引言 為了滿足實時性要求較高系統(tǒng)的設(shè)計需求,針對串聯(lián)多個器件在一線制總線上的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的在查詢多點溫度時速度緩慢的問題,北京銘正同創(chuàng)科技有限公司提出了一種快速查詢多點溫度的解決方案。本方案以Dallas公司開發(fā)的一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20為核心,通過采用每個并行端口上連接一個DS18B20器件,實現(xiàn)同時對多個DS18B20進(jìn)行同步操作的方法。本方案可廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制、儀器儀表產(chǎn)品中。 關(guān)鍵字快速多點溫度查詢 工業(yè)控制 儀器儀表 銘正同創(chuàng)
1 技術(shù)概述 Dallas公司開發(fā)的一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一款性能優(yōu)異的數(shù)字式傳感器,廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制、儀器儀表產(chǎn)品當(dāng)中。DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器相比,能夠直接讀出被測溫度,并且根據(jù)實際要求通過簡單的編程可設(shè)置9~12位的分辨率,可以在750ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字量,具有多種可選的封裝方式。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單,可靠性更高。DS18B20器件具體的封裝形式如下圖所示:

GND 接地 DQ 一線制總線(輸入/輸出) VD 供電電源而DS18B20的一線制總線獨特而經(jīng)濟(jì)的特點,使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò),為測量系統(tǒng)的

在一線制總線上串接多個DS18B20器件時,實現(xiàn)對其中一個DS18B20器件進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換和讀取操作主要包括以下13個步驟(所有的操作都是通過DQ線進(jìn)行信號傳輸?shù)模?BR>1 主機(jī)MCU發(fā)復(fù)位脈沖 2 DS18B20發(fā)應(yīng)答脈沖(即MCU接收該應(yīng)答信號,以確認(rèn)器件在總線上) 3 主機(jī)發(fā)匹配ROM命令 4 主機(jī)發(fā)64位器件序列號(器件序列號與總線上的某個DS18B20器件一一對應(yīng)) 5 主機(jī)發(fā)溫度轉(zhuǎn)換指令 6 總線保持高電平50ms 7 主機(jī)發(fā)復(fù)位命令 8 DS18B20發(fā)應(yīng)答脈沖 9 主機(jī)發(fā)匹配ROM命令 10 主機(jī)發(fā)64位器件代碼 11 主機(jī)發(fā)讀數(shù)據(jù)寄存器指令 12 主機(jī)接收數(shù)據(jù) 13 主機(jī)發(fā)復(fù)位脈沖 參考DS18B20的數(shù)據(jù)手冊可知,當(dāng)DS18B20的精度設(shè)置為12位精度表示時,依據(jù)上面的步驟完成對一個器件的測溫、讀取溫度值的過程,大概會消耗掉1秒鐘的時間。而如果總線上存在8個DS18B20器件的話,完成一次8個器件的查詢需要8秒的時間,這不還沒計算在系統(tǒng)初始化時,對總線上的器件序列號進(jìn)行初始化過程所消耗的時間。 針對所述利用多個DS18B20器件串接在一線制總線上進(jìn)行多點溫度查詢時速度慢的原因,做進(jìn)一步分析如下。 DS18B20器件在進(jìn)行一線制總線操作時,僅有一根DQ線用于雙向的數(shù)據(jù)傳輸,每一個操作最小的細(xì)分至每一個的讀寫過程,即一個位的讀寫操作為一線制總線操作的最小單位,可以參考DS18B20的手冊,了解到每一次最小單位的總線操作利用了規(guī)定時間內(nèi)MCU驅(qū)動DQ線的高低電平來決定讀/寫的操作,然后在其后的規(guī)定時間內(nèi)完成讀/寫一個位數(shù)據(jù)的操作。這樣,就決定了每一次操作的過程中,要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)越多,每一次的操作耗時越長。而DS18B20的一線制總線的操作對時序的要求很嚴(yán)格,一般在設(shè)計MCU對其總線操作的程序時,都是利用延時去保證每個讀寫周期的時間準(zhǔn)確性,即說明這些時間內(nèi)CPU必然是閑置的。如下圖示意了一個寫0和1操作的時序:

