第三章 系统硬件电路设计 64 位 ROM 和 存储器与控制逻辑 I/O C 单 线 接 口 高速缓存 温度传感器 高温触发器TH 低温触发器TL 配置寄存器 8位CRC发生器 Vdd 图3-3 DS18B20的内部结构
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，高低两字节数据分布如表3-2所示，其中S为符号位。
表3-2 高低字节分布
Bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 Bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 S S S S S 26 25 24 这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到
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的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。
DS18B20温度传感器的存储器：
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。该字节各位的意义如表3-3所示。
表3-3 暂存存储器结构
温度 LSB 温度 MSB TH用户字节1 TL用户字节2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC ..TMR1R01.1111.
低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表3-4所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）
表3-4 分辨率设置表
R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9位 93.75ms - 13 -
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0 1 1 1 0 1 10位 11位 12位 187.5ms 375ms 750ms
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
3.2.4 测温原理及电路
DS18B20 的测温原理如图3-4所示,不同温度下，高温度系数振荡器产生不同的脉冲信号输入到减法计数器。确定一个门周期低温度系数震荡器产生的脉冲信号送至减法计数器a，由于受温度影响小，频率几乎恒定，在一个门周期内,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，即可完成温度测量。测量前，首先将-55℃对应的基数分别置入减法计数器a和温度寄存器中，当减法计数器a 减到0时，温度寄存器的值将加l，减法计数器a的预置值将重新被装入继续计数，如此循环直到减法计数器b计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，在计数门未关闭的状况下，重复修正减法计数器的预置值，直至温度寄存器值达到被测温度值。
DS18B20与AT89C51的接口电路图如图3-5所示,其中DS18B20工作在外部电源供电方式,单片机 AT89C51采用P3.5和DS18B20通信。
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斜率累加预置低温度系数振荡器计数比较减法计数器等于0增加预置温度寄存停止高温度系数振荡器减法计数器等于0
图3-4 DS18B20的内部测温电路
VCCAT89C51DS18B20VCCDQGNDP3.5GND
图3-5 DS18B20与AT89C51的连接电路图
3.2.5 DS18B20工作过程
DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器１；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应的一个基数分
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别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。
芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。
DS18B20工作过程一般遵循以下协议：初始化——ROM操作命令——存储器操作命令——处理数据
① 初始化
单总线上的所有处理均从初始化序列开始。初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。存在脉冲让总线控制器知道DS1820 在总线上且已准备好操作。
② ROM操作命令
一旦总线主机检测到从属器件的存在，它便可以发出器件ROM操作命令之一。所有ROM操作命令均为8位长。这些命令列表如下：
Read ROM(读ROM)[33h] Match ROM( 符合ROM)[55h] Skip ROM( 跳过ROM )[CCh] Search ROM( 搜索ROM)[F0h] Alarm Search(告警搜索)[ECh] ③ 存储器操作命令
Write Scratchpad（写暂存存储器）[4Eh] Read Scratchpad（读暂存存储器）[BEh] Copy Scratchpad（复制暂存存储器）[48h]
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