智能温度传感器序列号读取程序设计研究

1．引言
传统的温度检测可以使用热敏电阻作为温度敏感元件，热敏电阻主要优点是成本低，但需要后续的信号处理电路。美国Dallas公司近年来推出的DS18B20 智能温度传感器，温度的测量范围为- 55 ～ + 125℃ ，测量精度为0. 5 ℃，与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测点的温度。DS18B20 智能温度传感器在检测点就将被测信号实现了数字化，在单总线上传送的是数字信号。从DS18B20 读出信息或写入DS18B20 的信息仅需要一根总线与单片机I/O口相连，并通过串行输出方式与单片机通信。因此用DS18B20 智能温度传感器组成的多点测温系统，其稳定性、可靠性和工程造价等一系列指标均有明显的优势。为了正确使用智能温度传感器，首先需要读取每一个传感器序列号。

2．智能温度传感器序列号                  
美国Dallas公司的每片1-Wire器件都有唯一的64位序列号，它存储在只读存储器ROM中。而智能温度传感器DS18B20采用1-Wire 总线。在1-Wire 总线网络中，序列号用于1-Wire 主机对从机器件进行逐一寻址，但对于新购买的芯片，厂家并不给提供其序列号，所以读取序列号是正常使用DS18B20的前提条件。也是对DS18B20进行软件编程的重点之一。DS18B20包含一个64位唯一的序列号并且存储在ROM中。ROM代码的最后8位包含DS18B20一线家族码28H，另外48位包含唯一序列号。最高8位为ROM代码中前56位的CRC检验码。总共64位组成智能温度传感器DS18B20的序列号。其格式如图1所示。
     


图1 DS18B20的64位ROM代码即序列号示意图

对DS18B20芯片进行序列号读取的方式有两种，搜索ROM（代码为F0H命令）和读ROM（代码为33H命令）方法。两种方法读取序列号的方式各有自己的特点与适用条件，搜索ROM方式可以一次性读取数据线上所有的DS18B20序列号，但它不能分辨出每一个序列号所对应的传感器；而读ROM方式实现起来较搜索ROM方式简单，但它的前提条件是在读取序列号时，数据线上只能挂接一个传感器。

3．搜索ROM方法读取智能温度传感器序列号

3．1  搜索ROM的实现原理与步骤
当系统进入初始化后，主设备并不知道总线上挂了多少个从设备以及它们各自的64位ROM码。搜索ROM命令（代码为F0H）允许主设备使用逐步淘汰的方法识别总线上所有从设备的64位ROM码。搜索ROM的实现原理与步骤以及操作过程见如下说明。

搜索ROM是基于淘汰制的一个3步操作的重复，当单片机启动读时序脉冲后，总线上的所有DS18B20芯片都会响应，并按位输出各自的数据位0或1，若此时总线上同时有1和0，那么，在数据线上会形成“线与”逻辑关系，将使得搜索ROM过程变得复杂化。当DS18B20收到搜索ROM命令即代码为F0H命令后，它将按从低到高的顺序依次按位发出序列号数据，并且将每个数据位分两次发出，第一次为原码，第二次为反码，在此之后，传感器将等待接收一个数据位，并将此接收到的数据位与刚才发送的数据位进行比较，相同则继续下一位的发送，不同则停止对数据线上信号的响应，直到下一次复位。

在DS18B20发送地址数据位的时候，单片机读取各DS18B20发送数据位的“线与”结果。通过对各种可能情况的分析，可以得出表1的结论，其中表1中的“第1次”是指读取DS18B20发送原码的“线与”结果，而“第2次”是指读取DS18B20发送反码的“线与”结果。



单片机在接收到两位数据位后，根据上表的结论返回一个数据位，可以淘汰掉一部分不满足条件的传感器，并且在如此循环64次之后，就可以确定一个传感器序列号。此后重复多次，直至将总线上全部传感器读取完毕。但要注意不能简单重复，否则只能读取同一序列号。

下面以一个具体的例子来详细描述搜索ROM的整个过程[2]。 假设数据线上接了4个传感器，它们的64位ROM数据分别为：传感器1  ……10101100 ；传感器2  ……01010101 ；传感器3  ……10101111 ；传感器4  ……10001000。传感器1、2、3、4给出了假设64位ROM数据的最低字节，搜索过程是从低位开始的，而且搜索各位的原理相同。具体步骤如下：

