1-Wire器件与8051系列单片机的软件接口

摘 要：分析了1-Wire总线的硬件结构和通信协议，结合实际应用设计了1-Wire器件与8051系列单片机的软件接口。

关键词：1-Wire总线，软件接口，CRC校验

 

 

1 引言

现在，单片机应用系统的外围扩展已逐渐从以并行方式为主过渡到以串行方式为主，许多新型外围器件都带有串行扩展接口。通常的串行扩展接口和串行扩展总线有：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总线等。1-Wire总线是一种最简单的总线形式，它通过单条连接线完成了全部的控制、通信和供电，节省了I/O口，降低了系统成本并简化了设计。1-Wire器件家族包含多种功能的器件，如身份识别器、传感器、控制和存储器等。在应用系统中，需要将这些简易实用的外围器件与系统中的微控制器互连。常用的方法包括：简单的软件方案；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。本文结合以1-Wire温度传感器构成的温度测控系统，详细讲述1-Wire器件与常用的8051系列单片机的软件接口。

2 1-Wire总线简述

2．1 硬件配置

1-Wire总线通常如图1连接，构成一个简捷的1-Wire网络，它包括三个主要部分：带有控制软件的主控器（Master），连接上拉电阻和稳压二极管的连接线，以及各种功能的1-Wire器件（Slave）。漏极开路的端口结构和上拉电阻Rpu使总线空闲时处于高电平状态（3V至5.5V），从器件可直接从数据线上获得工作电能（节省了电源线）。每一位读写时隙开始时，主控器把总线拉低（小于0.8V），结束时，释放总线为高电平，这种按位自同步的数据传输方式节省了时钟线。稳压二极管将总线最高电平限定在5.6V，起保护端口的作用。

1-Wire器件内部结构如图1所示，1-Wire接口实现供电和同步。ROM存储一个由厂家光刻的、全球唯一的、且不可更改的64位序列号，内容如图2所示。最低8位是器件的类型号（Family Code），功能相同的一类器件具有相同的类型号；然后是48位器件序列号（Serial Code）；最后是8位CRC校验位用于验证数据传输的正确性，这样，实际可用的256个序列号为器件或其附着的电路板或系统在1-Wire网络中提供唯一的电子识别。外围部件完成某一特定的功能，主控器通过对RAM的读写操作对器件进行控制。

2．2 通信规程

    1-Wire总线采用主从式、位同步、半双工串行方式通信，如图3所示，分以下三步：

 

 

 

      （1）总线初始化，主控器先复位脉冲，然后从器件发应答脉冲。

（2）ROM指令，主控器通过ROM指令来读取各从器件的ROM识别码，以选择1-Wire总线上的某一器件，其余器件忽略主控器的后续指令。

（3）RAM指令，通过对从器件RAM的读写操作，让外围器件实现某一功能。

所有1-Wire器件与主控器之间的通信都符合上述规程，但不同类型的1-Wire器件的结构和功能不同，8比特的ROM指令和RAM指令会略有不同，系统设计时查器件数据手册即可。

3 接口时序及软件模拟

在所设计的温度测控系统中，选用了达拉斯公司性能优良的1-Wire温度传感器DS1822，以一片常用的AT89C51作为系统主控器。89C51与1-Wire器件互连时，需要根据1-Wire总线协议，用软件模拟1-Wire总线接口，89C51的P1和P3口都具有与1-Wire器件相同的集电极开路接上拉电阻的端口结构，根据管脚分配情况，选用P1.0模拟1-Wire总线接口。

如图4所示，1-Wire总线上的数据传输是通过1-Wire总线协议最底层的操作时隙完成的。每个通信周期起始于主控器发出复位脉冲，然后，1-Wire器件以应答脉冲做出响应。当主控器将总线从空闲状态的逻辑高拉为逻辑低时，即启动了一个读写时隙。在写“0”时隙中，主控器在整个时隙期间将总线拉低；而后在15us之内释放总线为高。在读时隙中，主控器将总线拉低1us，接头释放总线，这样，1-Wire从器件就能够接管总线，输出有效数据。所有的读写时隙在60us至120us内完成，并且每个时隙之间至少需要1us的恢复时间。

按图4的时序要求，先建立以下几个关键的子函数，作为1-Wire器件与8051系列单片机的软件接口的基础（晶振频率为12M，一个机器周期为1us）。

在上述时序模拟子函数的基础上，建立读、写一个子节函数，根据1-Wire协议的要求，传送数据时低位在前高位在后。

        主控器读入1-Wire器件数据后，会进行CRC校验。1-Wire协议采用的8位CRC校验的生成多项式为：
    g(x)=x8+x5+x4+1

其硬件生成器如图5所示。

 

 

 

把单片机的8位存储单元TEMP看成一个8位生成器，按图4的结构，很容易得到计算一个字节的8位CRC校验的汇编子函数，输入字节置于读写累加器A中，计算的累计CRC校验结果置于暂存单元TEMP中。设TEMP的初值为00H，8次循环调用CRC函数，即可得64位ROM号的CRC校验结果，读数正确时，前7个字节（Family Code+Serial Code）的CRC校验计算结果TEMP应与ROM号最后一个字节（8BIT CRC）的值相同，最后的校验值TEMP应为00H。

上述的总线初始化函数START、字节读写函数RDBYTE、WRBYTE和CRC校验函数就构成了8051系列单片机与1-Wire器件通信的软件平台，在设计时只需按规程调用这4个函数，就可轻松构建起一个1-Wire总线扩展的单片机应用系统。

4 软件接口应用

数片DS1822按图1连接到AT89C51的P1.0脚，按图3的1-Wire总线通信规程，调用上述软件接口，即可构成一个简单实用的温度测控系统DS1822是一种精度可调的（9至12比特）的1-Wire数字温度传感器，其RAM结构如图6所示，最低两字节只读，用于保存每次采集温度值；Th寄存器和T1寄存器分别用于设定温度传感器告警的最高和最低温度；设置寄存器用于设定温度传感器的采和最低温度；设置寄存器用于设定温度传感器的采样精度；对应的EEPROM用于掉电时保存用户设置。

DS1822的指令字及其功能如表1所示。

系统从主控器片内RAM30H至37H单元中读取事先存储的ROM号，从总线上选择该器件，启动温度变换，再读取温度于70H、71H中的程序如下：

5 结束语

    1-Wire总线连线简捷，1-Wire器件种类多样，功能丰富，必将得到日益广泛的应用。本文详细阐述了目前普遍使用的8051单片机与1-Wire总线的软件接口，为单片机应用系统的串行扩展提供了一种行之有效的参考方案，它还可以方便地移植到其它系统中。

 

参考文献

 

1 何立民.按平台模式设计的虚拟I2C总线软件包VIIC.单片机与嵌入式系统应用，2001（2）

2 丁元杰.单片微机原理及应用.北京：机械工业出版社，1999