DS18B20數字溫度計 (三) 1-WIRE匯流排 ROM搜索演算法和實際測試

来源:https://www.cnblogs.com/milton/archive/2022/06/12/16367287.html
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以下說明當匯流排上存在多個 DS18B20 晶元時, 識別各個 DS18B20 的編號併進行通信的演算法. 其實這是 1-Wire 匯流排的搜索演算法, 當 1-Wire 匯流排上掛接了多個設備時, 匯流排控制端需要通過 ROM Search 命令來判斷匯流排上存在的設備以及獲取他們的8位元組唯一ROM. 1-WI... ...


目錄

DS18B20 搜索演算法

以下說明當匯流排上存在多個 DS18B20 晶元時, 識別各個 DS18B20 的編號併進行通信的演算法.

其實這是 1-Wire 匯流排的搜索演算法, 當 1-Wire 匯流排上掛接了多個設備時, 匯流排控制端需要通過 ROM Search 命令來判斷匯流排上存在的設備以及獲取他們的8位元組唯一ROM.

1-WIRE SEARCH ALGORITHM 演算法規則和實現機制

ROM搜索演算法的核心規則, 是在搜索中重覆進行一個簡單的三步操作

步驟1: 讀一次: 得到一位的值

總控讀取1個bit. 這時每個設備都會將ROM當前這一位的bit值放到匯流排上, 如果這位是0, 就會對匯流排寫0(拉低匯流排), 如果這位是1, 則會對匯流排寫1, 允許匯流排保持高電平. 如果兩者都存在, 總控讀取的是0(低電平).

步驟2: 再讀一次: 得到這位的補碼

總控繼續讀一個bit, 這時候每個設備會將ROM當前這一位的bit的補碼放到匯流排上, 如果這位是0就會寫1, 如果這位是1則會寫0, 如果兩者都存在, 總控會讀到一個0, 這樣總控就會知道存在多個設備, 並且它們的ROM在這一位上的值不同.

步驟3: 寫一次: 指定這一位的目標值

總控寫入一個bit, 比如寫入0, 表示在後面的搜索中選擇這一位為0的設備, 屏蔽掉這一位為1的設備

迴圈

匯流排控制端在8位元組ROM的每一位上執行這個三步操作後, 就能知道一個 DS18B20 的 8位元組 ROM 值, 如果匯流排上有多個 DS18B20, 則需要重覆多次.

搜索示例

示例數據

下麵的例子假設匯流排上有4個設備, 對應的ROM值分別為

  • ROM1 00110101...
  • ROM2 10101010...
  • ROM3 11110101...
  • ROM4 00010001...

示例搜索過程

搜索步驟如下

  1. 單線匯流排控制端(以下簡稱總控)執行 RESET, 所有的 DS18B20設備(以下簡稱設備)響應這個RESET
  2. 總控執行 Search ROM 命令
  3. 總控讀取1個bit. 這時每個設備都會將自己的ROM的第一個bit放到匯流排上, ROM1 和 ROM4 會對匯流排寫0(拉低匯流排), 而 ROM2 和 ROM3 則會對匯流排寫1, 允許匯流排保持高電平. 這時候總控讀取的是0(低電平).
  4. 總控繼續讀下一個bit, 每個設備會將第一個bit的補碼放到匯流排上, 這時候 ROM1 和 ROM4 寫1, 而 ROM2 和 ROM3 寫0, 因此總控依然讀到一個0, 這時候總控會知道存在多個設備, 並且它們的ROM在這一位上的值不同.
  5. (說明)從每次的兩步讀取中觀察到的值分別有以下的含義
    • 00 有多個設備, 且在這一位上值不同
    • 01 所有設備的 ROM在這一位上的值是0
    • 10 所有設備的 ROM在這一位上的值是1
    • 11 匯流排上沒有設備
  6. 總控寫入一個bit, 比如寫入0, 表示在後面的搜索中屏蔽 ROM2 和 ROM3, 僅留下 ROM1 和 ROM4
  7. 總控再執行兩次讀操作, 讀到的值為0,1, 這表示匯流排上所有設備在這一位上的值都是0
  8. 總控寫入一個bit, 因為值是確定的, 這次寫入的是0
  9. 總控再執行兩次讀操作, 讀到的值為0,0, 這表示匯流排上還有多個設備, 在這一位上的值不同
  10. 總控寫入一個bit, 這次寫入0, 這將屏蔽 ROM1, 僅留下 ROM4
  11. 總控重覆進行三步操作, 讀出 ROM4 剩餘的位, 完成第一次搜索
  12. 總控再次重覆之前的搜索直到第7位
  13. 總控寫入一個bit, 這次寫入1, 將屏蔽 ROM4, 僅保留 ROM1
  14. 總控通過重覆三步操作, 讀出 ROM1 剩餘的位
  15. 總控再次重覆之前的搜索直到第3位
  16. 總控寫入一個bit, 這次寫入1, 將屏蔽 ROM1 和 ROM4 僅保留 ROM2 和 ROM3
  17. 重覆之前的邏輯, 當所有00讀數都被處理, 說明設備的ROM已經全部被讀取.

總控通過單線匯流排讀取所有設備, 每個設備需要的時間為960 µs + (8 + 3 x 64) 61 µs = 13.16 ms, 識別速度為每秒鐘75個設備.

代碼邏輯

使用代碼實現時, 整體的邏輯是按一個固定的方向(先0後1)深度優先遍歷一個二叉樹.

數據結構

  • 預設一個8位元組數組 Buff 用於記錄路徑(即ROM的讀數)
  • 預設一個8位元組數組 Stack, 用於記錄每一位的值是否確定, 如果確定就是1, 未確定就是0.
  • 預設一個整數變數 Split_Point 用於記錄每一輪搜索中得到的最深分叉點的位置, 下一次到這一位就用1進行分叉.

遍歷邏輯

在每一輪遍歷中

  1. 從低位開始, 每一位進行兩次讀, 得到這一位的值和補碼
  2. 對前面的結果進行判斷
    1. 如果為11, 說明沒有設備, 直接退出
    2. 如果為01, 說明這一位都是0, 寫入 Buff, 同時將 Stack 這一位設成 1, 表示這一位已確認
    3. 如果為10, 說明這一位都是1, 寫入 Buff, 同時將 Stack 這一位設成 1, 表示這一位已確認
    4. 如果為00, 說明這一位產生了分叉, 需要繼續判斷
  3. 對分叉的判斷, 與 Split_Point 記錄的值進行比較
    1. 如果當前位置比已知的分叉點更淺, 說明還沒到該分叉的位置, 繼續設置成 Buff 中上一次使用的值, Stack不變
    2. 如果當前位置等於分叉點, 說明已經到了上次定好的分叉位置, 上次已經用0分叉過了, 這次就用1進行分叉, 這一位就確認了, 將 Stack 這一位設成 1, 表示已確認
    3. 如果當前位置比已知的分叉點位置還要深, 說明發現了新的分叉點(例如用1分叉後, 進入了新的子樹, 發現下麵還有分叉), 更新 Split_Point 記錄分叉點位置, 將 Stack 這一位設成 0 (未確認), 用預設的0繼續往下走
  4. 在這輪遍歷結束後, Buff 就得到了一個新的地址
  5. 檢查 Split_Point 是否需要往上挪: 在 Stack 上找到 Split_Point 標識的位置, 如果值為1, 則將 Split_Point 設置到最淺的一個0的位置. (例如這次正好在分叉點使用1分叉, 當前點確認了, 而之後又全是確認的情況, 需要將分叉點往上移)
  6. 結束條件: 和深度遍歷一樣, 每一輪遍歷後分叉點可能會上下變化, 當分叉點的位置為0時, 說明遍歷結束

代碼實現

搜索邏輯的C語言代碼實現

/**
 * buff, stack 和 split_point 都是全局變數, 由外部傳入
 * 
 */
uint8_t DS18B20_Search(uint8_t *buff, uint8_t *stack, uint8_t split_point)
{
    uint8_t len = 64, pos = 0;
    /* 分叉點的初始值應該用0xFF, 如果輸入參數為0, 將其設為0xFF */
    split_point = (split_point == 0x00)? 0xFF : split_point;
    /* Reset line */
    DS18B20_Reset();
    /* Start searching */
    DS18B20_WriteByte(ONEWIRE_CMD_SEARCHROM);

