摘  要： 主要介紹了一種借助單片機(jī)串口實(shí)現(xiàn)1-Wire總線通信的方法，并以集成數(shù)字溫度傳感器DS18B20為例，基于有限狀態(tài)機(jī)采用該方法完成了通信程序的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 1-Wire總線；串口；有限狀態(tài)機(jī)；DS18B20

　1-Wire總線是Dallas半導(dǎo)體公司推出的一種半雙工串行總線，它采用單根信號線實(shí)現(xiàn)微控制器（主機(jī)）與接口器件（從機(jī)）之間的雙向通信，每個(gè)從機(jī)具有唯一的工廠光刻ID作為地址。
　1-Wire總線的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、便于總線擴(kuò)展，可以通過總線為器件供電。1-Wire器件種類豐富，典型器件包括溫度傳感器、存儲器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電池管理等。在低功耗儀表、工業(yè)控制及家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，1-Wire總線獲得了廣泛應(yīng)用。
　1-Wire總線協(xié)議通常采用軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)，對于實(shí)時(shí)性高且無操作系統(tǒng)的單片機(jī)，該方式難以提高單片機(jī)效率，同時(shí)極大地降低了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。本文提出了一種基于單片機(jī)串口的1-Wire總線協(xié)議的軟硬件設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1-Wire總線通信和單片機(jī)效率、實(shí)時(shí)性的兼顧。
1 1-Wire總線協(xié)議簡析
　1-Wire總線的單根信號線兼有地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線的功能，因此，訪問1-Wire器件要嚴(yán)格遵循總線協(xié)議以保證數(shù)據(jù)完整性。
　1-Wire總線協(xié)議定義了初始化脈沖、寫脈沖和讀脈沖3類總線信號，其主要區(qū)別在于，總線上高低電平時(shí)間不同，下面分別對它們進(jìn)行簡析。

2.2 通信協(xié)議接口
　單片機(jī)串口采用1 bit起始位、8 bit數(shù)據(jù)位、1 bit停止位的工作方式，發(fā)送時(shí)由LSB至MSB逐位發(fā)送。
?。?）初始化脈沖
設(shè)置波特率為9 600 b/s，即每1 bit的寬度為104.2 μs，發(fā)送數(shù)據(jù)0xf0，則起始位和低4 bit構(gòu)成復(fù)位信號，高4 bit為1，即釋放總線。如總線上無應(yīng)答信號，則串口接收的數(shù)據(jù)等于0xf0，否則說明總線上有應(yīng)答信號。
?。?）讀寫脈沖
　設(shè)置波特率為115 200 b/s，即每1 bit的寬度為8.7 μs，完整的發(fā)送過程持續(xù)87 μs，滿足讀寫脈沖至少60 μs的協(xié)議要求。起始位、停止位分別用來啟動(dòng)、終止讀寫脈沖。寫脈沖中，根據(jù)串口發(fā)送不同數(shù)據(jù)區(qū)分別實(shí)現(xiàn)寫0時(shí)序和寫1時(shí)序；讀脈沖中，串口發(fā)送數(shù)據(jù)0xff，起始位實(shí)現(xiàn)讀脈沖時(shí)序的啟動(dòng)，LSB為1，此時(shí)，主機(jī)釋放并采樣總線，起始位與LSB共維持17.4 μs，滿足協(xié)議對讀時(shí)序的要求。根據(jù)串口接收的數(shù)據(jù)最低位即可區(qū)分從機(jī)發(fā)送至總線的數(shù)據(jù)。
　采用串口實(shí)現(xiàn)1-Wire總線通信的本質(zhì)在于將3類總線信號與不同波特率下不同數(shù)據(jù)的串口收發(fā)過程建立聯(lián)系，初始化脈沖對應(yīng)2次串口收發(fā)的過程，讀寫脈沖則對應(yīng)1次串口收發(fā)的過程[4]。具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

3 1-Wire總線應(yīng)用——DS18B20
　DS18B20是1-Wire總線的集成數(shù)字

溫度傳感器，其精度高、體積小，在智能儀器儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。
　傳統(tǒng)應(yīng)用方式是采用一根I/O引腳配合軟件延時(shí)的方式實(shí)現(xiàn)相關(guān)協(xié)議，1-Wire總線協(xié)議需要微秒級時(shí)間分辨率，在通信過程中必須關(guān)閉系統(tǒng)所有中斷，否則極容易因?yàn)橹袛喾?wù)程序的執(zhí)行而造成通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。但是關(guān)閉中斷降低了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，使得系統(tǒng)不能及時(shí)響應(yīng)外部請求。對于任務(wù)少、實(shí)時(shí)性要求不高的系統(tǒng)，這種做法是可行的，但是對于任務(wù)多且無操作系統(tǒng)的單片機(jī)，以初始化脈沖為例，在至少960 μs的時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)都會被1-Wire總線占用，效率大為降低，實(shí)時(shí)性難以保證。
　基于單片機(jī)串口中斷實(shí)現(xiàn)1-Wire協(xié)議，并配合狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)與DS18B20通信，為上述問題提出了解決方案。由于串口的收發(fā)都是通過硬件完成，因此數(shù)據(jù)收發(fā)過程中單片機(jī)可以處理其他任務(wù)，在實(shí)現(xiàn)1-Wire通信的同時(shí)，兼顧了實(shí)時(shí)性和效率。
　通信程序包括中斷服務(wù)程序和通信狀態(tài)機(jī)。中斷服務(wù)程序?yàn)槲锢韺?，完成?shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)收發(fā)，并通過全局變量標(biāo)識總線的狀態(tài)；通信狀態(tài)機(jī)為DS18B20協(xié)議層，將對DS18B20的訪問劃分為子狀態(tài)，根據(jù)表1將對DS18B20的不同操作轉(zhuǎn)化為相應(yīng)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，依次完成狀態(tài)轉(zhuǎn)移。通信狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示[4]。

　本文提出了一種基于單片機(jī)串口的1-Wire總線通信方式，結(jié)合1-Wire器件DS18B20詳細(xì)介紹了其軟硬件設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)1-Wire通信方式，本文提出的方式提高了單片機(jī)效率，兼顧了1-Wire通信和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，為多任務(wù)且無操作系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用1-Wire器件提供了新的解決方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐（第二版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.
[2] Maxim. DS18B20 datasheet[Z]. 2008.
[3] Maxim. Application note 214： using a UART to implement a 1-Wire bus master[Z]. 2002.
[4] ATMEL. AVR318： Dallas 1-Wire master [Z]. 2004.