【正点原子MP157连载】第二十六章 DS18B20数字温度传感器实验-摘自【正点原子】STM32MP1 M4裸机CubeIDE开发指南

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第二十六章 DS18B20数字温度传感器实验

本章，我们将介绍通过STM32MP157读取外部温度传感器的温度，来得到较为准确的环境温度。本章节我们先了解单总线技术，再了解温度传感器DS18B20，然后实现STM32MP157和DS18B20进行通信，把获取到的温度通过串口打印出来。 本章分为如下几个小节： 26.1、单总线和DS18B20简介； 26.2、硬件设计； 26.3、软件设计； 26.4、编译和测试； 26.1 单总线和DS18B20简介 26.1.1 单总线特点 单总线（1-Wire Bus），即只有一根线，是由美国DALLAS半导体公司推出的扩展总线技术，和SPI、I2C不同的是，单总线只有一根信号线（地线除外），整个通信过程的数据交换和控制都由这根线完成，可以说单总线既作为时钟线，又作为数据线，数据在单总线上传输是双向的。采用单总线的好处是：节省IO资源、硬件开销小、资源结构简单、易于控制、易于扩展以及后期维护、成本低等，单总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新的概念。 挂在单总线上的器件我们称为单总线器件，目前，常见的单总线器件主要有：数字温度传感器（如DS18B20和DS1821）、门禁、身份识别器（如DS1990A）、A/D转换器（如DS2450）等。单总线的主要特点如下： ①、只有一根线； ②、传输速度一般是16.3Kbit/s，最大可达142Kbit/s； ③、只有一个单主机（可以是微控制器），可以是一个或多个从机，所挂的从机数量几乎不受限制； ④、总线空闲时为高电平，数据传输是双向的； ⑤、总线是分时工作的，同一个时刻只能和一个从机进行通信； ⑥、连接到单总线的每个器件必须具有漏极开路或三态输出； ⑦、总线上的信号，除了应答脉冲外，其它都是由主机发出同步信号，并且发出的所有命令和数据字节的低位在前。

图26.1.1.1 单总线挂载多个设备 26.1.2 单总线硬件接口结构 如下是单总线的硬件接口示意图，设备（主机或者从机）通过漏极开路或者三态端口接到单总线上，当设备不发送数据时释放总线，以便总线给其它设备使用。由于是漏极开路，需要在电路中加一个上拉电阻，图中，单总线外接一个4.7KΩ的上拉电阻，所以，当单总线为空闲状态时，总线状态为高电平。不管什么原因，如果传输过程需要暂时挂起，且要求传输过程还能够继续的话，则总线必须处于空闲状态。位传输之间的恢复时间没有限制，只要总线在恢复期间处于空闲状态（高电平）。如果总线保持低电平超过480us，总线上的所有器件将复位。 我们来看看主机和从机发送数据的过程： ①、当主机通过Tx端发送逻辑1时，经过反相器处理，总线呈现逻辑0，逻辑0经过1-Wire端口的反相器传输给从机的Rx端后为1，则从机接收到逻辑1； ②、当主机通过Tx端发送逻辑0时，经过反相器处理，总线呈现逻辑1，逻辑1经过1-Wire端口的反相器传输给从机的Rx端后为0，则从机接收到逻辑0； ③、当从机通过Tx发送逻辑1时，Tx处的NMOS管导通，总线呈逻辑0，到了主机的Rx反相器后，主机得到逻辑1； ④、当从机通过Tx发送逻辑0时，Tx处的NMOS管截止，总线呈现逻辑1，到了主机的Rx反相器后，主机收到逻辑0。

图26.1.2.1 单总线的硬件接口示意图 26.1.3 DS18B20简介

1. DS18B20简介 在工农业以及日常生活中经常需要测试温度，传统的方式是使用热电偶或热电阻，测试的值需要经过A/D转换，将模拟量转换为数字量得到，采用这种方式进行设计，硬件结构较复杂，制作成本较高。DS18B20是由美国DALLAS半导体公司推出的一种“单总线”接口的温度传感器，因其突出的优点而广泛用于农业生产、工业制造、气象观测、仓库管理、科学研究、弹药库测温等众多领域，与传统的热敏电阻等测温元件相比，其主要特点有： ①、单总线接口方式，只需要一根线即可与微控制通信（地线除外），在使用中不需要任何外围元件，使用简单，节约硬件成本，且以单总线的数字方式传输，大大提高了抗干扰性； ②、最高12位分辨率，测试温度范围为-55~+125℃，精度为±0.5℃，测温范围广； ③、12位分辨率时，在750毫秒（最大）内可将12位温度转换为数字，转换速度快； ④、工作在3~5.5V的电压范围，适用电压宽； ⑤、全数字温度转换和输出，能直接读出被测温度，可实现9~12位的数字值读数方式（可编程设备温度读数）； ⑥、体积小、多种封装形式，适应狭小空间测温，使系统设置灵活、方便； ⑦、设定分辨率以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存； ⑧、每个DS18B20都包含唯一的芯片序列号，因此同一条1-Wire总线上可以挂接多个DS18B20。 如下图是不同封装的DS18B20，主要引脚有3个：

