基于STM32_DS18B20单总线传感器驱动

Awen_y2023-10-13 1:00

基于STM32_DS18B20单总线传感器驱动

文章目录

前言

本文以一款典型的单总线传感器及其驱动------DS18B20为例，简单对1-Wire总线接口的传感器做个示例讲解，该项目基于硬件平台STM32F407，使用标准库本完成。

一、BS18B20？

DS18B20数字温度计提供9至12位(可配置)温度读数，指示设备的温度。信息通过1-Wire总线接口发送到/从DS18B20，因此只需要从中央微处理器连接到DS18B20的一根线(和接地)。读取、写入和执行温度转换的电源可以从数据线本身获得，而不需要外部电源。每个DS18B20都包含一个唯一的硅序列号，所以多个DS18B20可以存在于同一个1-Wire总线上。这允许在许多不同的地方放置温度传感器。此功能有用的应用包括暖通空调环境控制，感应建筑物，设备或机械内部的温度，以及过程监控和控制。

特点：

1.唯一的1线接口只需要一个端口引脚进行通信

2.多功能简化了分布式温度传感应用

3.不需要外部组件，可从数据线供电。

4.供电范围3.0V至5.5V 零待机电源

5.测量温度范围为-55°C至+125°C。相当于-67°F到+257°F ±0.5°C精度从-10°C到+85°C

6.温度计分辨率可编程从9到12位

二、原理

1.复位与检验

主机发送(TX)复位脉冲(低信号，至少480µs)，然后主机释放线路并进入接收模式(RX)，线总线通过5k上拉电阻拉到高状态。在检测到DQ引脚上的上升沿后，DS18B20等待15-60µs，然后发送存在脉冲(60-240µs的低电平信号)，主机在该时段检测到DQ的低电平信号，表示DS18B20设备存在，否则设备不存在。参见驱动中：void DS18B20_Reset(void)和uint8_t DS18B20_Check(void)函数。

2.基本命令

DS18B20常见的命令及含义如表所示：

名称 命令码 功能
Read ROM 33h 该命令允许总线主机读取DS18B20的8位族码、唯一的48位序列号和8位CRC。该命令只能在总线上有单个DS18B20时使用。如果总线上有多个从站，当所有从站试图同时传输时，就会发生数据冲突(open drain将产生有线AND结果)。
Match ROM 55h match ROM命令，后跟64位ROM序列，允许总线主机在多路总线上寻址特定的DS18B20。只有与64位ROM序列完全匹配的DS18B20才会响应以下内存功能命令。所有与64位ROM序列不匹配的从存储器将等待复位脉冲。该命令可用于总线上的单个或多个设备。
Skip ROM CCh 该命令允许总线主机在不提供64位ROM代码的情况下访问内存功能，从而在单丢总线系统中节省时间。如果总线上有一个以上的从站，并且在Skip ROM命令之后发出了Read命令，那么当多个从站同时传输时，总线上就会发生数据冲突(open drain下拉将产生一个有线and结果)。相当于跳过了识别码查验，直接读取温度
Search ROM F0h 当系统最初启动时，总线主机可能不知道1-Wire总线上的设备数量或它们的64位ROM代码。搜索ROM命令允许总线主人使用消除过程来识别总线上所有从设备的64位ROM代码。
Read Scratchpad BEh 该命令读取刮记本的内容。读取将从字节0开始，并将继续通过刮擦板，直到读取第九个(字节8,CRC)字节。如果不是所有的位置都要读取，主机可以在任何时候发出复位以终止读取。
Search ROM 44h 该命令开始温度转换。无需进一步收集数据。温度转换将被执行，然后DS18B20将保持空闲。如果总线主机按照该命令发出读时隙，只要DS18B20忙于进行温度转换，它就会在总线上输出0;当温度转换完成时，它将返回一个1。如果parasitepowered，总线主必须在发出该命令后立即启用一个大于tconv的强上拉。

