【正文】 DS18B20 有 10 條控制命令，如表 24 所示： 表 24 DS18B20 控制命令ROM 操作命令 指令 說明讀 ROM 命令（33H） 讀 DS18B20 的序行號搜索 ROM 命令（F0H） 識別總線上各器件的編碼匹配 ROM 命令（CCH） 用于多個 DS18B20 的定位跳過 ROM 命令（CCH） 此命令執(zhí)行后，存儲器操作將針對總線上所有操作報警搜索 ROM 命令（ECH） 僅溫度超限的器件對此命令做出響應(yīng)RAM 操作命令指令 說明溫度轉(zhuǎn)換（44H） 啟動溫度轉(zhuǎn)換讀暫存器（BEH） 讀全部暫存器內(nèi)容寫暫存器（4EH） 寫暫存器第 2，3 和 4 個字節(jié)的數(shù)據(jù)復(fù)制暫存器（48EH） 將暫存器中的 TH，TL 和配置寄存器內(nèi)容復(fù)制到 EEPROM 中讀 EEPROM（B8H） 將 TH，TL 和配置寄存器內(nèi)容從 EEPROM中回讀至?xí)捍嫫?DS18B20具體電路。DS18B20 在完成一個讀時序過程，至少需要 60us 才能完成。對于 DS18B20 的讀時序分為讀 0 時序和讀 1 時序兩個過程。因而主機在讀時隙期間，必須釋放總線。若發(fā)送為 0，則拉低總線當(dāng)發(fā)送 0 時，DS18B20 在該時隙結(jié)束后，釋放總線，由上拉電阻將總線拉回至高電平狀態(tài)。每個讀時隙都由主機發(fā)起，至少拉低總線 1us。所以在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時隙，以便 DS18B20 能夠傳輸數(shù)據(jù)。在寫 0 時隙期間，微控制器在整個時隙中將總線拉低；而寫 1 時隙期間，微控制器將總線拉低，然后在時隙起始后 15us 釋放總線。如圖 28圖28②寫時隙當(dāng)主機將單總線 DQ 從邏輯高拉為邏輯低時，即啟動一個寫時隙，所有的寫時隙必須在 60~120us 完成，且在每個循環(huán)之間至少需要 1us 的恢復(fù)時間。①復(fù)位和應(yīng)答脈沖時隙每個通信周期起始于微控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖，其后緊跟 DS18B20 發(fā)出的應(yīng)答脈沖，在寫時隙期間，主機向 DS18B20 器件寫入數(shù)據(jù)，而在讀時隙期間，主機讀入來自 DS18B20 的數(shù)據(jù)。與DS18B20 的通信，是通過操作時隙完成單總線上的數(shù)據(jù)傳輸。DS18B20 器件要求采用嚴格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。DS18B20 有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。表 23　部分溫度對應(yīng)值表溫度/℃ 二進制表示 十六進制表示+125 0000 0111 1101 000007D0H+85 0000 0101 0101 00000550H+ 0000 0001 1001 00000191H+ 0000 0000 1010 000100A2H+ 0000 0000 0000 00100008H0 0000 0000 0000 10000000H 1111 1111 1111 0000FFF8H 1111 1111 0101 1110FF5EH 1111 1110 0110 1111FE6FH55 1111 1100 1001 0000FC90H DS18B20的通信協(xié)議由于 DS18B20 采用的是 1－Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 AT89C51 單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對 DS18B20 芯片的訪問。當(dāng)符號位 S=0 時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位 S=1 時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 2 字節(jié)。第９字節(jié)讀出前面所有８字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。低５位一直為１，ＴＭ是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20 在工作模式還是在測試模式，DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為０，用戶要去改動，R1 和Ｒ0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。頭２個字節(jié)包含測得的溫度信息，第３和第４字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存ＲＡＭ和一個非易失性的可電擦除的 EERAM。C64 位ROM和單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器 TH低溫觸發(fā)器 TL配置寄存器8 位 CRC 發(fā)生器VDD圖 26 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)I/O64 位 ROM 的結(jié)構(gòu)開始８位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有 48 位，最后８位是前面 56 位的 CRC 檢驗碼，這也是多個 DS18B20 可以采用一線進行通信的原因。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。DS18B20 有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。 DS18B20的使用方法由于 DS18B20 采用的是 1－Wire 總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 AT89C51 單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對 DS18B20 芯片的訪問。3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。開漏單總線接口引腳。DS18B20 引腳介紹：TO－92 封裝的 DS18B20 的引腳排列見圖 25，其引腳功能描述見表 21。DSl8820只有三根外部引腳，其中VDD和GND為電源引腳，另一根DQ則作為I/O總線，因此稱為一線式數(shù)據(jù)總線。因為它是數(shù)字輸出，而且只占用一個I/O端口，所以它特別適合于微處理器控制的各種溫度測控系統(tǒng)，避免了模擬溫度傳感器與微處理器接口時需要的A/D轉(zhuǎn)換和較復(fù)雜的外圍電路。與其它傳感器相比，DSl8820具有以下技術(shù)特性：（1）具有獨特的單總線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需一條I/O口線就可實現(xiàn)微處理器與它的雙向通信；（2）支持多點組網(wǎng)功能，一條總線上可以同時掛接多個DSl8B20，很方便地實現(xiàn)多點溫度的檢測；（3）數(shù)字信號輸出，不需要信號放大和A/D轉(zhuǎn)換等外圍電路；（4）測溫范圍55~+125℃，在1~+85℃時測溫準(zhǔn)確度為177。作為單總線器件。單總線系統(tǒng)是由掛在一對雙絞線(一根信號線，一根地線)上的單總線器件芯片，專門的通信協(xié)議組成，該系統(tǒng)中只有一個總線命令者，從者可以有多個。美國DALLAS半導(dǎo)體公司開發(fā)了一種新技術(shù)——單總線技術(shù)。