表26.1.3.1 DS18B20引脚

图26.1.3.1 DS18B20的封装和引脚排列 2. DS18B20内部结构 如下是DS18B20的内部结构图：

图26.1.3.2 DS18B20内部结构图 上图中显示了DS18B20的主要组件，其温度检测和数字输出全部集中在一个芯片中，主要部分有： （1）64位的ROM ROM中的64位序列号是出厂前被标记好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排列是：低8位是产品家族码，接着48位是DS18B20的序列号，最高8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1）。总线主机可以从64位ROM的前56位计算出CRC值，并将其与DS18B20的8位CRC的值进行比较，以确定总线主机是否已正确接收ROM数据。 ROM作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就实现了一根总线上挂载多个DS18B20。

图26.1.3.3 64位序列号 （2）温度传感器 DS18B20的温度传感器部分用于完成温度测试，测试得到的值传输到高速缓存存储器中以供主机获取。DS18B20的分辨率可配置（9、10、11或12位），这相当于0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃的温度分辨率，而12位读数为出厂默认状态。我们以12位为例进行介绍：数据以16位符号扩展二进制的补码形式存储在高速缓存存储器中，以0.0625℃/LSB的形式进行表达，MSB包含符号位“S”，该位用于表示温度是整数还是负数：

图26.1.3.4 DS18B20温度格式（12位） 转化后得到的12位数据存储在两个字节的RAM中，以二进制表示，最高5位是符号位，表示负数还是正数：如果测试的温度大于0，这5位为0，这16位测试得到的值乘以0.0625就是温度值；如果温度小于0，这5位为1，这16位测试得到的值先取反再加1，最后再乘以0.0625就得到温度值。 例如，+125℃的数值为0X07D0H，计算方法： 0X07D0H二进制00000 0111 1101 0000十进制2000温度=0.06252000=125℃。 例如，-55℃的数值为FC90H，计算方法是： FC90H二进制1111 1100 1001 0000取反后0000 0011 0110 1111加1后为 0000 0011 0111 0000十进制880温度=0.0625880=-55℃。

表26.1.3.2 DS18B20温度数据表 （1）上电复位寄存器值为+85℃ DS18B20的测量结果将存储在高速缓存存储器中，可通过主机发出存储功能命令读取高速缓存存储器的内容，从而获得数值以便进行计算出温度值，关于存储功能命令我们后面会介绍到。 （3）高温和低温触发器（TH和TL） 温度警报触发器TH和TL分别由1字节EEPROM组成，如果未将警报搜索命令应用于DS18B20，则这些寄存器可用作通用用户存储器。可使用存储器功能命令完成TH，TL和配置字节的写入，通过高速缓存存储器对这些寄存器进行读写时，首先读取和写入的是所有数据的最低有效位。 （4）配置寄存器 配置寄存器在高速缓存存储器中占用一个字节，配置寄存器包含设备将温度到数字转换的分辨率信息，其中，读取低5位默认得到1，R0和R1位是分辨率设置位，出厂默认值为R0=1和R1=1（12位分辨率），最高位是测试模式位，用于设置DS18B20处于工作模式（0），还是测试模式（1），默认出厂的时候该位为0，表示工作模式，其它位无法更改，能改动的只有R0和R1位。

图26.1.3.5 配置寄存器 R0和R1位的配置如下：

表26.1.3.3 配置寄存器的R1和R0位 （5）DS18B20的内存映射 DS18B20的内存映射如下，由高速缓存存储器和非易失性电可擦除EEPROM组成，后者存储高低温触发器TH和TL以及配置寄存器。高速缓存存储器为8个字节的内存（0~7），前2个字节分别包含所测温度信息的LSB和MSB，第三、第四和第五个字节分别是TH、TL和配置寄存器的易失性副本，每次上电复位时都会刷新，新的数值从EEPROM得到。第六、第七和第八字节用于内部计算或保留的字节。还有一个字节我们可以称为第9字节，它包含一个循环冗余校验（CRC）字节，它存储的是前八个字节的CRC值。

图26.1.3.6 DS18B20的内存映射 当温度转换命令发出后，转换得到的温度值以二字节补码的形式存储在高速缓存存储器的第0和第1个字节中，主机可通过单总线接口读取这两个字节的数值，且读取的时候，低位在前，高位在后。读取得到的值用于计算温度值的方法在前面第（2）小节已经讲解。 下面，我们结合DS18B20来了解单总线时序，通过时序我们可以知道怎么去操作DS18B20。 26.1.4 DS18B20时序 根据DS18B20的通信协议，主机通过1-Wire端口与DS18B20通信，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过以下步骤：初始化发送一条ROM指令发送RAM指令。我们逐个分析这些过程：

1. 初始化 单线总线上的所有任务都以初始化序列开始，初始化序列由总线主设备发送的复位脉冲和从设备DS18B20发送的存在脉冲组成，存在脉冲让总线上的主机知道DS18B20在总线上并且已经准备就绪。主机通过将总线拉低发出复位信号，要求拉低至少480µs，这样确保总线上的从机都复位，然后主机释放总线，因总线上拉4.7KΩ的电阻，所以总线变成高电平，DS18B20在检测到DQ引脚上的上升沿后，DS18B20等待15-60µs，然后DS18B20发送存在脉冲（60-240µs的低信号）来产生应答，主机接收过程至少480us，主机收到此脉冲后，表示复位成功，初始化过程完成。

图26.1.4.1初始化过程=复位脉冲+从机应答脉冲 2. ROM指令 复位成功后，一旦总线主机检测到从机存在，它可以发出5个ROM功能命令之一：1）读取ROM；2）匹配 ROM；3）搜索 ROM；4）跳过ROM或5）警告搜索。所有ROM功能命令都有8位长，这些命令的列表如下： 指令 指令代码 说明 读ROM 33h 读DS18B20中的64位ROM。仅当总线上有一个DS18B20时，才能使用此命令，如果总线上存在多个从机，则当所有从机同时尝试传输时，将发生数据冲突。 匹配ROM 55h 匹配ROM后面紧跟64位ROM序列，主机在总线上寻址特定的DS18B20，只有与64位ROM序列完全匹配的DS18B20才会响应，所有与64位ROM序列不匹配的从机将等待复位脉冲。此命令可用于总线上的单个或多个设备。 跳过ROM CCh 忽略64位ROM地址，直接向DS1820发送读取温度命令，这样可以节省时间。该方式适用于单个从机，当有多个从机时，总线上将发生数据冲突。 搜索ROM F0h 当系统最初启动时，总线主机可能不知道单线总线上的设备数量或它们的64位ROM代码，搜索ROM用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址,为操作各器件作好淮备。 告警搜索 ECh 执行后只有温度超过设定上限或下限值的从机才做出响应，DS18B20仅在上次温度测量时遇到报警情况时才会响应此命令（报警条件定义为温度高于TH或低于TL）。

表26.1.4.1 操作ROM指令 3. RAM指令 成功执行ROM功能序列后，主机可以访问存储和控制功能，然后主机可以提供6个存储和控制功能命令中的任何一个：1）写缓存器；2）读缓存器；3）温度转换；4）复制缓存器；5）重调缓存器；6）读供电。首先读取和写入所有数据的最低有效位。 指令 指令代码 说明 写缓存器 4Eh 发出向内部RAM的第2、3和4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送三字节的数据。 读缓存器 BEh 连续读内部RAM的9字节的内容。 温度转换 44h 启动DS18B20进行温度转换，会将EEPROM的温度值和配置寄存器的值传输给RAM（此操作也会在DS18B20上电后发生，即刷新操作，RAM才能获得有效数据）。12位转换时间最长为750ms，9位为93.75ms（详见表32.1.3.2） 复制缓存器 48h 将RAM的第2、3和4字节字节的内容复制到EEPROM中 重调缓存器 B8h 将存储在EEPROM中的值复制到RAM中的第2、3和4字节，此操作在DS18B20上电时也会发生。 读供电 B4h 读DS1820的供电模式：寄生供电时DS1820发送“0”，外接电源供电时DS1820发送“1”