基本操作过程参见官方手册给出的如下流程图

3.唯一ROM识别码

每个DS18B20包含一个64位长的唯一ROM代码。发送0x33命令后可读取改64位识别码，前8位是1-Wire族代码(DS18B20代码为28h)。接下来的48位是唯一的序列号。最后8位是前56位的CRC（CRC = X8 + X5 + X4 + 1），(参见图4）。当有多个DS18B20设备同时挂在1-Wire总线下时，可通过发送0x55匹配命令后发送识别码来匹配ROM识别码来确定控制或读取哪一个DS18B20设备数据。以前的方式是先准确无误得读取每个DS18B20设备唯一ROM识别码并提前写入代码中，如果某个传感器设备损坏，更换传感器设备的同时要更改代码或识别码配置文件。后来手册中给出一个Search ROM命令（暂时没试过）。

4.温度转换

DS18B20的核心功能是其直接数字温度传感器。DS18B20的分辨率是可配置的(9,10,11或12位)，12位读数为出厂默认状态。这相当于0.5°C, 0.25°C, 0.125°C或0.0625°C的温度分辨率。在发出Convert T [44h]命令后，执行温度转换，热数据以16位扩展符号的二进制补码格式存储在刮板存储器中。一旦转换完成，可以通过发出Read Scratchpad [BEh]命令在1-Wire接口上检索温度信息。数据通过1-Wire总线传输，首先是LSB总线。温度寄存器的MSB包含"符号"(S)位，表示温度是正的还是负的。表2描述了输出数据与测量温度的确切关系。该表采用12位分辨率。转换方式参见驱动void DS18B20_GetTemp_Main(void)函数。

三、驱动代码

.h文件：

c 复制代码 
#ifndef __DS18B20_H
#define __DS18B20_H

#include "stdio.h"
#include "Config.h" 
#include "SysTick.h"

/*******************************************
 *DS18B20 devier
 ********************************************/
#define DS18B20_IS_READY          (1u)   //设备存在      
#define DS18B20_NOT_READY         (0u)   //设备不存在
 
#define DS18B20_DQ_IN()           {GPIOG->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOG->MODER|=0<<9*2;}   //PG9 输入模式
#define DS18B20_DQ_OUT()          {GPIOG->MODER&=~(3<<(9*2));GPIOG->MODER|=1<<9*2;}   //PG9 输出模式

#define DS18B20_DQ_PORT           GPIOG
#define DS18B20_DQ_PIN            GPIO_Pin_9

#define DS18B20_WAIT_TIMEOUT      (uint8_t)240	  //等待时间
#define DS18B20_DELAY             (uint8_t)5	  //延时时间

#define DS18B20_DQ_LOW            GPIO_ResetBits(DS18B20_DQ_PORT,DS18B20_DQ_PIN)    //为设置低电平
#define DS18B20_DQ_HIGH           GPIO_SetBits(DS18B20_DQ_PORT,DS18B20_DQ_PIN)      //设置为高电平 

#define DS18B20_DQ_STATUS         GPIO_ReadInputDataBit(DS18B20_DQ_PORT,DS18B20_DQ_PIN)		//读取DQ状态
 
#define DS18B20_delay_us(a)       SysCtlDelayus(a)			//延时函数us

typedef enum
{
  DS18B20_1 = 0,
  DS18B20_2,
  DS18B20_3,
  DS18B20_4,
  DS18B20_Num_Counter
}DS18B20_Num;


/*DS18B20_SerialNumber
------------------------------------------------------------------------------------
|  8-BIT CRC CODE      |     48-BIT SERIAL NUMBER      |    8-BIT FAMILY CODE(28h) |
------------------------------------------------------------------------------------
MSB                 LSB MSB                         LSB  MSB                       LSB
*/
typedef struct
{
  uint8_t DS18B20_IndexNumber;          //设备编号
  uint8_t DS18B20_SerialNumber[8];      //ROM唯一识别码
  short   DS18B20_Temperature;          //温度数据
}DS18B20_ATTRIB_Type;

extern uint8_t DS18B20_Init(void);
extern void DS18B20_Reset(void);
extern short DS18B20_Get_Temperature(uint8_t Index_Num);
extern void DS18B20_GetTemp_Main(void);

