1-Wire 一线式总线：从原理到实战，玩转 DS18B20 温度采集

引言

在嵌入式系统中，通信总线是连接 CPU 与外设的桥梁。从 I2C、SPI 到 UART，每种总线都有其独特的应用场景。而本文要介绍的1-Wire 一线式总线，以其极简的硬件设计和独特的通信协议，在温度采集、身份识别等领域大放异彩。本文将从原理入手，结合 STM32 与 DS18B20 温度传感器的实战案例，带您深入理解一线式总线的奥秘。

一、一线式总线的核心原理

1. 定义与特性

一线式串行总线，顾名思义，只需一根数据线即可实现 CPU 与外设的通信（需上拉电阻，默认高电平）。与 I2C、SPI 等多线总线不同，它的特点是：

单数据线：数据传输与时钟同步都依赖这根线。
串行通信：一位一位地传输数据，而非并行。
总线结构：支持多个从设备挂接在同一数据线上（需通过 ROM 寻址）。

2. 时钟机制：无时钟线如何同步？

一线式总线没有独立的时钟信号线，它通过严格的时序控制实现数据同步：

主设备（MCU） 通过精确控制数据线的高低电平持续时间，定义时钟周期。
从设备（如 DS18B20）根据主设备的时序要求，在特定时间窗口内采样或发送数据。

这种设计虽然增加了软件实现的复杂度，但极大简化了硬件连接。

二、DS18B20 温度传感器实战：硬件设计

1. 硬件连接

以 STM32F103 与 DS18B20 为例，硬件连接如下：

数据线（DQ）：连接 STM32 的 PG11 引脚（需 4.7KΩ 上拉电阻）。
电源（VDD）：接 3.3V 或 5V（支持寄生电源模式，本文使用外部供电）。
地（GND）：共地。

2. GPIO 初始化代码

// 定义DS18B20连接引脚
#define DS18B20_PORT    GPIOG
#define DS18B20_PIN     GPIO_Pin_11
#define DS18B20_IO_OUT  DS18B20_PORT->ODR
#define DS18B20_IO_IN   DS18B20_PORT->IDR

void DS18B20_Init(void) {// 1. 打开GPIOG时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);// 2. 配置PG11为推挽输出，50MHzGPIO_InitTypeDef GPIO_Config;GPIO_Config.GPIO_Pin   = DS18B20_PIN;GPIO_Config.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Config.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_Init(DS18B20_PORT, &GPIO_Config);
}

三、一线式总线通信协议详解

1. 通信三部曲

由厂家提供的芯片手册可知要想获取温度值，访问 DS18B20 需遵循固定顺序：

初始化复位：类似 I2C 的 START 信号，检测设备是否在线。
发送 ROM 命令：识别总线上的特定设备（如读取唯一 ID 或跳过 ID 直接访问）。
发送功能命令：执行具体操作（如温度转换、读取寄存器）。

2. 底层时序实现

（1）初始化复位信号

// 初始化复位
void DS18B20_Reset(void) {u8 tempTime = 0;// 1. 拉低总线 >=480usDS18B20_OUT();DS18B20_IO_OUT = 0;delay_us(500);// 2. 释放总线（拉高）15~60usDS18B20_IO_OUT = 1;delay_us(30);// 3. 等待DS18B20应答（拉低60~240us）DS18B20_IN();while (DS18B20_IO_IN && tempTime < 240) {tempTime++;delay_us(1);}if (tempTime >= 240) {printf("DS18B20 Reset Failed\n");} else {printf("DS18B20 Reset Success\n");tempTime = 0;}// 4. 总线恢复高电平delay_us(200);
}

（2）数据读写操作

// 发送单字节
void DS18B20_Write_Byte(u8 data) {u8 i;DS18B20_OUT();for (i = 0; i < 8; i++) {if (data & 0x01) {  // 写1// 拉低 >1usDS18B20_IO_OUT = 0;delay_us(2);// 拉高 >45usDS18B20_IO_OUT = 1;delay_us(60);} else {  // 写0// 拉低60~120usDS18B20_IO_OUT = 0;delay_us(60);// 拉高 >1usDS18B20_IO_OUT = 1;delay_us(2);}data >>= 1;}
}

// 读取单字节
u8 DS18B20_Read_Byte(void) {u8 i, data = 0;for (i = 0; i < 8; i++) {// 1. 拉低 >1usDS18B20_OUT();DS18B20_IO_OUT = 0;delay_us(2);// 2. 释放总线，准备读取DS18B20_IN();delay_us(8);  // 等待DS18B20输出数据// 3. 读取数据data |= DS18B20_IO_IN << i;delay_us(50);  // 完成读时隙}return data;
}

四、DS18B20 温度采集实战

1. ROM 命令与功能命令

DS18B20 支持多种 ROM 命令，常见的有：

SKIP ROM（0xCC）：跳过 ROM 匹配，适用于单设备场景。
MATCH ROM（0x55）：匹配特定设备的 64 位 ROM ID，适用于多设备场景。

功能命令则包括：

CONVERT T（0x44）：启动温度转换。
READ SCRATCHPAD（0xBE）：读取温度寄存器数据。

2. 温度采集代码实现

（1）单设备场景（SKIP ROM）

// 获取温度值（单设备）
float DS18B20_GetTemperature(void) {u8 temp_lsb, temp_msb;u16 temp;float value;// 1. 初始化 -> SKIP ROM -> 启动温度转换DS18B20_Reset();DS18B20_Write_Byte(0xCC);  // SKIP ROMDS18B20_Write_Byte(0x44);  // CONVERT Tdelay_ms(800);  // 等待转换完成（最大750ms）// 2. 初始化 -> SKIP ROM -> 读取温度寄存器DS18B20_Reset();DS18B20_Write_Byte(0xCC);  // SKIP ROMDS18B20_Write_Byte(0xBE);  // READ SCRATCHPAD// 3. 读取温度数据（低8位和高8位）temp_lsb = DS18B20_Read_Byte();temp_msb = DS18B20_Read_Byte();temp = (temp_msb << 8) | temp_lsb;// 4. 温度值转换（分辨率默认为12位）if ((temp & 0xF800) == 0xF800) {  // 负数temp = (~temp) + 1;value = temp * (-0.0625);} else {  // 正数value = temp * 0.0625;}return value;
}

（2）多设备场景（MATCH ROM）

u8 rom[8];  // 存储DS18B20的64位ROM ID

// 读取ROM值
void DS18B20_ReadRom(void) {u8 i;DS18B20_Reset();DS18B20_Write_Byte(0x33);  // READ ROMfor (i = 0; i < 8; i++) {rom[i] = DS18B20_Read_Byte();printf("%02X ", rom[i]);}printf("\n");
}

// 匹配指定ROM的设备
void DS18B20_MatchRom(void) {u8 i;DS18B20_Reset();DS18B20_Write_Byte(0x55);  // MATCH ROMfor (i = 0; i < 8; i++) {DS18B20_Write_Byte(rom[i]);}
}

// 获取指定设备的温度（多设备场景）
float DS18B20_GetTemperature(void) {// 与单设备类似，但将SKIP ROM替换为MATCH ROM// ...
}