另外,在多個器件串接在一線制總線上時,為了區(qū)分每次操作是針對總線上哪一個器件,DS18B20器件在內(nèi)部提供了每個器件獨有的64位ROM序列號,也就是說每一次操作都要首先在對DS18B20器件的ROM序列號進(jìn)行匹配后,方可對其中的某一個器件進(jìn)行測溫/讀取溫度值的操作?梢怨浪愠,每一次序列號的匹配操作,差不多需要4ms的時間,完成一次完整的測溫/讀取溫度值操作,就需要進(jìn)行兩次序列號匹配,即消耗掉大概8個ms的時間。 多個器件串接在總線上時,對所有的器件的查詢操作,需要一個一個來,完成一次全部器件的查詢需要成倍的操作時間,整個系統(tǒng)把大量時間消耗在時序所要求的延時上。 此外,當(dāng)采用多個器件串接在一線制總線的系統(tǒng)時,還需要在系統(tǒng)的初始化其間花銷較長的時間來進(jìn)行煩瑣的總線上器件的序列號查詢,并以此獲知總線上的每個器件的序列號。 如前所述,可以總結(jié)出,影響查詢多點DS18B20溫度速度的最主要因素有如下幾個: 1.每次操作都需要附加兩次對64位序列號的匹配過程; 2.多個器件串接,完成全部的查詢就需要與器件個數(shù)成倍增長的耗時。 這樣的應(yīng)用在一些對實時性要求相對較高的系統(tǒng)當(dāng)中,是非常占用資源的(雖然省掉了端口資源,但CPU不得不等待N長時間后方可獲取多點的溫度值),所以使用起來總會有些遺憾。下面,介紹一種快速查詢多點DS18B20溫度的方法,包括硬件的連線構(gòu)成以及軟件的編程思路。 2 解決方案 由于一般都會將對DS18B20器件的溫度查詢放置在中斷當(dāng)中實現(xiàn)或者是在程序的主循環(huán)當(dāng)中采用定時查詢的方法實現(xiàn),所以這就要求每次對DS18B20的操作都能快速的完成,盡快退出來進(jìn)行其它的處理。所以為了解決串聯(lián)多個器件在一線制總線上的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的在查詢多點溫度時速度緩慢的問題,本設(shè)計提出一種解決方案,具體說是通過修改硬件連接來實現(xiàn)方便快捷的查詢多點DS18B20器件溫度的方法。 2.1 快速查詢多點DS18B20溫度的方法簡述 當(dāng)一線制總線上僅有一個DS18B20器件時,可以用skip ROM操作(即跳過ROM匹配)命令來代替64位序列號的匹配過程,這點也是使用單個DS18B20器件的系統(tǒng)常用的方法。所以,要想節(jié)省掉64位序列號匹配的時間開銷,就必需設(shè)計成一個一線制總線上僅有一個DS18B20器件的系統(tǒng)。 DS18B20的一線制總線在時序上的嚴(yán)格要求,也從另一方面意味著在一定的彈性范圍內(nèi),不同DS18B20器件的時序細(xì)節(jié)上的一致性應(yīng)該是非常好,所以可以將系統(tǒng)設(shè)計成利用MCU的并行端口同時對多個DS18B20進(jìn)行統(tǒng)一的操作,不過這時候并行端口上的每一個端口連接著一個DS18B20器件而已。 本文所述的解決方案正是以端口的消耗為代價,換取對多點DS18B20溫度查詢的速度,并在程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計上采用一些巧妙的處理方法,使得系統(tǒng)對DS18B20的操作上花更少的時間。此外,采用本設(shè)計實現(xiàn)的快速多點溫度查詢系統(tǒng),可以省掉煩瑣的總線上器件序列號的查詢操作,并可節(jié)省大量的存儲空間(原用于存儲總線上器件的序列號所用的空間)。 從理論上分析,本設(shè)計方案的采用,查詢多個DS18B20器件操作所消耗的時間與查詢一個DS18B20器件操作所消耗的時間是等量的。 下面以查詢8個DS18B20器件為例詳細(xì)分析此方法的設(shè)計思想。 2.2 系統(tǒng)硬件連接 本系統(tǒng)方案8個DS18B20器件連接在MCU的一組端口的8個I/O口上,連線示意圖如下所示:

當(dāng)然,上圖中的示意圖并沒有考慮諸如端口驅(qū)動能力、抗干擾處理等,僅表明一個邏輯的連接示意,具體在產(chǎn)品級的設(shè)計時會根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用做必要的處理,比如增加一些必要的電路等,此處不作為討論的重點。 從上圖可見,每個端口連接有一個DS18B20器件,也即一條一線制總線上僅有一個DS18B20器件,符合了前面所述的解決方法。實際在對DS18B20器件進(jìn)行操作時,只需統(tǒng)一地對這一組并行端口進(jìn)行操作(每個端口在同一時間輸出相同的電平狀態(tài))即可。 一個端口對應(yīng)一個DS18B20器件,也就表示每組端口的某一個位的讀回數(shù)據(jù)狀態(tài)也就是該端口所對應(yīng)的器件的輸出狀態(tài),所以,這樣的系統(tǒng)里面是不需要進(jìn)行每個器件的序列號搜索、匹配的操作的?芍趯S18B20器件進(jìn)行操作時,可以使用skip ROM命令來跳過ROM序列號匹配的操作,也即在所有的DS18B20器件的ROM操作時可以使用相同的端口輸出時序。 2.3 軟件設(shè)計思路 總結(jié)前面所介紹的電路示意圖,下面詳細(xì)介紹程序設(shè)計思想。 在接下來的軟件介紹中,會以C語言的例子介紹具體的編程思路,但這些代碼并非就是實際中所使用的代碼,僅作為邏輯性的參考,以便大家理解。這些代碼是從一個產(chǎn)品的應(yīng)用當(dāng)中摘出的,而程序設(shè)計的結(jié)構(gòu)也是從具體的設(shè)計當(dāng)中分解出來的,供大家參考。 軟件設(shè)計從最底層的與DS18B20時序相關(guān)的驅(qū)動,到與一線制總線器件處理過程控制/協(xié)議的接口函數(shù),再上升到應(yīng)用API接口函數(shù)的關(guān)系如下圖所示:

在對連在一組8位端口上的8個DS18B20操作時,是同時對該組端口進(jìn)行操作,也即同時對8個DS18B20器件進(jìn)行同步的操作。 范例程序是根據(jù)筆者的項目當(dāng)中的功能需求而設(shè)計的,不一定會適合所有人的使用方法,但程序設(shè)計思想是可以參考的,這點請使用者在參考本文時對這里的范例進(jìn)行一定的取舍。下面詳細(xì)介紹一個以MCS51系列單片機(jī)的應(yīng)用為例的范例程序,其中約定與8個DS18B20器件進(jìn)行連接的是P1端口。 2.3.1 底層時序驅(qū)動 底層時序驅(qū)動程序與DS18B20的一線制總線的協(xié)議保持一致,根據(jù)一線制總線時序的特點,設(shè)計了四個基本的函數(shù): 總線寫1時序控制函數(shù): void DS18B20_Write_1(void) { P1 = 0x00; //8個DQ 線全部設(shè)置為低電平 Delay_1us(10); //延時10us左右 P1 = 0xff; //8個DQ線全部輸出高電平 Delay_1us(30); //延時30us左右 } 總線寫0時序控制函數(shù): void DS18B20_Write_0(void) { P1 = 0x00; //8個DQ 線全部設(shè)置為低電平 Delay_1us(40); //延時 P1 = 0xff; //端口恢復(fù)高電平 Delay_1us(1); } 總線讀取一個數(shù)據(jù)位時序控制函數(shù): unsigned char DS18B20_ReadDQ(void) { unsigned char DQ_S=0; P1 = 0x00; //8個DQ 線全部設(shè)置為低電平 Delay_1us(10); P1 = 0xff; //端口置1,準(zhǔn)備讀取 Delay_1us(1); //延時待總線準(zhǔn)備好數(shù)據(jù) DQ_S = P1; //一次性讀取8條DQ線的數(shù)據(jù)狀態(tài) P1 = 0xff; //恢復(fù)端口電平 Delay_1us(30); //延時 return DQ_S; //返回讀取的值 } 在讀取一個總線狀態(tài)數(shù)據(jù)位的函數(shù)中,將會返回一個byte的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)的8個位正好與連接在P2端口上的8個I/O口對應(yīng),如下圖所示:

總線復(fù)位時序控制函數(shù): void DS18B20_Reset(void) { unsigned char Error_Counter=0; P1 = 0x00; //8個DQ 線全部設(shè)置為低電平 Delay_1us(500); //保持總線低電平500us P1 = 0xff; Delay_1us(100); if(P1!=0x00) B20_Error = P1;//如檢測到DS18B20總線響應(yīng)了回復(fù)信號,則讀取當(dāng)前8條 //總線的狀態(tài) Delay_1us(50); P1 = 0xff; for(Error_Counter=0;Error_Counter<200;Error_Counter++) { if((P1&(~B20_Error))==(~B20_Error)) break; //如檢測到總線的回復(fù)信號結(jié) //束,則退出循環(huán) Delay_1us(1); } P1 = 0xff; //恢復(fù)端口電平 Delay_1us(200); //延時 200us~~~ } 在復(fù)位時序控制的函數(shù)中,使用了B20_Error全局變量,它將會傳遞給上一層的數(shù)據(jù)處理函數(shù)作為判斷當(dāng)前8個I/O口所接的DS18B20是否正常工作,或者是否在各自的總線上。 2.3.2 操作協(xié)議相關(guān)的函數(shù) 分析DS18B20的一線制總線控制命令,可以提煉出兩個最基本的操作函數(shù),一個是寫一個byte數(shù)據(jù)至DS18B20器件,另一為讀取DS18B20器件的數(shù)據(jù)。而在本文的范例程序當(dāng)中,僅僅為了提取DS18B20器件的轉(zhuǎn)換完后的溫度值,所以在讀取DS18B20的數(shù)據(jù)時,僅讀取存放在數(shù)據(jù)地址前兩個字節(jié)的溫度數(shù)據(jù),而不讀取其它字節(jié)的數(shù)據(jù),包括CRC校驗值也沒有進(jìn)行讀取,供參考。 寫字節(jié)操作函數(shù): void DS18B20_WriteByte(unsigned char Com) { unsigned char i; for(i=0;i<8;i++) { if(Com&0x01) DS18B20_Write_1(); else DS18B20_Write_0(); Com = Com>>1; } } 調(diào)用DS18B20_WriteByte函數(shù),連在8個I/O口上的一線制總線上的8個DS18B20器件,將都會接收到同樣的一個字節(jié)的數(shù)據(jù):Com。 讀數(shù)據(jù)操作函數(shù): unsigned char Read_buf_8ch[16]; //buffer of Read DS18B20 void DS18B20_Read2Byte(void) { unsigned int i; for(i=0;i<16;i++) { Read_buf_8ch = DS18B20_ReadDQ(); } } 前面已經(jīng)介紹過了,在本范例中,只讀取位到DS18B20內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)域的前兩節(jié)字的溫度值數(shù)據(jù),所以數(shù)據(jù)讀取函數(shù)設(shè)計成讀取兩個字節(jié)的函數(shù),即需要連續(xù)讀取16個位(對應(yīng)于每一個DS18B20器件來說是連續(xù)的16個位)。而將讀回的數(shù)據(jù)保存于一個Read_buf_8ch(簡寫:Rb)的數(shù)組中,可以根據(jù)系統(tǒng)的接線圖對讀回的16個字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如下圖所示:

讀取DS18B20的數(shù)據(jù)時,先讀高位再讀低位;所以可以從上圖看到,以TM2的DS18B20的數(shù)據(jù)為例,TM2的兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)由Read_buf_8ch數(shù)組的16個字節(jié)數(shù)據(jù)中的每個字節(jié)的bit2位組成。可知,完成一次數(shù)據(jù)讀取的操作后,可以同時讀回8個DS18B20器件的數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)處理時,只需針對上圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對Read_buf_8ch數(shù)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到每個DS18B20器件的測溫值。 2.3.3 API功能函數(shù): 供上層應(yīng)用程序直接調(diào)用的函數(shù)相對來說,是與系統(tǒng)的具體硬件接法沒有太多的關(guān)系,只需要依照DS18B20器件的操作流程進(jìn)行操作即可。在此,提供兩個API的范例,分別是啟動溫度轉(zhuǎn)換控制函數(shù)和讀取溫度值函數(shù)。 啟動溫度轉(zhuǎn)換控制函數(shù): void DS18B20_Conver(void) { DS18B20_Reset(); DS18B20_WriteByte(0xcc); //Skip ROM DS18B20_WriteByte(0x44); //啟動測溫 } 讀取溫度值函數(shù): void DS18B20_ReadTemp(void) { DS18B20_Reset(); DS18B20_WriteByte(0xcc); //Skip ROM DS18B20_WriteByte(0xbe); //送入讀取數(shù)據(jù)命令 DS18B20_Read2Byte(); } 調(diào)用讀取溫度值函數(shù)后,8個DS18B20器件的測溫數(shù)據(jù)將保存在數(shù)組Read_buf_8ch的16個字節(jié)單元當(dāng)中,還有待進(jìn)行下一步的處理,方可得到對應(yīng)每個DS18B20器件的測溫值。下面介紹簡單的處理代碼片斷: char i,j; unsigned int uiData[8]; unsigned char Mask; //OS the resoult of Temperature for(i=15;i>=0;i--) { Mask = 0x01; for(j=0;j<8;j++) { uiData[j] = uiData[j]<<1; if(Read_buf_8ch&Mask) uiData[j]++; Mask = Mask<<1; } } 經(jīng)過上述簡單的處理,8個DS18B20器件的測溫數(shù)據(jù)將保存在數(shù)組uiData當(dāng)中的8個單元里,就可以根據(jù)自身程序設(shè)計的需求來對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的處理了。 3 結(jié)語 本文介紹的快速查詢多點DS18B20溫度的設(shè)計方案,解決了串聯(lián)多個器件在一線制總線上的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的在查詢多點溫度時速度緩慢的問題,基本的設(shè)計思想是:將系統(tǒng)設(shè)計為在每個并行端口上連接一個DS18B20器件,利用MCU的并行端口同時對多個DS18B20進(jìn)行統(tǒng)一的操作,實現(xiàn)操作多個DS18B20器件的時間等同于操作單個DS18B20器件的時間。本設(shè)計思想,可以大大減少在查詢多個DS18B20測溫值的時間開銷,滿足了實時性要求較高的系統(tǒng)的設(shè)計需求;同時,也省掉了煩瑣的總線上多個器件序列號搜索的代碼的步驟,并且節(jié)省了用于存儲這些器件的序列號的存儲單元,使得利用DS18B20進(jìn)行多點測溫的操作變得更方便、容易。 雖然本文介紹的方法是以犧牲端口資源為代價,但具體在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時,也可以通過一些擴(kuò)展端口、串轉(zhuǎn)并端口、多路模擬開關(guān)等硬件電路設(shè)計來彌補(bǔ)這些端口資源的消耗,也可通過這些硬件電路來擴(kuò)展更多的DS18B20器件(如果有必要的話)。 本文所介紹的方法已經(jīng)在筆者參與設(shè)計的大型恒溫系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用,目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠 |