摘 要： 主要介紹了一種借助單片機串口實現1-Wire總線通信的方法，并以集成數字溫度傳感器DS18B20為例，基于有限狀態機采用該方法完成了通信程序的設計。
關鍵詞： 1-Wire總線；串口；有限狀態機；DS18B20
1-Wire總線是Dallas半導體公司推出的一種半雙工串行總線，它采用單根信號線實現微控制器（主機）與接口器件（從機）之間的雙向通信，每個從機具有唯一的工廠光刻ID作為地址。
1-Wire總線的優勢在于結構簡單、便于總線擴展，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、實時時鐘、電池管理等。在低功耗儀表、工業控制及家庭監控網絡等領域，1-Wire總線獲得了廣泛應用。
1-Wire總線協議通常采用軟件延時實現，對于實時性高且無操作系統的單片機，該方式難以提高單片機效率，同時極大地降低了系統實時性。本文提出了一種基于單片機串口的1-Wire總線協議的軟硬件設計，該設計實現了1-Wire總線通信和單片機效率、實時性的兼顧。
1 1-Wire總線協議簡析
1-Wire總線的單根信號線兼有地址總線、數據總線和控制總線的功能，因此，訪問1-Wire器件要嚴格遵循總線協議以保證數據完整性。
1-Wire總線協議定義了初始化脈沖、寫脈沖和讀脈沖3類總線信號，其主要區別在于，總線上高低電平時間不同，下面分別對它們進行簡析。
2.2 通信協議接口
單片機串口采用1 bit起始位、8 bit數據位、1 bit停止位的工作方式，發送時由LSB至MSB逐位發送。
（1）初始化脈沖
設置波特率為9 600 b/s，即每1 bit的寬度為104.2 μs，發送數據0xf0，則起始位和低4 bit構成復位信號，高4 bit為1，即釋放總線。如總線上無應答信號，則串口接收的數據等于0xf0，否則說明總線上有應答信號。
（2）讀寫脈沖
設置波特率為115 200 b/s，即每1 bit的寬度為8.7 μs，完整的發送過程持續87 μs，滿足讀寫脈沖至少60 μs的協議要求。起始位、停止位分別用來啟動、終止讀寫脈沖。寫脈沖中，根據串口發送不同數據區分別實現寫0時序和寫1時序；讀脈沖中，串口發送數據0xff，起始位實現讀脈沖時序的啟動，LSB為1，此時，主機釋放并采樣總線，起始位與LSB共維持17.4 μs，滿足協議對讀時序的要求。根據串口接收的數據最低位即可區分從機發送至總線的數據。
采用串口實現1-Wire總線通信的本質在于將3類總線信號與不同波特率下不同數據的串口收發過程建立聯系，初始化脈沖對應2次串口收發的過程，讀寫脈沖則對應1次串口收發的過程[4]。具體對應關系如表1所示。
3 1-Wire總線應用——DS18B20
DS18B20是1-Wire總線的集成數字
溫度傳感器，其精度高、體積小，在智能儀器儀表、工業控制等領域中廣泛應用。
傳統應用方式是采用一根I/O引腳配合軟件延時的方式實現相關協議，1-Wire總線協議需要微秒級時間分辨率，在通信過程中必須關閉系統所有中斷，否則極容易因為中斷服務程序的執行而造成通信數據錯誤。但是關閉中斷降低了系統實時性，使得系統不能及時響應外部請求。對于任務少、實時性要求不高的系統，這種做法是可行的，但是對于任務多且無操作系統的單片機，以初始化脈沖為例，在至少960 μs的時間內，單片機都會被1-Wire總線占用，效率大為降低，實時性難以保證。
基于單片機串口中斷實現1-Wire協議，并配合狀態機實現與DS18B20通信，為上述問題提出了解決方案。由于串口的收發都是通過硬件完成，因此數據收發過程中單片機可以處理其他任務，在實現1-Wire通信的同時，兼顧了實時性和效率。
通信程序包括中斷服務程序和通信狀態機。中斷服務程序為物理層，完成數據緩沖區中的數據收發，并通過全局變量標識總線的狀態；通信狀態機為DS18B20協議層，將對DS18B20的訪問劃分為子狀態，根據表1將對DS18B20的不同操作轉化為相應數據并存入數據緩沖區，在總線處于空閑狀態時，依次完成狀態轉移。通信狀態轉換圖如圖5所示[4]。
本文提出了一種基于單片機串口的1-Wire總線通信方式，結合1-Wire器件DS18B20詳細介紹了其軟硬件設計。相比于傳統1-Wire通信方式，本文提出的方式提高了單片機效率，兼顧了1-Wire通信和系統的實時性，為多任務且無操作系統的單片機應用1-Wire器件提供了新的解決方案。
參考文獻
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