（1）单片机发送一初始化脉冲，使线上所有传感器初始化。（2）单片机发送搜索ROM命令，代码为F0H。（3）单片机从数据线上读取最低位原码。每个传感器都将输出各自ROM数据的右边第1位到数据线上，传感器1与传感器4输出0，亦即将数据线拉低，而传感器2与传感器3输出1，也就是欲将数据线拉升至高电平，根据“线与”结果，此时单片机从数据线上读取的结果为0。此后，单片机从数据线上读取该位的反码。由于系统仍然处于搜索ROM命令期间，所有的传感器此时都输出各自ROM数据的右边第1位的反码。也就是说，传感器1和传感器4输出1，传感器2和传感器3输出0，结果单片机又收到一个0。至此单片机从数据线上接收到了两个结果，根据表1做出如下判断：数据线上的所有传感器，它们的ROM的最低位既有0又有1。（4）单片机写一个0到数据线上，此时由于传感器2和传感器3与之不匹配而未被选中，亦即暂被淘汰，而最低位为0的传感器1与传感器4被选中。此时记录下ROM右边的第一位为0。（5）单片机针对ＲＯＭ数据的第２位进行上述两次操作，第１次读为０，第２次读为１，于是判断出数据线上传感器的右起第２个ＲＯＭ数据为０。（6）单片机写一个０到数据线，结果传感器１与传感器4仍被选中。此时记录下总线上传感器的ＲＯＭ右起第二位为0。（7）单片机针对ＲＯＭ数据的右起第３位进行上述两次读操作，２次都为０，表明总线上传感器ＲＯＭ数据的右起第３位有０也有１。（8）单片机写一个０到数据线上，此时传感器１失配而未被选中，亦即暂被删除，传感器４则被选中。此时记录当前在线传感器右起第３位为０。（9）单片机针对ROM数据的右起第4位进行上述两次读操作，第一次为1，第二次为0，表明总线上传感器的第4位ROM为1。单片机写1到数据线，传感器4继续被选中，记录下右起第4位ROM为1。如此循环读取传感器4余下的数据位，经过这样一遍完整的扫描就能读出传感器4的全部ROM数据。（10）执行一遍新的搜索ROM过程，重复（1）~（7）步的操作。（11）单片机写1到数据线，此时由于传感器4失配而未被选中，亦即被删除，传感器1则被选中。（12）单片机读取传感器1余下的数据位，再通过一遍这样的完整扫描就能够读出传感器1的全部ROM数据。（13）通过类似的步骤，可以读出传感器2和传感器3的ROM数据。

3．2  搜索ROM方法读取序列号的程序设计
用搜索ROM方法读取序列号的程序如下所示。设计中要求序列号与具体传感器相对应，硬件连接时将一个传感器与单片机I/O口相连。因此程序编写时考虑总线上挂接一个传感器时所对应的程序。
       DAT  EQU  P1.1
XL0:     MOV  R1,  #20H        ; 读入序列号的存放地址
MOV  R0,  #08H        ; 读取8字节
XL2:     MOV  R2,  #08H        ; 读一个字节
XL1:     LCALL  RE11            ; 读一位的原码
RRC  A              ; 因数据线上只有1个传感器，所以原码即为ROM值
LCALL  RE11  ; 读一位反码
JC  LOW1  ; 根据反码状态写原码到数据线
SETB  C  ; 若反码为0，则写1到数据线
LCALL  WIR11        
SJMP  NEXT          
LOW1:    CLR  C        ; 否则写0到数据线
      LCALL  WIR11
NEXT:   DJNZ  R2,  XL1        ; 继续读下一位，直到读完一个字节
       MOV  @R1, A        ; 将读出的序列号存放到内存单元
       INC  R1
              DJNZ  R0,  XL2        ; 继续下一字节，直至读满8个字节
       RET

