【文章內(nèi)容簡介】 8B20 簡介 概述 Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。同 DS1820 一樣 DS18B20 也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 55176。C~+125176。C，在10~+85 176。C 范圍內(nèi),精度為177。 176。C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V~ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。 DS18B20 數(shù)字溫度計提供 9 位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度 。 信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20 或從 DS18B20 送出，因此從中央處理器到 DS18b20 僅需連接一條線（和地） ，讀寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供 ，而不需要外部電源。 因為每一個 DS1820 有唯一的系列（silicon serial number）因此多個 DS1820 可以存在于同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件。此特性的應(yīng)用范圍包括 HVAC 環(huán)境控制，建筑物、設(shè)備或機械內(nèi)的溫度檢測,以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測. 1. 特性 *獨特的單線接口,只需 1 個接口引腳即可通信 *多點（multidrop）能力使分布式溫度檢測應(yīng)用得以簡化 *不需要外部元件 *可用數(shù)據(jù)線供電 *不需備份電源 *測量范圍從55℃至+125℃，增量值為 ℃等效的華氏溫度范圍是67176。F 至 257176。F ，增量值為 176。F *以 9 位數(shù)字值方式讀出溫度 *在 1 秒（典型值）內(nèi)把溫度變換為數(shù)字 *用戶可定義的，非易失性的溫度告警設(shè)置 *告警搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件（溫度告警情況） *應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費類產(chǎn)品，溫度計或任何熱敏系統(tǒng)2 . 引腳排列3. 引腳說明 引 腳8 腳 SOIC引腳PR35符號 說 明5 1 GND 地4 2 DQ 單線運用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，漏極開路見。3 3 Vdd 寄生電可選 Vdd 引腳 詳細說明 1. 工作原理 圖 31 的框圖表示 DS18B20 的主要部件 DS18B20 有三個主要的數(shù)據(jù)部件：1）64 位光刻 ROM； 2）溫度靈敏元件；3）非易失性溫度告警觸發(fā)器 TH 和TL。器件從單線的通信線取得其電源，在信號線為高電平的時間周期內(nèi)，把能量貯存在內(nèi)部的電容器中，在單信號線為低電平的時間期內(nèi)，斷開此電源 直到信號線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳娙荩╇娫礊橹?。作為另一種可供選擇的方法，DS18B20 也可用外部 5V 電源供電。 圖 31 DS18B20 結(jié)構(gòu)框圖 與 DS18B20 的通信經(jīng)過一個單線接口。在單線接口情況下，在 ROM 操作未定建立之前不能使用存貯器和控制操作。主機必須首先提供五種 ROM 操作命令之一：1） Read ROM(讀 ROM) ；2） Match ROM（匹配 ROM)；3）Search ROM（搜索 ROM） ；4）Skip ROM（跳過 ROM） ； 5）Alarm Search（告警搜索）。這些命令對每一器件的 64 位激光 ROM 部分進行操作。如果在單線上有許多器件，那么可以挑選出一個特定的器件，并給總線上的主機指示存在多少器件及其類型。在成功地執(zhí)行了 ROM 操作序列之后，可使用存貯器和控制操作，然后主機可以提供六種存貯器和控制操作命令之一。 一個控制操作命令指示 DS18B20 完成溫度測量，該測量的結(jié)果將放入 DS1820 的高速暫存存貯器（Scratchpad memory）通過發(fā)出讀暫存存儲器內(nèi)容的存儲器操作命令可以讀出此結(jié)果。每一溫度告警觸發(fā)器 TH 和 TL 構(gòu)成一個字節(jié)的 EEPROM。如果不對 DS18B20 施加告警搜索命令，這些寄存器可用作通用用戶存儲器。使用存儲器操作命令可以寫 TH 和 TL。對這些寄存器的讀訪問通過高速暫存存貯器。