摘 要： 主要介绍了一种借助单片机串口实现1-Wire总线通信的方法，并以集成数字温度传感器DS18B20为例，基于有限状态机采用该方法完成了通信程序的设计。
关键词： 1-Wire总线；串口；有限状态机；DS18B20
1-Wire总线是Dallas半导体公司推出的一种半双工串行总线，它采用单根信号线实现微控制器（主机）与接口器件（从机）之间的双向通信，每个从机具有唯一的工厂光刻ID作为地址。
1-Wire总线的优势在于结构简单、便于总线扩展，可以通过总线为器件供电。1-Wire器件种类丰富，典型器件包括温度传感器、存储器、实时时钟、电池管理等。在低功耗仪表、工业控制及家庭监控网络等领域，1-Wire总线获得了广泛应用。
1-Wire总线协议通常采用软件延时实现，对于实时性高且无操作系统的单片机，该方式难以提高单片机效率，同时极大地降低了系统实时性。本文提出了一种基于单片机串口的1-Wire总线协议的软硬件设计，该设计实现了1-Wire总线通信和单片机效率、实时性的兼顾。
1 1-Wire总线协议简析
1-Wire总线的单根信号线兼有地址总线、数据总线和控制总线的功能，因此，访问1-Wire器件要严格遵循总线协议以保证数据完整性。
1-Wire总线协议定义了初始化脉冲、写脉冲和读脉冲3类总线信号，其主要区别在于，总线上高低电平时间不同，下面分别对它们进行简析。
2.2 通信协议接口
单片机串口采用1 bit起始位、8 bit数据位、1 bit停止位的工作方式，发送时由LSB至MSB逐位发送。
（1）初始化脉冲
设置波特率为9 600 b/s，即每1 bit的宽度为104.2 μs，发送数据0xf0，则起始位和低4 bit构成复位信号，高4 bit为1，即释放总线。如总线上无应答信号，则串口接收的数据等于0xf0，否则说明总线上有应答信号。
（2）读写脉冲
设置波特率为115 200 b/s，即每1 bit的宽度为8.7 μs，完整的发送过程持续87 μs，满足读写脉冲至少60 μs的协议要求。起始位、停止位分别用来启动、终止读写脉冲。写脉冲中，根据串口发送不同数据区分别实现写0时序和写1时序；读脉冲中，串口发送数据0xff，起始位实现读脉冲时序的启动，LSB为1，此时，主机释放并采样总线，起始位与LSB共维持17.4 μs，满足协议对读时序的要求。根据串口接收的数据最低位即可区分从机发送至总线的数据。
采用串口实现1-Wire总线通信的本质在于将3类总线信号与不同波特率下不同数据的串口收发过程建立联系，初始化脉冲对应2次串口收发的过程，读写脉冲则对应1次串口收发的过程[4]。具体对应关系如表1所示。
3 1-Wire总线应用——DS18B20
DS18B20是1-Wire总线的集成数字
温度传感器，其精度高、体积小，在智能仪器仪表、工业控制等领域中广泛应用。
传统应用方式是采用一根I/O引脚配合软件延时的方式实现相关协议，1-Wire总线协议需要微秒级时间分辨率，在通信过程中必须关闭系统所有中断，否则极容易因为中断服务程序的执行而造成通信数据错误。但是关闭中断降低了系统实时性，使得系统不能及时响应外部请求。对于任务少、实时性要求不高的系统，这种做法是可行的，但是对于任务多且无操作系统的单片机，以初始化脉冲为例，在至少960 μs的时间内，单片机都会被1-Wire总线占用，效率大为降低，实时性难以保证。
基于单片机串口中断实现1-Wire协议，并配合状态机实现与DS18B20通信，为上述问题提出了解决方案。由于串口的收发都是通过硬件完成，因此数据收发过程中单片机可以处理其他任务，在实现1-Wire通信的同时，兼顾了实时性和效率。
通信程序包括中断服务程序和通信状态机。中断服务程序为物理层，完成数据缓冲区中的数据收发，并通过全局变量标识总线的状态；通信状态机为DS18B20协议层，将对DS18B20的访问划分为子状态，根据表1将对DS18B20的不同操作转化为相应数据并存入数据缓冲区，在总线处于空闲状态时，依次完成状态转移。通信状态转换图如图5所示[4]。
本文提出了一种基于单片机串口的1-Wire总线通信方式，结合1-Wire器件DS18B20详细介绍了其软硬件设计。相比于传统1-Wire通信方式，本文提出的方式提高了单片机效率，兼顾了1-Wire通信和系统的实时性，为多任务且无操作系统的单片机应用1-Wire器件提供了新的解决方案。
参考文献
[1] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.
[2] Maxim. DS18B20 datasheet[Z]. 2008.
[3] Maxim. Application note 214： using a UART to implement a 1-Wire bus master[Z]. 2002.
[4] ATMEL. AVR318： Dallas 1-Wire master [Z]. 2004.