DS18B20 单总线（1-Wire）协议：UART 模拟篇

在嵌入式开发中，DS18B20 是单总线协议的典型代表。由于单总线对时序要求极严（微秒级），传统 GPIO 翻转易受中断干扰。本文重点介绍如何通过 UART（串口）硬件 完美模拟 1-Wire 时序。

一、什么是单总线（1-Wire）？

单总线（1-Wire）是由 Dallas（现 Maxim）开发的异步半双工通信协议。

• 极简连线：最少连线仅需 一根数据线（DQ）+ GND。
• 物理特性：采用 开漏输出（Open Drain），通过外部上拉电阻（通常 4.7kΩ）保证空闲时总线为高电平。
• 主从结构：主机发起，从机响应。
• 唯一标识：每个从机出厂自带全球唯一的 64 位 ROM ID，支持一根线上挂载多个传感器。
• 时序敏感：通信时序要求严格，主机必须精确控制拉低和释放总线的时间。

二、通信基本流程

一次完整通信包含以下步骤：

1. 初始化（Reset + Presence）

• 主机拉低 ≥ 480µs（Reset）
• 释放总线
• 从机等待 15~60µs 后拉低 60~240µs（Presence）

表示设备在线并准备通信

2. 发送 ROM 命令

用于设备寻址：

3. 发送功能命令

针对设备内部功能操作：

4. 数据读写

写时序：

• 写 0：拉低时间长（60 ~ 120µs）
• 写 1：拉低时间短（1~15µs）

读时序：

• 主机拉低后释放
• 从机决定电平：
  • 低 → 0
  • 高 → 1

三、UART模拟单总线通信原理

利用 UART 的起始位（Start Bit）始终为低电平，以及数据位可控的特性，通过切换波特率来模拟 1-Wire 的各种脉冲。

硬件连接：UART 的 TX 和 RX 必须短接（Half-Duplex 模式或物理短接），并连接一个上拉电阻 到 3.3V。

1. 复位与存在检测（波特率：9600）

• 原理：9600 下 1 个 Bit 约为 104µs。
• 发送 0xF0：
  • 时序：1 个起始位(0) + 4 个数据位(0) + 4 个数据位(1) + 1 个停止位(1)。
  • 低电平时长：（满足 Reset 要求的 >480µs）。
  • 高电平释放期：后 5 个 bit 为高，DS18B20 会在此期间拉低总线产生 Presence（存在信号）。
• 判断逻辑：若 Receive != 0xF0，说明有从机拉低了总线，传感器在线。

2. 位读写（波特率：115200）

• 原理：115200 下 1 个 Bit 约为 8.68µs。

四、代码示例

1. 单个设备代码示例：

// 初始化 UART 波特率的辅助函数 static void DS18B20_UART_ReInit(uint32_t baudrate) { huart2.Init.BaudRate = baudrate; HAL_UART_Init(&huart2); } // 发送并接收一个位 (115200bps) static uint8_t DS18B20_WriteRead_Bit(uint8_t bit_val) { uint8_t tx_data = bit_val ? 0xFF : 0x00; // 发送 0xFF 代表释放总线读 1，0x00 代表拉低读 0 uint8_t rx_data = 0; HAL_UART_Transmit(&huart2, &tx_data, 1, 10); HAL_UART_Receive(&huart2, &rx_data, 1, 10); return (rx_data == 0xFF) ? 1 : 0; // 如果收回也是 0xFF，说明总线被拉高，读到 1 } // 发送一个字节 (8位) static void DS18B20_WriteByte(uint8_t data) { for (int i = 0; i < 8; i++) { DS18B20_WriteRead_Bit(data & 0x01); data >>= 1; } } // 读取一个字节 (8位) static uint8_t DS18B20_ReadByte(void) { uint8_t data = 0; for (int i = 0; i < 8; i++) { if (DS18B20_WriteRead_Bit(1)) { // 发送 1 释放总线，读取回复 data |= (1 << i); } } return data; } // 3. 读取完整温度 float DS18B20_GetTemp(void) { uint8_t data[2]; uint8_t presence_echo = 0; uint8_t reset_cmd = 0xF0; // --- 1. 启动转换 --- DS18B20_UART_ReInit(9600); HAL_UART_Transmit(&huart2, &reset_cmd, 1, 10); HAL_UART_Receive(&huart2, &presence_echo, 1, 10); if (presence_echo == 0xF0) return -101.0; // 没检测到传感器 DS18B20_UART_ReInit(115200); DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM DS18B20_WriteByte(0x44); // Convert T HAL_Delay(750); // 等待转换 // --- 2. 读取结果 (必须重新 Reset) --- DS18B20_UART_ReInit(9600); HAL_UART_Transmit(&huart2, &reset_cmd, 1, 10); HAL_UART_Receive(&huart2, &presence_echo, 1, 10); if (presence_echo == 0xF0) return -102.0; DS18B20_UART_ReInit(115200); DS18B20_WriteByte(0xCC); // Skip ROM DS18B20_WriteByte(0xBE); // Read Scratchpad data[0] = DS18B20_ReadByte(); // LSB data[1] = DS18B20_ReadByte(); // MSB int16_t temp_raw = (data[1] << 8) | data[0]; return temp_raw * 0.0625f; }

2. 多设备支持

如果总线上有多个设备，必须使用 Match ROM 或 Search ROM 来区分不同设备。

• 匹配ID读取：

DS18B20_UART_ReInit(115200); DS18B20_WriteByte(0x55); // Match ROM 指令 DS18B20_WriteROM(ROM_IDs[rom_id]); // 发送指定的 8 字节 ID DS18B20_WriteByte(0xBE); // Read Scratchpad

在正式布线先，可以逐个接入传感器以确认 ID，或使用 Search ROM 命令扫描总线上的所有设备。

• 读取单个设备的 ROM ID 示例：

void DS18B20_Read_Single_ROM(void) { // 1. 复位 (9600 bps) DS18B20_UART_ReInit(9600); uint8_t reset_cmd = 0xF0; uint8_t echo; HAL_UART_Transmit(&huart2, &reset_cmd, 1, 10); HAL_UART_Receive(&huart2, &echo, 1, 10); uint8_t current_id[8]; if (echo != 0xF0) { // 检测到设备 // 2. 发送 Read ROM 命令 (0x33h) @ 115200 bps DS18B20_UART_ReInit(115200); DS18B20_WriteByte(0x33); // 3. 连续读取 8 个字节 for (int i = 0; i < 8; i++) { current_id[i] = DS18B20_ReadByte(); } // 4. 打印出来 (假设你已经配置好了 printf) printf("ROM ID: "); for (int i = 0; i < 8; i++) { printf("%02X ", current_id[i]); } printf("\r\n"); } else { printf("No Sensor Found!\r\n"); } }