DS18B20原理與分析

DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在93.75 ms和750 ms內完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。

1.DS18B20簡介

(1)獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

(2)在使用中不需要任何外圍元件。

(3)可用數(shù)據線供電，電壓范圍：+3.0~ +5.5 V。

(4)測溫范圍：-55 ~+125 ℃。固有測溫分辨率為0.5 ℃。

(5)通過編程可實現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。

(6)用戶可自設定非易失性的報警上下限值。

(7)支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。

(8)負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

DS18B20的測溫原理

DS18B20的測溫原理如圖2所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小〔1〕，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在 -55 ℃ 所對應的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預置值，只要計數(shù)門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。

另外，由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20(發(fā)復位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據。各種操作的時序圖與DS1820相同，可參看文獻〔2〕。

DS18B20工作過程及時序

DS18B20內部的低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。

高溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很敏感的振蕩器，為計數(shù)器2提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。

初始時，溫度寄存器被預置成-55℃，每當計數(shù)器1從預置數(shù)開始減計數(shù)到0時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1℃，這個過程重復進行，直到計數(shù)器2計數(shù)到0時便停止。

初始時，計數(shù)器1預置的是與-55℃相對應的一個預置值。以后計數(shù)器1每一個循環(huán)的預置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預置數(shù)也隨溫度相應變化。計數(shù)器1的預置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加1℃計數(shù)器所需要的計數(shù)個數(shù)。

DS18B20內部的比較器以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計數(shù)器2停止計數(shù)后，比較器將計數(shù)器1中的計數(shù)剩余值轉換為溫度值后與0.25℃進行比較，若低于0.25℃，溫度寄存器的最低位就置0;若高于0.25℃，最低位就置1;若高于0.75℃時，溫度寄存器的最低位就進位然后置0。這樣，經過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最后位代表0.5℃，四舍五入最大量化誤差為±1/2LSB，即0.25℃。

溫度寄存器中的溫度值以9位數(shù)據格式表示，最高位為符號位，其余8位以二進制補碼形式表示溫度值。測溫結束時，這9位數(shù)據轉存到暫存存儲器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第一字節(jié)，8位溫度數(shù)據占據第二字節(jié)。

DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術。DS18B20內部的低溫度系數(shù)振蕩器能產生穩(wěn)定的頻率信號;同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉換成頻率信號。當計數(shù)門打開時，DS18B20進行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應該為9位，但因符號位擴展成高8位，所以最后以16位補碼形式讀出。

DS18B20工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化——ROM操作命令——存儲器操作命令——處理數(shù)據

① 初始化

單總線上的所有處理均從初始化序列開始。初始化序列包括總線主機發(fā)出一復位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道DS1820 在總線上且已準備好操作。

② ROM操作命令

一旦總線主機檢測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件ROM操作命令之一。所有ROM操作命令均為8位長。這些命令列表如下：

Read ROM(讀ROM)[33h]

此命令允許總線主機讀DS18B20的8位產品系列編碼，唯一的48位序列號，以及8位的CRC。此命令只能在總線上僅有一個DS18B20的情況下可以使用。如果總線上存在多于一個的從屬器件，那么當所有從片企圖同時發(fā)送時將發(fā)生數(shù)據沖突的現(xiàn)象(漏極開路會產生線與的結果)。

Match ROM( 符合ROM)[55h]

此命令后繼以64位的ROM數(shù)據序列，允許總線主機對多點總線上特定的DS18B20尋址。只有與64位ROM序列嚴格相符的DS18B20才能對后繼的存貯器操作命令作出響應。所有與64位ROM序列不符的從片將等待復位脈沖。此命令在總線上有單個或多個器件的情況下均可使用。

Skip ROM( 跳過ROM )[CCh]

