摘 要：分析了1-Wire總線的硬件結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)了1-Wire器件與8051系列單片機(jī)的軟件接口。

關(guān)鍵詞：1-Wire總線，軟件接口，CRC校驗(yàn)

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1 引言

現(xiàn)在，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的外圍擴(kuò)展已逐漸從以并行方式為主過(guò)渡到以串行方式為主，許多新型外圍器件都帶有串行擴(kuò)展接口。通常的串行擴(kuò)展接口和串行擴(kuò)展總線有：UART的移位寄存器方式，MOTOROLA公司的SPI，NS公司的Microwire，Philips公司的IIC和Dallas公司的1-Wire總線等。1-Wire總線是一種最簡(jiǎn)單的總線形式，它通過(guò)單條連接線完成了全部的控制、通信和供電，節(jié)省了I/O口，降低了系統(tǒng)成本并簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。1-Wire器件家族包含多種功能的器件，如身份識(shí)別器、傳感器、控制和存儲(chǔ)器等。在應(yīng)用系統(tǒng)中，需要將這些簡(jiǎn)易實(shí)用的外圍器件與系統(tǒng)中的微控制器互連。常用的方法包括：簡(jiǎn)單的軟件方案；串行接口芯片，如DS2480；或以VHDL方式整合1-Wire主控器于定制的ASIC中。本文結(jié)合以1-Wire溫度傳感器構(gòu)成的溫度測(cè)控系統(tǒng)，詳細(xì)講述1-Wire器件與常用的8051系列單片機(jī)的軟件接口。

2 1-Wire總線簡(jiǎn)述

2．1 硬件配置

1-Wire總線通常如圖1連接，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)捷的1-Wire網(wǎng)絡(luò)，它包括三個(gè)主要部分：帶有控制軟件的主控器（Master），連接上拉電阻和穩(wěn)壓二極管的連接線，以及各種功能的1-Wire器件（Slave）。漏極開(kāi)路的端口結(jié)構(gòu)和上拉電阻Rpu使總線空閑時(shí)處于高電平狀態(tài)（3V至5.5V），從器件可直接從數(shù)據(jù)線上獲得工作電能（節(jié)省了電源線）。每一位讀寫(xiě)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)，主控器把總線拉低（小于0.8V），結(jié)束時(shí)，釋放總線為高電平，這種按位自同步的數(shù)據(jù)傳輸方式節(jié)省了時(shí)鐘線。穩(wěn)壓二極管將總線最高電平限定在5.6V，起保護(hù)端口的作用。

1-Wire器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，1-Wire接口實(shí)現(xiàn)供電和同步。ROM存儲(chǔ)一個(gè)由廠家光刻的、全球唯一的、且不可更改的64位序列號(hào)，內(nèi)容如圖2所示。最低8位是器件的類型號(hào)（Family Code），功能相同的一類器件具有相同的類型號(hào)；然后是48位器件序列號(hào)（Serial Code）；最后是8位CRC校驗(yàn)位用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，這樣，實(shí)際可用的256個(gè)序列號(hào)為器件或其附著的電路板或系統(tǒng)在1-Wire網(wǎng)絡(luò)中提供唯一的電子識(shí)別。外圍部件完成某一特定的功能，主控器通過(guò)對(duì)RAM的讀寫(xiě)操作對(duì)器件進(jìn)行控制。

2．2 通信規(guī)程

??? 1-Wire總線采用主從式、位同步、半雙工串行方式通信，如圖3所示，分以下三步：

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??? ? （1）總線初始化，主控器先復(fù)位脈沖，然后從器件發(fā)應(yīng)答脈沖。

（2）ROM指令，主控器通過(guò)ROM指令來(lái)讀取各從器件的ROM識(shí)別碼，以選擇1-Wire總線上的某一器件，其余器件忽略主控器的后續(xù)指令。

（3）RAM指令，通過(guò)對(duì)從器件RAM的讀寫(xiě)操作，讓外圍器件實(shí)現(xiàn)某一功能。

所有1-Wire器件與主控器之間的通信都符合上述規(guī)程，但不同類型的1-Wire器件的結(jié)構(gòu)和功能不同，8比特的ROM指令和RAM指令會(huì)略有不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)查器件數(shù)據(jù)手冊(cè)即可。

3 接口時(shí)序及軟件模擬

在所設(shè)計(jì)的溫度測(cè)控系統(tǒng)中，選用了達(dá)拉斯公司性能優(yōu)良的1-Wire溫度傳感器DS1822，以一片常用的AT89C51作為系統(tǒng)主控器。89C51與1-Wire器件互連時(shí)，需要根據(jù)1-Wire總線協(xié)議，用軟件模擬1-Wire總線接口，89C51的P1和P3口都具有與1-Wire器件相同的集電極開(kāi)路接上拉電阻的端口結(jié)構(gòu)，根據(jù)管腳分配情況，選用P1.0模擬1-Wire總線接口。