表26.1.4.2 操作RAM指令 主机和从机之间的数据交换和控制全部在单总线上完成，要想保证数据的完整性，单总线器件必须按照严格的协议来和主机进行通信，要求：除应答信号外，其它信号都由主机发出，并且发出的数据或者命令字节的低位在前，高位在后；主机和从机的数据传输通过时隙（其实也就是时序）来完成，完成1bit传输的时间叫做一个时隙，一个字节8bi就需要8个时隙，这里分为写时隙和读时隙，写时隙是主机把数据传送给从机，读时隙是从机把数据传给主机；写时隙和读时隙有有：写0时隙、写1时隙、读0时隙和读1时隙。 （1）写时隙 当主机将数据线从高电平拉到低电平时，写时隙被启动，所有写时序至少需要60us，两次独立的写时隙之间至少需要1us的恢复时间（图中的tREC）。从图中可以看出：主机要产生一个写0时间隙，就必须把数据线拉低并保持60 us；主机要产生一个写1时间隙，就必须把数据线拉低，在写时间隙开始后的15 us内允许数据线拉高。当数据线拉低后，在15 ~ 60 us的时间窗口内对数据线进行采样：如果数据线为低电平，就是写0，如果数据线为高电平，就是写1。

图26.1.4.2 写时隙 （2）读时隙 当主机将数据线从逻辑高电平拉到逻辑低电平时，启动读取时隙。当主机把总线拉低时，数据线必须保持在低逻辑电平至少1µ后释放，必须在15 us内读取数据。所有读取时隙的持续时间必须至少为60µs。两次独立的读时隙之间至少需要1us的恢复时间（图中的tREC）:

图26.1.4.3 读时隙 26.2 硬件设计

1. 例程功能 把DS18B20传感器插在预留的接口上，采用DS18B20默认的12位分辨率测试当前的环境温度，并将温度通过串口打印出来。实验中通过观察LED0闪烁提示程序在运行。预留的接口在开发板底板的位置如下：

图26.2.1 开发板硬件示意图 将DS18B20插到开发板的预留接口的时候，位置一定要插对，不能将DS18B20的GND插在VCC上，否则会烧坏DS18B20甚至开发板，使用过程中不要用手触摸DS18B20露出来的金属部分。如下图，正面对着DS18B20平面的那一侧，管脚向下，从左到右依次为GND、DQ、VDD，上图中的开发板预留接口的4个引脚从左到右依次为VCC、DQ、GND、GND，所以DS18B20这样插入开发板：

图26.2.2硬件连接示意图 2. 硬件资源

表26.2.1硬件资源 3. 原理图 如下图，DS18B20接在PF2上，我们通过该IO口模拟单总线的时序来控制DS18B20：

图26.2.3原理图部分 26.3 软件设计 本实验配置好的实验工程已经放到了开发板光盘中，路径为：开发板光盘A-基础资料\1、程序源码\11、M4 CubeIDE裸机驱动例程\CubeIDE_project\ 19 DS18B20。 26.3.1 新建和配置工程 新建工程DS18B20，然后配置LED0和UART4，再配置PF2为开漏输出、上拉、高速模式：

图26.3.1.1 配置GPIO 本节实验会用到微秒延时函数，需要将第二十三章实验的delay.h和delay.c文件。将上一章节实验的BSP文件夹拷贝到M4工程的Core/Src下，然后在BSP文件夹下新建ds18b20.c文件，在BSP/Include下新建ds18b20.h文件，最后的部分工程如下：

图26.3.2 工程部分目录 26.3.2 添加用户代码 关于LED0和UART4相关的代码请参考前面实验章节部分，下面我们直接添加DS18B20相关的代码。DS18B20驱动代码在ds18b20.c和ds18b20.h文件中，下面我们开始添加用户代码：

1. ds18b20.h文件代码 ds18b20.h的文件代码如下，主要是引脚的定义、IO操作函数定义和函数的声明：

#ifndef __DS18B20_H
#define __DS18B20_H
#include"gpio.h"
/* DS18B20引脚 定义 */
#define DS18B20_DQ_GPIO_PORT      GPIOF
#define DS18B20_DQ_GPIO_PIN       GPIO_PIN_2
/* PF口时钟使能 */
#define DS18B20_DQ_GPIO_CLK_ENABLE()  do{ __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE(); }while(0)   
/* IO操作函数 */
#define DS18B20_DQ_OUT(x)   do{ x ? \ 	
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DQ_GPIO_PORT, DS18B20_DQ_GPIO_PIN, GPIO_PIN_SET):\
HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_DQ_GPIO_PORT, DS18B20_DQ_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET);\
							}while(0)        /* 数据端口输出 */
/* 数据端口输入 */
#define DS18B20_DQ_IN  HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_DQ_GPIO_PORT, DS18B20_DQ_GPIO_PIN)     

uint8_t ds18b20_init(void);         			/* 初始化DS18B20 */
uint8_t ds18b20_check(void);        			/* 检测是否存在DS18B20 */
short ds18b20_get_temperature(void);		/* 获取温度 */