DSl8820是是美國DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器。在本系統(tǒng)中，考慮到現(xiàn)實應(yīng)用的多樣性，設(shè)計采用內(nèi)部和外部傳感器的方式進行數(shù)據(jù)采集。因此，它是現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？傮w設(shè)計如圖 23所示：圖23 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總體設(shè)計 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作原理利用 AT89C51 組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作原理：溫度傳感器 DS18B20 將被測環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成帶符號的數(shù)字信號（以十六位補碼形式，占兩個字節(jié)）傳送給 51單片機，然后單片機經(jīng)過處理經(jīng)由 CC2500 的無線發(fā)射模塊發(fā)送給上位機。AT89C51 CC2500LTC3400+5V +~DS18B20+ 最終確定的方案由 AT89C51 構(gòu)成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由五部分組成：DS18B20 溫度傳感器、AT89C5LTC3400 電源、CC2500 射頻單元。當(dāng)有多個大電流傳感器接入時，通常使用集成的模擬開關(guān)芯片來實現(xiàn)電源控制。對于小電流工作的傳感器，可由處理器 I/O 口直接驅(qū)動，可以減少能量消耗。如果是實際應(yīng)用，完全可以直接采用不需要信號調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器，而在我們的課題設(shè)計中，則應(yīng)當(dāng)盡量不要使用數(shù)字式傳感器。相對于常規(guī)的傳感器，課題的設(shè)計中更多的會涉及到的是現(xiàn)成的集成設(shè)計的微型傳感器，至于傳感器的具體工作原理，我們并不關(guān)心，我們只要知道用就可以了。因此選擇了LTC3400LTC3400還可在輕負載情況下自動轉(zhuǎn)為突發(fā)模式，以節(jié)省電能。它的開關(guān)頻率為1．2 MHz，效率最高可達92％。綜合以上5點要素，在設(shè)計時選擇Chipcon公司的CC2500無線射頻芯片。（5）收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經(jīng)驗，需要更多的內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達到標(biāo)稱速率的1／3。有些芯片似乎比較便宜，可是外圍元件使用很多昂貴的元件，如變?nèi)莨?、聲表濾波器等；還有些芯片收發(fā)分別需要兩根天線，會增加成本。（3）收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量。（2）功耗。（1）發(fā)射功率。無線射頻收發(fā)芯片的工作頻段有433MHz，968MHz，以及ZigBee使用的2．4GHz等等。電路主要設(shè)定為在3143868和915MHz的ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段，也可以容易地設(shè)置為300348 MHz、400464 MHz和800928 MHz的其他頻率。方 案 三 ：采用TI公司的CC1100。 其 DuoCeiverTM技 術(shù) 使 nRF2401可 以 使 用 同 一 天 線 ， 同 時 接 收 兩 個 不同 頻 道 的 數(shù) 據(jù) 。方案二：采用n RF2401， nRF2401是 單 片 射 頻 收 發(fā) 芯 片 ， 工 作 于 ～ ISM頻 段 ，芯 片 內(nèi) 置 頻 率 合 成 器 、 功 率 放 大 器 、 晶 體 振 蕩 器 和 調(diào) 制 器 等 功 能 模 塊 ， 輸 出 功 率和 通 信 頻 道 可 通 過 程 序 進 行 配 置 。RF收發(fā)器集成了一個數(shù)據(jù)傳輸率可達500kbps的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。能滿足本設(shè)計的需要。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。方案三：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。方案二：采用Freescale公司的HCS08，每個HCS08 系列的MCU 都是由HCS08 核加上幾個存儲器以及外設(shè)模塊組成。MSP430系列單片機采用了RISC接口，具有豐富的尋址的方式，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算，還有高效的查表處理指令，有較高的處理速度，在8MHZ晶體驅(qū)動下指令周期為125ns。方案一：采用TI公司推出的一款16位超低功耗單片機MSP430F449，其工作電壓范圍為．6V，并且采用三套獨立的時鐘源，包括高速的主時鐘、低頻時鐘(如32．768kHz)以及DCO片內(nèi)時鐘，可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低MCU主時鐘頻率，以降低功耗。該類節(jié)點的處理能力較弱，但是能量消耗功率也很小。該類節(jié)點的能量消耗比采用微控制器大很多，但是其處理能力也強很多，適合圖像等高數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的應(yīng)用，也適合作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點。圖22 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本組成 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方案論證 方案展示①單片機電路單元處理器單元是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心，和其他單元一起完成數(shù)據(jù)的采集、處理和收發(fā)。傳感器模塊負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本地采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責(zé)與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量控制模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需要的能量，通常采用微型電池。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。目前傳感器節(jié)點的軟硬件技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點。傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)(SensorField)內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。綜上，本文研究的重點問題集中在兩方面，即：低能耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的仿真實現(xiàn)及研究?？蓴U展性也是傳感器節(jié)點設(shè)計中必須考慮的問題，傳感器節(jié)