東藝術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南 250014

本文簡(jiǎn)單的介紹了單總線串行總線信號(hào)傳輸方式，并提出一種利用MCU的并口進(jìn)行字節(jié)尋址的方式，同時(shí)對(duì)多個(gè)單總線器件進(jìn)行并行讀寫的方法及其具體的算法實(shí)現(xiàn)。

單片機(jī)；MCU；單總線；1-Wire Bus

目前，常用的MCU與外接的元器件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的串行總線主要有I2C總線、SPI總線和SCI總線。其中I2C總線以2線連接（一條時(shí)鐘線，一條數(shù)據(jù)線）進(jìn)行同步串行通信；SPI總線則以3線連接（一條時(shí)鐘線，一條數(shù)據(jù)輸入線，一條數(shù)據(jù)輸出線）進(jìn)行同步通信；SCI總線是以兩線連接（一條數(shù)據(jù)輸入線，一條數(shù)據(jù)輸出線）進(jìn)行異步串行進(jìn)行通信的。這些總線至少需要兩條或兩條以上的信號(hào)線。而美國(guó)的DALLASS半導(dǎo)體公司推出的單總線（1-Wire Bus）技術(shù)采用了單根信號(hào)線，既可傳輸時(shí)鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)具有線路簡(jiǎn)單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。 目前，常見的單總線器件主要有數(shù)字溫度傳感器DS18B20、A/D轉(zhuǎn)換器如DS2450、電源管理芯片DS2438等。

對(duì)于單總線器件，每一個(gè)器件內(nèi)都有一個(gè)64位的ROM，包含有8位的產(chǎn)品系列編碼和48位的ID號(hào)。這些ID號(hào)對(duì)每個(gè)單總線器件都是唯一的，因此我們可以在一條單總線上掛接多個(gè)單總線器件，然后使用單總線傳輸協(xié)議規(guī)定的ReadROM和SearchROM的操作命令來搜索這些器件的ID號(hào)，并用MatchROM命令選擇各個(gè)特定ID號(hào)的單總線器件分別對(duì)其進(jìn)行讀寫。

但是，在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是在一個(gè)MCU上連接有多個(gè)同類型的單總線器件的情況下，這種通過搜索和指定ID號(hào)來讀寫單總線器件的方式并不方便。我們雖然可以用ID號(hào)來區(qū)分各個(gè)器件并且分別對(duì)其讀寫而互不干擾，但是沒有很簡(jiǎn)單的辦法把每一個(gè)ID號(hào)和某個(gè)具體的單總線器件對(duì)應(yīng)起來，因?yàn)槊總€(gè)單總線器件的ID號(hào)都是隨機(jī)的，而且這個(gè)ID號(hào)并沒有標(biāo)示在元件上面。比方說，要在一條單總線上連接兩個(gè)DS18B20溫度傳感器，分別測(cè)量室內(nèi)和室外的溫度，可以用程序搜索到兩個(gè)不同的ID號(hào)，得到兩個(gè)溫度值，但是我們并不知道讀出來的兩個(gè)值哪個(gè)是室內(nèi)的，哪個(gè)是室外的。雖然，對(duì)于上面的實(shí)例我們可以通過手動(dòng)屏蔽掉一個(gè)器件的方式確認(rèn)哪個(gè)ID對(duì)應(yīng)哪個(gè)器件，并修改MCU的程序使之分別顯示室內(nèi)外溫度，但是如果用于大批量生產(chǎn)的實(shí)際產(chǎn)品時(shí)，我們不可能對(duì)每一個(gè)產(chǎn)品的ID號(hào)和實(shí)際所在的位置進(jìn)行手動(dòng)對(duì)應(yīng)。

因此，可以考慮換一種方式來對(duì)多個(gè)單總線進(jìn)行操作：利用MCU的并口同時(shí)對(duì)多個(gè)單總線器件進(jìn)行讀寫。我們將多個(gè)單總線器件分別掛到MCU一個(gè)并口的多個(gè)IO端上，這樣對(duì)于常用的如51系列PIC系列或者AVR系列等8位MCU，一個(gè)單總線讀寫周期內(nèi)就能同時(shí)讀寫8個(gè)單總線器件，而且每個(gè)單總線器件的位置和MCU并口IO端的位置都是對(duì)應(yīng)的。

本文以最常用的單總線器件溫度傳感器DS18B20和最常用的51系列MCU為例，闡述了這種操作方式的實(shí)現(xiàn)。

電路的連接如下：將8只DS18B20溫度傳感器各自的DQ端分別與89C51單片機(jī)的并口P1的8個(gè)IO端相連，然后各傳感器的VCC和GND腳分別接電源和地。

根據(jù)單總線通信協(xié)議規(guī)定，在每一個(gè)單總線讀寫時(shí)序中，一條總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。MCU向單總線器件寫數(shù)據(jù)時(shí)，MCU在拉低總線10～15uS后釋放總線，即向單總線器件寫1；若MCU拉低總線后保持60uS的低電平，則向單總線器件寫0。