    // len 初始值為64, 對 8 位元組 ROM 做一個遍歷
    while (len--)
    {
        // 兩次讀, 讀取這一位bit值和補碼
        __BIT pb = DS18B20_ReadBit();
        __BIT cb = DS18B20_ReadBit();
        if (pb && cb) // 都是1, 表示沒有設備
        {
            return 0;
        }
        else if (pb) // pb=1, cb=0, 說明這一位為1
        {
            // 在buff上記錄這一位
            *(buff + pos / 8) |= 0x01 << (pos % 8);
            DS18B20_WriteBit(SET);
            // 在stack上將這一位記錄為1, 表示已確認
            *(stack + pos / 8) |= 0x01 << (pos % 8);
        }
        else if (cb) // pb=0, cb=1, 說明這一位為0
        {
            // 在buff上記錄這一位
            *(buff + pos / 8) &= ~(0x01 << (pos % 8));
            DS18B20_WriteBit(RESET);
            // 在stack上將這一位記錄為1, 表示已確認
            *(stack + pos / 8) |= 0x01 << (pos % 8);
        }
        else // 出現分叉點
        {
            if (split_point == 0xFF || pos > split_point)
            {
                // 比上次記錄的點更深, 出現了新的分叉點
                *(buff + pos / 8) &= ~(0x01 << (pos % 8));
                DS18B20_WriteBit(RESET);
                // 在stack上將這一位記錄為0, 表示未確認
                *(stack + pos / 8) &= ~(0x01 << (pos % 8));
                // 記錄新的分叉點位置
                split_point = pos;
            }
            else if (pos == split_point)
            {
                // 到達了上次記錄的分叉點位置, 這次使用1繼續往下走
                *(buff + pos / 8) |= 0x01 << (pos % 8);
                DS18B20_WriteBit(SET);
                // 在stack上將這一位記錄為1, 表示已確認
                *(stack + pos / 8) |= 0x01 << (pos % 8);
            }
            else
            {
                // 這個分叉點處於中間位置, 還沒到處理時間, 繼續使用上次記錄的值
                DS18B20_WriteBit(*(buff + pos / 8) >> (pos % 8) & 0x01);
            }
        }
        pos++;
    }
    // 重新定位分叉點, 將其指向到stack上最後一個未確認的位置
    while (split_point > 0 && *(stack + split_point / 8) >> (split_point % 8) & 0x01 == 0x01) split_point--;
    return split_point;
}

調用方法

sp = 0;
do
{
    // ROM search and store ROM bytes to addr
    sp = DS18B20_Detect(addr, Search_Stack, sp);
    // Print the new split point and address
    UART1_TxHex(sp);
    UART1_TxChar(' ');
    PrintArray(addr, 0, 8);
    UART1_TxString("\r\n");
} while (sp);

運行實測

對一個掛載了19個 DS18B20 的 1-Wire 匯流排進行實際測試, 用1uF電容和1N4148模擬寄生供電電路, 與上位機只連了兩根線.

DS18B20搜索測試

實際的測試輸出如下, 第一列輸出的是Split_Point的值, 表示當前的分叉深度, 後半部分是這個DS18B20採樣的溫度值和CRC

0F 2854FD96F0013C1A........B20155057FA5A5669A CRC:9A ␍␊
0D 28D44496F0013C4C........BD0155057FA5A56660 CRC:60 ␍␊
0B 28744196F0013CC2........B50155057FA5A5664A CRC:4A ␍␊
09 280CCB96F0013C8D........B20155057FA5A5669A CRC:9A ␍␊
0B 28D2A396F0013C75........B50155057FA5A5664A CRC:4A ␍␊
0D 288AFB48F6973CFD.......BE0155057FA581665F CRC:5F ␍␊
0C 28AA8196F0013C37........B40155057FA5A56609 CRC:09 ␍␊
0A 283A9096F0013C37........B80155057FA5A56636 CRC:36 ␍␊
08 283E5996F0013C3A........B80155057FA5A56636 CRC:36 ␍␊
0B 2811E896F0013C2A........B70155057FA5816636 CRC:36 ␍␊
0C 28C90196F0013C66........B40155057FA5A56609 CRC:09 ␍␊
0D 28597196F0013CBA........B80155057FA5A56636 CRC:36 ␍␊
0A 28794648F65D3C26........B60155057FA5A5668F CRC:8F ␍␊
0B 2865BB96F0013CB5........BD0155057FA5A56660 CRC:60 ␍␊
0C 28ADCB96F0013CE6........BA0155057FA581664A CRC:4A ␍␊
09 281D1648F64B3CEA.......BD0155057FA5A56660 CRC:60 ␍␊
0B 2843E896F0013C6A........BB0155057FA5A566F3 CRC:F3 ␍␊
0A 289B0896F0013CD5........B70155057FA5816636 CRC:36 ␍␊
00 28EF5C96F0013C1B........BE0155057FA5A566A5 CRC:A5 ␍␊

參考


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