所有數(shù)據(jù)均以最低有效位在前的方式被讀寫。 2. 寄生電源(parasite power) 圖 31 示出寄生電源電路。當(dāng) I/O 或 Vdd 引腳為高電平時，這個電路便取得電源，只要符合指定的定時和電壓要求，I/O 將提供足夠的功率。寄生電源的優(yōu)點是雙重的：1）利用此引腳，遠程溫度檢測無需本地電源；2）缺少正常電源條件下也可以讀 ROM。 為了使 DS18B20 能完成準確的溫度變換，當(dāng)溫度變換發(fā)生時 I/O 線上必須提供足夠的功率。因為 DS18B20 的工作電流高達 1mA，5K 的上拉電阻將使 I/O 線沒有足夠的驅(qū)動能力。如果幾個 DS1820 在同一條 I/O 線上而且企圖同時變換，那么這一問題將變得特別尖銳。 3. DS18B20 的運用DS18B20 通過使用在板溫度測量專利技術(shù)來測量溫度。溫度測量電路的方框圖見圖 34 所示。DS18B20 通 過 門 開 通 期 間 內(nèi) 低 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器 經(jīng) 歷 的 時 鐘 周 期 個 數(shù) 計 數(shù) 來 測量 溫 度，而 門 開 通 期 由 高 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器 決 定。 計 數(shù) 器 予 置 對 應(yīng) 于 55 的 基 數(shù)，如 果 在 門 開 通 期 結(jié) 束 前 計 數(shù) 器 達 到 零，那么溫度寄存器它也被予置到55 的數(shù) 值－將增量，指示溫度高于55。同時，計 數(shù) 器用 鈄 率 累 加 器電 路 所 決 定 的值 進 行 予 置。為 了 對 遵 循拋 物 線 規(guī)律 的振 蕩 器 溫 度 特 性進 行 補 償，這 種 電 路是 必 需 的，時 鐘 再 次使 計 數(shù) 器 計值 至 它達 到零。 如 果 門 開 通 時 間 仍 未 結(jié) 束 ， 那么此過程再次重復(fù)。鈄率 累 加 器 用于 補 償 振 蕩 器溫 度 特 性 的 非線 性，以 產(chǎn)生 高 分 辯 率 的溫 度 測 量。通過 改 變 溫 度 每 升高 一 度，計 數(shù) 器 必 須經(jīng) 歷 的 計 數(shù)個 數(shù) 來 實行 補 償。因此，為 了獲得 所 需 的分 辯 率，計數(shù) 器 的 數(shù) 值 以 及 在 給 定 溫 度 處 每 一 攝 氏 度 的 計 數(shù) 個 數(shù) （ 鈄率 累 加 器 的 值 ） 二 者 都 必 須 知 道 。DS18B20 內(nèi)部對此計算的結(jié)果可提供 ℃的分辨力。溫度以 16bit 帶符號位擴展的二進制補碼形式讀出，表 31 給出了溫度值和輸出數(shù)據(jù)的關(guān)系。數(shù)據(jù)通過單線接口以串行方式傳輸。DS18B20 測溫范圍 55℃~+125 ℃，以 ℃遞增。如用于華氏溫度，必須要用一個轉(zhuǎn)換因子查找表。表 31溫度 數(shù)字輸出（二進制） 數(shù)據(jù)輸出（16 進制）+125 00000111 11111010 07D0h+ 00000001 10010001 0191h+1/2 00000000 00001000 0008h0 00000000 00000000 0000h1/2 11111111 11111000 FFF8h 11111110 01101111 FF6Fh55 11111100 10010000 FC90h 注意 DS18b20 內(nèi)溫度表示值為 1/2℃LSB ，如下所示 9bit 格式：最高有效（符號）位被復(fù)制充滿存儲器中兩字節(jié)溫度寄存器的高 MSB 位，由這種“符號位擴展”產(chǎn)生出了示于表 1 的 16bit 溫度讀數(shù)。 可用下述方法獲得更高的分辨力。首先，讀取溫度值，將 ℃位（LSB ）從讀取的值中截去，這個值叫做 TEMP_READ。然后讀取計數(shù)器中剩余的值，這個值是門周期結(jié)束后保留下來的值（COUNT_REMAIN） 。最后，我們用到在這個溫度下每度的計數(shù)值（COUNT_PER_C） 。用戶可以用下面的公式計算實際溫度值：4 . 報警搜索操作 DS18B20 完成一次溫度轉(zhuǎn)換后，就拿溫度值和存儲在 TH 和 TL 中的值進行比較。因為這些寄存器是 8 位的，所以 ℃位被忽略不計。TH 或 TL 的最高有效位直接對應(yīng) 16 位溫度寄存器的符號位。如果測得的溫度高于 TH 或低于 TL，器件內(nèi)部就會置位一個報警標(biāo)識。每進行一次測溫就對這個標(biāo)識進行一次更新。當(dāng)報警標(biāo)識置位時，DS18B20 會對報警搜索命令有反應(yīng)。這樣就允許許多DS18B20 并聯(lián)在一起同時測溫，如果某個地方的溫度超過了限定值，報警的器件就會被立即識別出來并讀取，而不用讀未報警的器件。 5 . 64 位光刻 ROM 每只 DS18B20 都有一個唯一的長達 64 位的編碼。