其中：RE11为读一位子程序， WIR11为写一位子程序。WIR11和RE11程序中DAT表示I/O口P1.1。写一位子程序WIR11如下所示。

WIR11:     SETB  DAT
                  MOV  R4 ,  #5
                 NOP
                 CLR  DAT
WIR12:    DJNZ  R4,  WIR12      ; 等待10微秒
         MOV  DAT,  C          ; 发送1位
         MOV  R4,  #23
WIR13:    DJNZ  R4,  WIR13      ; 保证写时间大于60us
                  SETB  DAT
                  RET
读一位子程序RE11如下所示。
RE11:    SETB  DAT
               NOP
               NOP
               CLR  DAT
               MOV  R4,  #4
               NOP                    ; 持续低电平2us
               SETB DAT               ; 释放数据线
RE12:    DJNZ  R4,  RE12        ;  等待8us
               MOV  C,  DAT          ; 读入一位
       MOV  R5,  #28
RE13:    DJNZ  R5,  RE13        ; 保证一个读周期持续60us
               SETB  DAT
               RET

4． 读ROM 命令读取智能温度传感器序列号
当总线上挂接一个传感器时，可以用读ROM命令（代码为33H）获得64位序列号。不必用搜索ROM命令读取智能温度传感器64位序列号。用读ROM 命令获取智能温度传感器64位序列号的方法需要首先执行初始化时序，然后单片机发送读ROM命令（代码为33H），再调用一个字节写入程序，随后执行读取64位序列号子程序。

5．两种方法读取序列号的程序设计
下面程序是用两种方法读取序列号。程序中READ为读一个字节程序。INI10为初始化时序子程序。XL0是用搜索ROM方法读取序列号子程序。XL0子程序在上面3.2中已介绍。

MAIN:    LCALL  INI10          ; 初始化
          MOV  A,  #0F0H       ; 发搜索ROM命令（代码为F0H）
          LCALL  WRITE         ; 调用写入一个字节程序
          LCALL  XL0            ; 搜索ROM方法读64位。见2.1
                    LCALL  INI10           ; 初始化
          MOV  A,  #33H         ; 读ROM命令（代码为33H）
          LCALL  WRITE         ; 调用写入一个字节程序
          LCALL  DXLH          ; 读64位序列号
          SJMP  $
WRITE:    MOV  R3,  #8          ; 循环8次写一个字节
WR11:     SETB  DAT
                  MOV  R4,  #5
                  RRC  A
                  CLR  DAT
WR12:    DJNZ  R4,  WR12      ; 等待10微秒
        MOV  DAT, C          ; 发送1位
        MOV  R4,  #23
WR13:    DJNZ  R4,  WR13      ; 保证写时间大于60us
                 DJNZ  R3,  WR11
                 SETB  DAT
                 RET
DXLH:   MOV  R1,  #30H       ; 置内部RAM首地址为30H
               MOV  R0,  #8          ; 读出64位序列号
DXL1:   LCALL  READ          ; 调用读一个字节程序
       MOV  @R1,  A
              INC  R1
              DJNZ  R0,  DXL1
              RET
分别用上述两种方式对同一传感器进行了序列号读取，读取结果如图2所示。其中从单片机AT89C51内部RAM 20H单元开始，连续8个字节存储单元的内容为用搜索ROM命令方法读取序列号的显示结果；从内部RAM 30H开始，连续8个字节存储单元的内容为读ROM命令方法读取序列号的显示结果。显然对于同一传感器，用两种方法读取64位序列号，显示结果是一样的。



图2用两种读取序列号的方式设计显示64位序列号

6．结束语
要想正确使用单总线智能温度传感器DS18B20，必须要能够正确读取序列号，因此读取序列号程序设计是关键。本文作者创新点是应用多种方法设计了序列号读取程序，分析了序列号读取的原理，较好地应用了温度传感器并满足一定精度。文中所叙述的程序设计已经成功地应用于分布式测温系统中。目前越来越多自控设计者愿意使用智能温度传感器DS18B20，其构成的测温系统简单, 连接方便, 占用口线少。 由于系统与单片机的接口简单, 给硬件设计工作带来了极大的方便, 能有效地降低成本。智能温度传感器DS18B20直接以单总线的数字方式传输现场温度，大大提高了系统的抗干扰性，可以使系统的可靠性高并且传输距离远。