在單點總線系統(tǒng)中，此命令通過允許總線主機不提供64位ROM編碼而訪問存儲器操作來節(jié)省時間。如果在總線上存在多于一個的從屬器件而且在Skip ROM命令之后發(fā)出讀命令，那么由于多個從片同時發(fā)送數(shù)據，會在總線上發(fā)生數(shù)據沖突(漏極開路下拉會產生線與的效果)。

Search ROM( 搜索ROM)[F0h]

當系統(tǒng)開始工作時，總線主機可能不知道單線總線上的器件個數(shù)或者不知道其64位ROM編碼。搜索ROM命令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機的64位編碼。

Alarm Search(告警搜索)[ECh]

此命令的流程與搜索ROM命令相同。但是，僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)告警的情況下，DS18B20才對此命令作出響應。告警的條件定義為溫度高于TH 或低于TL。只要DS18B20一上電，告警條件就保持在設置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值或者改變TH或TL的設置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內。貯存在EEPROM內的觸發(fā)器值用于告警。

③ 存儲器操作命令

Write Scratchpad(寫暫存存儲器)[4Eh]

這個命令向DS18B20的暫存器中寫入數(shù)據，開始位置在地址2。接下來寫入的兩個字節(jié)將被存到暫存器中的地址位置2和3?？梢栽谌魏螘r刻發(fā)出復位命令來中止寫入。

Read Scratchpad(讀暫存存儲器)[BEh]

這個命令讀取暫存器的內容。讀取將從字節(jié)0開始，一直進行下去，直到第9(字節(jié)8，CRC)字節(jié)讀完。如果不想讀完所有字節(jié)，控制器可以在任何時間發(fā)出復位命令來中止讀取。

Copy Scratchpad(復制暫存存儲器)[48h]

這條命令把暫存器的內容拷貝到DS18B20的E2存儲器里，即把溫度報警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲器里。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而DS18B20又正在忙于把暫存器拷貝到E2存儲器，DS18B20就會輸出一個“0”，如果拷貝結束的話，DS18B20 則輸出“1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在這條命令發(fā)出后立即起動強上拉并最少保持10ms。

Convert T(溫度變換)[44h]

這條命令啟動一次溫度轉換而無需其他數(shù)據。溫度轉換命令被執(zhí)行，而后DS18B20保持等待狀態(tài)。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而DS18B20又忙于做時間轉換的話，DS18B20將在總線上輸出“0”，若溫度轉換完成，則輸出“1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在發(fā)出這條命令后立即起動強上拉，并保持500ms。

Recall E2(重新調整E2)[B8h]

這條命令把貯存在E2中溫度觸發(fā)器的值重新調至暫存存儲器。這種重新調出的操作在對DS18B20上電時也自動發(fā)生，因此只要器件一上電，暫存存儲器內就有了有效的數(shù)據。在這條命令發(fā)出之后，對于所發(fā)出的第一個讀數(shù)據時間片，器件會輸出溫度轉換忙的標識：“0”=忙，“1”=準備就緒。

Read Power Supply(讀電源)[B4h]

對于在此命令發(fā)送至DS18B20之后所發(fā)出的第一讀數(shù)據的時間片，器件都會給出其電源方式的信號：“0”=寄生電源供電，“1”=外部電源供電。

④ 處理數(shù)據

DS18B20的高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如圖3所示。當溫度轉換命令發(fā)布后，經轉換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據，讀取時低位在前，高位在后。

DS18B20溫度數(shù)據表

上表是DS18B20溫度采集轉化后得到的12位數(shù)據，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于或等于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度;如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。

溫度轉換計算方法舉例：

例如當DS18B20采集到+125℃的實際溫度后，輸出為07D0H，則：

實際溫度=07D0H╳0.0625=2000╳0.0625=1250C。

例如當DS18B20采集到-55℃的實際溫度后，輸出為FC90H，則應先將11位數(shù)據位取反加1得370H(符號位不變，也不作為計算)，則：

實際溫度=370H╳0.0625=880╳0.0625=550C。