#endif

.c文件：

c 复制代码 
 #include "DS18B20_Dev.h"
 
//#define DS18B20_MORE_THAN_ONE 

static DS18B20_ATTRIB_Type DS18B20_Temp[DS18B20_Num_Counter] = 
  {
    {DS18B20_1,{0x08,0x22,0x70,0xB0,0x9C,0x87,0x28},0u},
    {DS18B20_2,{0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},0u},
    {DS18B20_3,{0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},0u},
    {DS18B20_4,{0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00},0u},   
  };

static uint8_t DS18B20_Check(void);
static uint8_t DS18B20_Read_Bit(void);
static uint8_t DS18B20_Read_Byte(void);
static void DS18B20_Write_Byte(uint8_t aByte);
static uint8_t DS18B20_Get_RomID(uint8_t *ID_Buffer);

/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_Init
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:void
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
extern uint8_t DS18B20_Init(void)
{
    DS18B20_Reset();
    if(DS18B20_Check() == DS18B20_IS_READY)
    {
      #ifdef DS18B20_MORE_THAN_ONE
        DS18B20_Get_RomID(DS18B20_Temp[0].DS18B20_SerialNumber);
      #else
        return DS18B20_IS_READY;
      #endif
    }
}

/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_Start
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:void
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
void DS18B20_Start(void)
{
    DS18B20_Reset();	   
	  if(DS18B20_Check() == DS18B20_IS_READY)	 
    {
      DS18B20_Write_Byte(0xCC);   //skip rom
      DS18B20_Write_Byte(0x44);   //convert
    }
    else
    {
       //error
    }
}

/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_Reset
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:void
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
void DS18B20_Reset(void)
{
    //DS18B20 复位时序：DQ输出模式 DQ = 0（750us）， DQ = 0（20us.
    DS18B20_DQ_OUT();
    DS18B20_DQ_LOW;
    DS18B20_delay_us(750);
    DS18B20_DQ_HIGH;
    DS18B20_delay_us(15);
}

/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_Check
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:1-device ok/0-device error
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
uint8_t DS18B20_Check(void)
{
    uint8_t wait_time = 0;
    uint8_t Ready_Dev = 0;
		
    //DQ输入模式
    DS18B20_DQ_IN();
    //等待DQ脚被DS18B20拉低
    while((DS18B20_DQ_STATUS) && (wait_time < DS18B20_WAIT_TIMEOUT))
    {
        wait_time++;
        DS18B20_delay_us(1);
    }
    if(wait_time >= DS18B20_WAIT_TIMEOUT)
    {
         //如果等待时间超时，则退出等待
         return (uint8_t)DS18B20_NOT_READY;
    }
    else
    {
         //等待DQ脚被DS18B20抬高
         wait_time = 0;
         while((!DS18B20_DQ_STATUS) && (wait_time < DS18B20_WAIT_TIMEOUT))
         {
              wait_time++;
              DS18B20_delay_us(1);
         }
         if(wait_time >= DS18B20_WAIT_TIMEOUT)
         {
              //如果等待时间超时，则退出等待
              return (uint8_t)DS18B20_NOT_READY;
         }
         else
         {
              //如果未超时，则说明设备存在
              return (uint8_t)DS18B20_IS_READY;              
         }
    }
}



/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_Write_Byte
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:void
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
static void DS18B20_Write_Byte(uint8_t aByte)
{		
    
    uint8_t i = 0;
    uint8_t temp = 0;
    //将DQ设置为输出模式
    DS18B20_DQ_OUT();
    for(i = 0;i < 8;i++)
    {
        temp = aByte&0x01;
        aByte = aByte>>1;
        if(temp)
        {	
            //最低位为1
            DS18B20_DQ_LOW;
            DS18B20_delay_us(2);
            DS18B20_DQ_HIGH;
            DS18B20_delay_us(60);          
        }
        else
        {	  //最低位为0
            DS18B20_DQ_LOW;
            DS18B20_delay_us(60);
            DS18B20_DQ_HIGH;
            DS18B20_delay_us(2);
        }       
    }
}