#endif

DS18B20_DQ_IN用于读取PF2引脚（总线）的电平，DS18B20_DQ_OUT通过参数X设置引脚PF2的电平，当X为0时，设置PF2输出0，当X为1时，设置PF2输出1。

2. ds18b20.c文件代码 ds18b20.c文件代码中有几个函数，分别是：初始化DS18B20的IO口、复位DS18B20、等待DS18B20的回应、从DS18B20读取一个位、从DS18B20读取一个字节、写一个字节到DS18B20、开始温度转换以及从DS18B20得到温度值。我们分别进行讲解： （1）复位DS18B20

/**
 * @brief       复位DS18B20
 * @param       data: 要写入的数据
 * @retval      无
 */
static void ds18b20_reset(void)
{
    DS18B20_DQ_OUT(0);  	/* 主机拉低DQ,复位 */
    delay_us(750);      	/* 主机拉低750us */
    DS18B20_DQ_OUT(1);  	/* DQ=1, 主机释放复位 */
    delay_us(15);       	/* 延迟15US */
}

经过前面时序的分析，复位DS18B20函数很好理解，先将DQ拉低750us（在480us~960us时间内），然后再拉高DQ，即释放DQ，然后再延时15us等待DS18B20应答。

（2）等待DS18B20的回应

/**
 * @brief       等待DS18B20的回应
 * @param       无
 * @retval      0, DS18B20正常
 *              1, DS18B20异常/不存在
 */
uint8_t ds18b20_check(void)
{
    uint8_t retry = 0;
    uint8_t rval = 0;
    /* 读取DQ值，等待DQ变低, 等待200us */
    while (DS18B20_DQ_IN && retry = 200) 
    {
        rval = 1;
    }
    /* 当等待时间小于200us时，DS18B20正常 */     
    else                                                                                                            
    {
        retry = 0;
        /* 等待DQ变高, 等待240us */
        while (!DS18B20_DQ_IN && retry = 240) rval = 1;                         
    }
    return rval;
}

该函数的实现也是依据时序图进行逻辑判断，例如当主机发送了复位信号之后，按照时序图，DS18B20应拉低数据线60~240us，整个过程中主机接收最小时间为480us，所以我们就依据这两个硬性条件进行判断：首先需要设置一个时限等待DS18B20响应，时间为200us，DS18B20通过将总线拉低来应答；然后，将总线拉高，模拟DS18B20释放总线，并且延时240us，因为主机的整个接收过程至少为480us（200+240=480），当满足这两个条件后即判断DS18B20成功响应。 （3）从DS18B20读取一个位

/**
 * @brief       从DS18B20读取一个位
 * @param       无
 * @retval      读取到的位值: 0 / 1
 */
static uint8_t ds18b20_read_bit(void)
{
    uint8_t data = 0;   	/* 读到的值默认为0 */
    DS18B20_DQ_OUT(0);  	/* 主机将总线DQ拉低 */
    delay_us(2);        	/* 延时2us */
    DS18B20_DQ_OUT(1);  	/* 主机将总线DQ拉高，释放总线 */
    delay_us(12);       	/* 延时12us，等主机读取 */

    if (DS18B20_DQ_IN)  	/* 读到的值为1 */
    {
        data = 1;
    }
    delay_us(50);        /* 延时50us，因为整个读的时间至少为60us */
    return data;
}

从DS18B20读一个字节比较简单，按照时序图进行，主机将总线拉低2us后再释放总线，然后延时12us，因为主机要在15us内读取，这里就设置为12us，然后在总线拉高的状态再延时50us，因为主机读取的过程至少要60us（2+12+50>60），所以这里设置50us。

（4）从DS18B20读取一个字节 从DS18B20读取一个字节比较简单，每次读一位，分别读取8次即可：

/**
 * @brief       从DS18B20读取一个字节
 * @param       无
 * @retval      读到的数据
 */
static uint8_t ds18b20_read_byte(void)
{
    uint8_t i, b, data = 0;
    for (i = 0; i