最前面 8 位是單線系列編碼（DS18B20 的編碼是 19h） 。下面 48 位是一個唯一的序列號。最后 8 位是以上 56 位的 CRC 碼。64 位 ROM 和 ROM 操作控制區(qū)允許 DS18B20 做為單線制器件并按照詳述于“單線總線系統(tǒng)”一節(jié)的單線協(xié)議工作。只有建立了 ROM 操作協(xié)議，才能對 DS18B20 進行控制操作。單線總線控制器必須提供 5 個 ROM操作命令其中之一：1）Read ROM，2）Match ROM，3）Search Rom，4）Skip ROM，5）Alarm Search。成功進行一次 ROM 操作后，就可以對 DS18b20 進行特定的操作，總線控制器可以發(fā)出六個存儲器和控制操作命令中的任一個。64 位光刻 ROM8 位 CRC 編碼 48 位序列號 8 位產(chǎn)品系列編碼MSB LSB MSB LSB MSB LSB6. CRC 發(fā)生器 DS18B20 中有 8 位 CRC 存儲在 64 位 ROM 的最高有效字節(jié)中?？偩€控制器可以用 64 位 ROM 中的前 56 位計算出一個 CRC 值，再用這個和存儲在DS18b20 中的值進行比較，以確定 ROM 數(shù)據(jù)是否被總線控制器接收無誤。CRC計算等式如下： CRC=X8+X5+X4+1 DS18B20 同樣用上面的公式產(chǎn)生一個 8 位 CRC 值，把這個值提供給總線控制器用來校驗傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在任何使用 CRC 進行數(shù)據(jù)傳輸校驗的情況下，總線控制器必須用上面的公式計算出一個 CRC 值，和存儲在 DS18B20 的 64 位 ROM 中的值或 DS18B20 內(nèi)部計算出的 8 位 CRC 值（當(dāng)讀暫存器時，做為第 9 個字節(jié)讀出來）進行比較。CRC 值的比較以及是否進行下一步操作完全由總線控制器決定。當(dāng)在 DS18B20 中存儲的或由其計算的 CRC 值和總線控制器計算的值不相符時，DS18B20 內(nèi)部并沒有一個能阻止命令序列進行的電路。 單線 CRC 可以用一個由移位寄存器和 XOR 門構(gòu)成的多項式發(fā)生器來產(chǎn)生。 移位寄存器的各位都被初始化為 0。然后從系列編號的最低有效位開始，一次一位移入寄存器，8 位系列編碼都進入以后，序列號再進入，48 位序列號都進入后，移位寄存器中就存儲了 CRC 值。移入 8 位 CRC 會使移位寄存器復(fù) 0。 7. 存儲器 DS18B20 的存儲器結(jié)構(gòu)示于圖 32。存儲器由一個暫存 RAM 和一個存儲高低溫報警觸發(fā)值 TH 和 TL 的非易失性電可擦除（E2）RAM 組成。當(dāng)在單線總線上通訊時，暫存器幫助確保數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)先被寫入暫存器，這里的數(shù)據(jù)可被讀回。數(shù)據(jù)經(jīng)過校驗后，用一個拷貝暫存器命令會把數(shù)據(jù)傳到非易性（E2）RAM 中。這一過程確保更改存儲器時數(shù)據(jù)的完整性。暫存器的結(jié)構(gòu)為 8 個字節(jié)的存儲器。頭兩個字節(jié)包含測得的溫度信息。第三和第四字節(jié)是 TH 和 TL 的拷貝，是易失性的，每次上電復(fù)位時被刷新。下面兩個字節(jié)沒有使用，但是在讀回數(shù)據(jù)時，它們?nèi)勘憩F(xiàn)為邏輯 1。第七和第八字節(jié)是計數(shù)寄存器，它們可以被用來獲得更高的溫度分辨力。還有一個第九字節(jié)，可以用讀暫存器命令讀出。這個字節(jié)是以上八個字節(jié)的 CRC 碼。圖 32 DS18b20 存儲器圖8. 單線總線系統(tǒng) 單線總線系統(tǒng)包括一個總線控制器和一個或多個從機。DS18B20 是從機。關(guān)于這種總線分三個題目討論：硬件結(jié)構(gòu)、執(zhí)行序列和單線信號（信號類型和時序）。 單線總線只有一條定義的信號線；重要的是每一個掛在總線上的器件都能在適當(dāng)?shù)臅r間驅(qū)動它。為此每一個總線上的器件都必須是漏極開路或三態(tài)輸出。DS18B20 的單總線端口（I/O 引腳）是漏極開路式的，內(nèi)部等效電路見圖 33。一個多點總線由一個單線總線和多個掛于其上的從機構(gòu)成。單線總線需要一個約5KΩ 的上拉電阻。圖 33 硬件結(jié)構(gòu)單線總線的空閑狀態(tài)是高電平。無論任何理由需要暫停某一執(zhí)行過程時，如果還想恢復(fù)執(zhí)行的話，總線必必須停留在空閑狀態(tài)。在恢復(fù)期間，如果單線總線處于非活動（高電平）狀態(tài)，位與位間的恢復(fù)時間可以無限長。如果總線停留在低電平超過 480μs，總線上的所有器件都將被復(fù)位。 通過單線總線端口訪問 DS1820 的協(xié)議如下：