/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_Read_Bit
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:void
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
static uint8_t DS18B20_Read_Bit(void) 			 //read one bit
{
  uint8_t Bit_Status;
  
  DS18B20_DQ_OUT();       //SET PG9 OUTPUT
  DS18B20_DQ_LOW; 
  DS18B20_delay_us(2);
  DS18B20_DQ_HIGH; 
  DS18B20_DQ_IN();        //SET PG9 INPUT
  DS18B20_delay_us(12); 
  if(DS18B20_DQ_STATUS)
  {
    Bit_Status = 1;
  }
  else
  {    
    Bit_Status = 0;
  }    
  DS18B20_delay_us(50);

  return Bit_Status;
}
/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_Read_Byte
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:void
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
static uint8_t DS18B20_Read_Byte(void)
{
    uint8_t i = 0 ,Bit_Status = 0,aByte = 0;
    //DQ为输入模式
    DS18B20_DQ_IN();
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        //低位先出
        Bit_Status = DS18B20_Read_Bit();
        aByte = (Bit_Status << 7) | (aByte >> 1);
    }
    
    return aByte;
}

/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_Read_Byte
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:void
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
static uint8_t DS18B20_Get_RomID(uint8_t *ID_Buffer)
{
    //uint8_t RomID[8];
    uint8_t i = 0;
    
    //DS18B20_Start();                    // ds1820 start convert
    DS18B20_Reset();
    DS18B20_Check();	 
    DS18B20_Write_Byte(0x33);             // skip rom
    
    //SDA为输入模式
    DS18B20_DQ_IN();
    for (i = 0; i < 8; i++)
    {
        ID_Buffer[i] = DS18B20_Read_Byte();
    }
    
    //return aByte;
}

/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_GetTemp_Main
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:void
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
void DS18B20_GetTemp_Main(void)
{
    uint8_t temp;
    uint8_t TL,TH;
	short Temperature;
  
    DS18B20_Start();                    // ds1820 start convert
    DS18B20_Reset();
    DS18B20_Check();	 
    DS18B20_Write_Byte(0xCC);           // skip rom
    DS18B20_Write_Byte(0xBE);           // read	    
    TL = DS18B20_Read_Byte();           // LSB   
    TH = DS18B20_Read_Byte();           // MSB   
    if(TH > 7)
    {
        TH = ~TH;
        TL = ~TL; 
        temp = 0;     //温度为负  
    }
    else
    {      
      temp = 1;      //温度为正
    }      	  	  
    Temperature = TH;                           //获得高八位
    Temperature <<= 8;    
    Temperature += TL;                          //获得低八位
    Temperature = (double)Temperature * 0.625;  //转换     
	if(temp)
    {
      DS18B20_Temp[0].DS18B20_Temperature = Temperature;                       //返回温度值
    }
    else 
    {
      DS18B20_Temp[0].DS18B20_Temperature = -Temperature;
    }      
}

/************************************************************************************
*@fuction	:DS18B20_Get_Temperature
*@brief		:
*@param		:--
*@return	:void
*@author	:_Awen
*@date		:2022-12-04
************************************************************************************/
extern short DS18B20_Get_Temperature(uint8_t Index)
{
    return DS18B20_Temp[0].DS18B20_Temperature;
}

四、注意事项

1.硬件电路中DQ脚外部会加上拉电阻，主机释放总线会被上拉电阻自动上拉，但为保险器件我们将主机释放中线写为主动上拉为高电平

  1. .h文件中对延时函数DS18B20_delay_us(a)的定义，关于 SysCtlDelayus(a)实际是ARM汇编的一种延时函数的写法，参见另一篇关于延时函数的博客（汇编延时）https://blog.csdn.net/Yin_w/article/details/130036593?spm=1001.2014.3001.5501
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