MCU從單總線單總線器件讀取數(shù)據(jù)時(shí)，MCU將總線下拉為低電平1uS左右后釋放總線，單總線器件在檢測(cè)到總線電平被拉低后15uS后向MCU傳輸數(shù)據(jù)，若單總線器件發(fā)送1，則總線保持高電平，若發(fā)送0，則拉低總線。

具體對(duì)于一個(gè)DS18B20，我們要輸出或輸入各類數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用位尋址方式，直接對(duì)連接單總線器件的IO端口進(jìn)行位操作，產(chǎn)生上述時(shí)序以對(duì)單總線器件進(jìn)行讀寫。但是，對(duì)于并行連接的多個(gè)DS18B20，如果還采用上述方法，程序就會(huì)變得比較復(fù)雜，而且速度也會(huì)很大的減慢，所以我們換一種方式，用字節(jié)尋址的方式來同時(shí)讀寫連接于一個(gè)并口上的一組DS18B20，這樣就可以一次讀入或?qū)懗?個(gè)位的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化程序并提高讀寫效率的目的。

以并行方式該讀取數(shù)據(jù)的具體實(shí)現(xiàn)算法如下：

使用這樣的方法，我們就可以并行的方式一次讀取不超過8個(gè)的DS18B20單總線溫度傳感器的溫度值到一個(gè)8字節(jié)內(nèi)存數(shù)組TData[]中，而所耗用的時(shí)間和讀取一個(gè)DS18B20單總線溫度傳感器的時(shí)間幾乎是相同的。不過，這種方式讀取的各個(gè)數(shù)據(jù)位在內(nèi)存中不是順序排列的，而是如表1所示的那樣的交叉排列的。我們必須再用一段程序處理一下，才能得到所需的各個(gè)溫度值。

TData[7] TData[6] TData[5] TData[4] TData[3] TData[2] TData[1] TData[0] Data[0] Bit7.0 Bit6.0 Bit5.0 Bit4.0 Bit3.0 Bit2.0 Bit1.0 Bit0.0 Data[1] Bit7.1 Bit6.1 Bit5.1 Bit4.1 Bit3.1 Bit2.1 Bit1.1 Bit0.1 Data[2] Bit7.2 Bit6.2 Bit5.2 Bit4.2 Bit3.2 Bit22. Bit1.2 Bit0.2 Data[3] Bit7.3 Bit6.3 Bit5.3 Bit4.3 Bit3.3 Bit2.3 Bit1.3 Bit0.3 Data[4] Bit7.4 Bit6.4 Bit5.4 Bit4.4 Bit3.4 Bit2.4 Bit1.4 Bit0.4 Data[5] Bit7.5 Bit6.5 Bit5.5 Bit4.5 Bit3.5 Bit2.5 Bit1.5 Bit0.5 Data[6] Bit7.6 Bit6.6 Bit5.6 Bit4.6 Bit3.6 Bit2.6 Bit1.6 Bit0.6 Data[7] Bit7.7 Bit6.7 Bit5.7 Bit4.7 Bit3.7 Bit2.7 Bit1.7 Bit0.7

表1 內(nèi)存中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)Tdata[]與實(shí)際的8個(gè)溫度讀數(shù)Data0-7之間的關(guān)系

如表1所示，我們要設(shè)計(jì)一個(gè)將一個(gè)將縱向8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成橫向8位的數(shù)據(jù)程序，便可得到各個(gè)傳感器溫度讀數(shù)的數(shù)據(jù)字節(jié)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的算法的實(shí)現(xiàn)如下：

具體對(duì)于DS18B20溫度傳感器而言，因?yàn)闇囟茸x數(shù)是以高字節(jié)和低字節(jié)兩個(gè)字存儲(chǔ)的，因此上述程序需要運(yùn)行兩次方能得到最終的讀數(shù)。

同樣，如果需要向各個(gè)單總線器件寫入數(shù)據(jù)，也需要先把要寫入各個(gè)單總線器件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)組中，用上述算法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后在寫入。

寫入數(shù)據(jù)的具體算法如下：

這樣，通過上述方法，就可以實(shí)現(xiàn)一次對(duì)連接個(gè)一個(gè)MCU并口的不多于8個(gè)的單總線器件進(jìn)行讀寫。

這種對(duì)多個(gè)單總線并行讀寫的方式雖然比傳統(tǒng)的單線串接的方式使用了更多的MCU的IO端口，線路連接也使用了更多的連線，但是這樣可以繞過對(duì)單總線器件的ROM ID的搜索和匹配操作，節(jié)省了每次數(shù)據(jù)讀寫操作時(shí)間；而且一次可以讀寫8組數(shù)據(jù)而所耗費(fèi)的時(shí)間與讀寫一個(gè)單總線器件的時(shí)間基本相同，很大程度的提高了工作效率。另外，每個(gè)器件的讀寫都和MCU的一個(gè)IO端口對(duì)應(yīng)，這樣就可以很方便的應(yīng)用在批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品上。所以，這種對(duì)并行讀寫的方式還是有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。

[1]陳志英，李光輝.單總線（1－Wire Bus）技術(shù)及其應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2003(8).

[2]潘勇，孟慶斌.基于DS18B20的多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008(9).

[3]謝維成，楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4]馬忠梅，籍順心.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：53-58.

TP368.1

A

1674-6708（2010）24-0200-02