Dallas公司的单总线扩展技术：单片机原理与应用技术

单总线（1-WireBus）是由Dallas公司（2001年并入MAXIM公司）推出的一种串行总线扩展专有技术，只需要一条信号线和一条地线进行单主多从式半双工串行通信。由单条信号线传输时钟、数据并作为所挂接的单总线器件（称为从设备）的电源线，挂接量可达数百个。每个单总线器件内部固化了全球唯一的64位ID码（标识码，注册码），用作器件地址。具有技术先进、节省I/O口线、扩展和维护方便等特点，是测控系统总线发展的一种趋势。

单总线器件采用CMOS技术制造、功耗极低（静态电流达到μA级），有传统芯片封装和不锈钢外壳的iButton（信息纽扣）封装两类。前者型号有诸如DS2430（E²PROM）、DS18B20（温度传感器）等。后者外型坚固，适于接触式、可热拔插使用，型号有诸如DS1990A（电子标识）、DS1991（多页加密存储器，又称电子货币）和DS1972（E² PROM）等。

1.单总线的连接和ID码

单总线主/从设备的电路连接方式见图4-33，可由单片机（称为主设备）的I/O口直接驱动，单总线器件由内部设置的寄生供电电路维持工作；数据传输速率一般为16.3kbit/s，最大可达142kbit/s，通常情况下采用100kbit/s以下的速率。主设备I/O口可直接驱动200m范围内的从设备（实际应用中用没有屏蔽的双绞线作为接入电缆）。如果主设备或从设备接入单总线的端口属漏极开路结构，设备不传送数据时能释放总线，则通常单总线需外接一个4.7kΩ左右的上拉电阻，使总线闲置状态为高电平。

图4-33 单总线主/从设备的电路连接方式

每个单总线器件内部光刻有8字节ROM单元来储存ID码，64位ID码的组成见图4-34，属全球唯一，没有重复。

图4-34 64位ID码的组成

第一个字节为8位家族码（产品分类标志），接着是48位地址序列号（总量可达2⁴⁸个，地址足够分配不会发生冲突）。最后是循环冗余校验码CRC（由内部硬件电路生成）。以DS1990A器件为例，关系是：CRC=X⁸+X⁵+X⁴+1（X为最后一字节除外的56位数据参与计算），主设备则是通过软件方法产生CRC校验码，实现数据的校验。

2.单总线信号传输时序

单总线器件有严格的通信时序。单总线接口基本通信流程见图4-35，包括：①初始化；②ROM命令传输；③功能命令传输。这些命令序列都是由复位脉冲、应答脉冲、写“0”、写“1”、读“0”和读“1”等几种基本时序组成。除了应答信号外，上述时序均由主设备发出，命令和数据字节的传输顺序是低位在前高位在后（与异步串行通信的顺序相同），在默认状态下以标准模式通信（另一种为高速模式）。

图4-35 单总线接口基本通信流程

单总线的基本信号时序见图4-36。

（1）初始化时序 初始化时序见图4-36a，包括主设备复位脉冲和从设备应答脉冲。主设备拉低单总线480～960μs产生TX复位脉冲，然后释放总线产生上跳变、转为RX接收状态。从设备检测到该上跳变后延时15～60μs，拉低总线60～240μs产生应答脉冲。被主设备检测到之后（RX监测时间至少在480μs以上），便开始向从设备传输ROM命令和功能命令（随后另述）。

图4-36 单总线的基本信号时序(www.xing528.com)

（2）写“1”时序 写“1”时序见图4-36b。主设备首先把总线拉低，1～15μs内释放总线并保持高电平至少60μs（上拉电阻把电平拉高）。从设备在15～60μs内读取总线电平，完成数据“1”的传输。两个独立时段之间的数据写入至少应有1μs的恢复时间。

（3）写“0”时序 写“0”时序见图4-36c。主设备首先把总线拉低，1～15μs后继续保持低电平至少60μs，从设备在15～60μs内读取总线电平，完成数据“0”的传输。两个独立时段之间的数据写入至少应有1μs的恢复时间。

（4）读“1”时序 读“1”时序见图4-36d。由主设备发起把总线拉低1～15μs。若从设备随后送出“1”，则总线变为高电平（有效时间15μs），主设备在该时段内对总线采样，然后从设备在大于15μs小于60μs的时间内释放总线为高电平（上拉电阻把电平拉高），完成读“1”的操作。两个独立时段之间的数据读出至少应有1μs的恢复时间。

（5）读“0”时序 读“0”时序见图4-36e。由主设备发起把总线拉低1～15μs。若从设备随后送出“0”，则总线变为低电平（有效时间15μs），主设备在该时段内对总线采样，然后从设备在大于15μs小于60μs的时间内释放总线为高电平（上拉电阻把电平拉高，见虚线），完成读“0”的操作。两个独立时段之间的数据传输至少应有1μs的恢复时间。

上述读时序需在主设备向从设备发出读数据的ROM命令后马上产生。主设备发出读时序后，从设备才开始发送“0”或“1”。如果单总线上保持的低电平超过480μs，所有器件将自动复位。

3.单总线的ROM命令

单总线的ROM命令有7个（均为1字节），主要用来管理和识别单总线器件，实现“片选”功能，对命令的支持程度视具体器件型号而定。主设备初始化检测到单总线的应答脉冲后，就可以发出ROM命令，且与各器件的ID码相关，能检测所连从设备的数量、类型，或是否处于报警状态。ROM命令及其功能简介如下：

（1）搜索ROM[命令码F0h] 系统上电后，主设备可通过循环执行搜索ROM命令，用排除法获取所有ID码从而知晓所挂从设备数量。循环搜索分三个步骤：读出一位；读该位的补码；向该位写入指定值。根据两次读得的状态值判断并选择不同的搜索分支，不匹配该值的从设备随后都不被搜索，重复执行直到第64位完毕。一次完整的ID码搜索就可检知某个从设备，重复同样的搜索可识别其余从设备，网上有具体方法可参考。

（2）读ROM[命令码33h] 适用于总线上只有一个从设备的场合。主设备无需执行搜索ROM过程，可以直接读出64位ID码。如果总线上接有多个从设备，会因同时送出数据而产生数据冲突。

（3）匹配ROM[命令码55h] 适用于总线上有多个从设备的场合。命令后面跟随64位ID码，对从设备进行寻址，只有ID码相符的从设备才会响应后续的功能命令，否则保持等待状态。

（4）跳跃ROM[命令码CCh] 适用于只有一个从设备的场合。主设备不需要发64位ID码，直接访问芯片进行数据交换。如果存在多个从设备，也会发生数据冲突。

（5）条件查找ROM[命令码ECh] 仅适用于有少量单总线器件的场合，等同于搜索ROM命令，允许主设备检测哪些从设备发生了条件报警（如欠电压、过温、欠温等）。

（6）超速跳跃ROM[命令码3Ch] 适用于只有一个从设备的场合。单总线设置为超速模式执行跳跃ROM命令，直接访问从设备。

（7）超速匹配ROM[命令码69h] 适用于有多个从设备的场合。单总线设置为超速模式执行匹配ROM命令，对从设备寻址。

4.单总线的功能命令

单总线功能命令跟随在ROM命令之后，对功能命令的支持程度视器件类型而定（可参阅具体器件手册），主要实现器件的读、写操作和数据交换。主设备发出ROM命令后，接着发出某个从设备的具体功能命令。例如，访问温度传感器DS18B20时，主设备发出跳跃ROM命令，接着发出温度转换命令[44h]，就可进行温度转换。

51系列单片机与单总线器件的扩展应用示例祥见第8章第8.8节。