如圖4所示，1-Wire總線上的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)1-Wire總線協(xié)議最底層的操作時(shí)隙完成的。每個(gè)通信周期起始于主控器發(fā)出復(fù)位脈沖，然后，1-Wire器件以應(yīng)答脈沖做出響應(yīng)。當(dāng)主控器將總線從空閑狀態(tài)的邏輯高拉為邏輯低時(shí)，即啟動(dòng)了一個(gè)讀寫(xiě)時(shí)隙。在寫(xiě)“0”時(shí)隙中，主控器在整個(gè)時(shí)隙期間將總線拉低；而后在15us之內(nèi)釋放總線為高。在讀時(shí)隙中，主控器將總線拉低1us，接頭釋放總線，這樣，1-Wire從器件就能夠接管總線，輸出有效數(shù)據(jù)。所有的讀寫(xiě)時(shí)隙在60us至120us內(nèi)完成，并且每個(gè)時(shí)隙之間至少需要1us的恢復(fù)時(shí)間。

按圖4的時(shí)序要求，先建立以下幾個(gè)關(guān)鍵的子函數(shù)，作為1-Wire器件與8051系列單片機(jī)的軟件接口的基礎(chǔ)（晶振頻率為12M，一個(gè)機(jī)器周期為1us）。

在上述時(shí)序模擬子函數(shù)的基礎(chǔ)上，建立讀、寫(xiě)一個(gè)子節(jié)函數(shù)，根據(jù)1-Wire協(xié)議的要求，傳送數(shù)據(jù)時(shí)低位在前高位在后。

??????? 主控器讀入1-Wire器件數(shù)據(jù)后，會(huì)進(jìn)行CRC校驗(yàn)。1-Wire協(xié)議采用的8位CRC校驗(yàn)的生成多項(xiàng)式為：
??? g(x)=x8+x5+x4+1

其硬件生成器如圖5所示。

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把單片機(jī)的8位存儲(chǔ)單元TEMP看成一個(gè)8位生成器，按圖4的結(jié)構(gòu)，很容易得到計(jì)算一個(gè)字節(jié)的8位CRC校驗(yàn)的匯編子函數(shù)，輸入字節(jié)置于讀寫(xiě)累加器A中，計(jì)算的累計(jì)CRC校驗(yàn)結(jié)果置于暫存單元TEMP中。設(shè)TEMP的初值為00H，8次循環(huán)調(diào)用CRC函數(shù)，即可得64位ROM號(hào)的CRC校驗(yàn)結(jié)果，讀數(shù)正確時(shí)，前7個(gè)字節(jié)（Family Code+Serial Code）的CRC校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果TEMP應(yīng)與ROM號(hào)最后一個(gè)字節(jié)（8BIT CRC）的值相同，最后的校驗(yàn)值TEMP應(yīng)為00H。

上述的總線初始化函數(shù)START、字節(jié)讀寫(xiě)函數(shù)RDBYTE、WRBYTE和CRC校驗(yàn)函數(shù)就構(gòu)成了8051系列單片機(jī)與1-Wire器件通信的軟件平臺(tái)，在設(shè)計(jì)時(shí)只需按規(guī)程調(diào)用這4個(gè)函數(shù)，就可輕松構(gòu)建起一個(gè)1-Wire總線擴(kuò)展的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

4 軟件接口應(yīng)用

數(shù)片DS1822按圖1連接到AT89C51的P1.0腳，按圖3的1-Wire總線通信規(guī)程，調(diào)用上述軟件接口，即可構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的溫度測(cè)控系統(tǒng)DS1822是一種精度可調(diào)的（9至12比特）的1-Wire數(shù)字溫度傳感器，其RAM結(jié)構(gòu)如圖6所示，最低兩字節(jié)只讀，用于保存每次采集溫度值；Th寄存器和T1寄存器分別用于設(shè)定溫度傳感器告警的最高和最低溫度；設(shè)置寄存器用于設(shè)定溫度傳感器的采和最低溫度；設(shè)置寄存器用于設(shè)定溫度傳感器的采樣精度；對(duì)應(yīng)的EEPROM用于掉電時(shí)保存用戶設(shè)置。

DS1822的指令字及其功能如表1所示。

系統(tǒng)從主控器片內(nèi)RAM30H至37H單元中讀取事先存儲(chǔ)的ROM號(hào)，從總線上選擇該器件，啟動(dòng)溫度變換，再讀取溫度于70H、71H中的程序如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

??? 1-Wire總線連線簡(jiǎn)捷，1-Wire器件種類多樣，功能豐富，必將得到日益廣泛的應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述了目前普遍使用的8051單片機(jī)與1-Wire總線的軟件接口，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的串行擴(kuò)展提供了一種行之有效的參考方案，它還可以方便地移植到其它系統(tǒng)中。

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參考文獻(xiàn)

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1 何立民.按平臺(tái)模式設(shè)計(jì)的虛擬I2C總線軟件包VIIC.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2001（2）

2 丁元杰.單片微機(jī)原理及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999