Работа с шиной 1-wire. Подключение термодатчика DS18B20 к AVR

Обновлено 21.01.14. Исходники переписаны под AVR Studio 6 (с тулчейном)

Сразу хочу сообщить, что в этой статье я не буду описывать принцип работы шины (описание временных слотов и т.д.). Статья будет типа "Быстрый старт". Конкретно: я выложу свою библиотеку для работы с 1-wire, опишу как ею пользоваться, как подключить устройства к шине, как производить поиск устройств, передавать данные и т.д. А так, как (вероятно) 70% радиолюбителей в первую очередь решит подключить к шине термодатчик DS18B20, я выложу библиотеку для работы с DS18B20, где надо тупо запустить преобразование, подождать пока идет преобразование и записать температуру в массив.

Теория

Итак, 1-wire(еще называют MicroLAN, dallas-wire) так назвали потому что для передачи данных в обе стороны используется только 1 провод. Среди самых популярных устройств, работающих на этой шине можно выделить термодатчик DS18B20 и электронный ключ DS1990 (которым вы в подъезде двери открываете). У сети 1-wire есть одно ведущее устройство(Master) и несколько (или 1) подчиненных (Slave). Бывают сети с несколькими ведущими, по это нам сейчас не нужно. Передачу данных начинает ведущий, только он может посылать сигнал сброса (Reset), остальные устройства могут только отвечать на его запросы. Все устройства подключаются к шине параллельно, то есть, линию данных с каждого устройства (она обозначается DATA, DQ или OW_DQ), включая линию ведущего, подключают к одному проводу, типа вот так: 

Еще линия должна быть подтянута к питанию через резистор 2,2-4,7 кОм. Каждое устройство имеет свой индивидуальный 64-битный адрес, который устанавливается при изготовлении устройства (прямо на заводе).

Практика

Работать с 1-wire мне приходится очень часто, поэтому, я написал безглючную библиотеку, которая имеет кучу функций, включая возможность эмуляции 1-wire с помощью USART. К тому же, библиотека стабильно работает даже в протеусе. Многие говорят, что 1-wire слишком медленный, а из-за того, что он требует очень точных временных задержек (в несколько микросекунд), с ним практически не возможно работать, если в микроконтроллере часто вызываются прерывания. Действительно, если одновременно использовать софтовый USB (V-USB) и 1-wire, то что то одно с них не будет стабильно работать. Я решил эту проблему эмуляцией 1-wire через USART микроконтроллера. Поэтому, если у вас будет свободный USART, то 1-wire обязательно вешайте на него. Как же будем подключать устройства? Я использую три (уже 4) способа. Первый. Эмуляция USARTом. Если вы используете длинную линию (более 20 метров) и более 4 устройств на шине, то подключать нужно вот так: Здесь сигнал усиливается с помощью двух транзисторов. На шине стоит метка OW_DQ, вот к ней и подключаем подчиненные устройства. Если длина не более 20 метров, то можно подключить вот так:Здесь резистор может быть номиналом 2,2 - 4,7 кОм. Если вы не используете USART для эмуляции 1-wire, то подключать нужно так:Здесь одна ножка МК работает в качестве и входа, и выхода. Есть еще и четвертый способ, подключение как на первом, только для эмуляции не используется USART, но мне этот способ ни разу не понадобился. Давайте теперь соберем схему в протеусе (можете скачать в прикрепленных файлах). USART будет занят терминалом, поэтому шина будет подключена по третьем способу. В качестве ведущего - ATMega8, подчиненные - термодатчики DS18B20 и DS18S20, память EEPROM на 256 Кбит, таблетка, DS18B20 и двухканальный ключ DS2413. Так же, на схеме есть терминал, в котором будут отображаться данные.

Код

Скачайте прикрепленные файлы и откройте onewire.h. В нем есть строка

#define MAXDEVICES 10

Здесь указывается максимальное количество подчиненных устройств, которые будет искать подчиненный, если выберите меньше, чем подключено, то просто не будут обнаружены все устройства, если больше - то увеличиться время процедуры поиска. Но лучше ставьте с запасом, при 32 поиск занимает не более двух секунд (а может и меньше секунды).

#define UART_AS_OneWire

Если вы не используете эмуляцию 1-wire через USART, то закомментируйте эту строку.

#define OW_DDR DDRB
#define OW_PORT PORTB
#define OW_PIN PINB
#define OW_BIT 0

Если не используется эмуляция, укажите здесь куда подключен 1-wire. В том же файле есть несколько функций:

unsigned char OW_Reset(void);
void OW_WriteBit(unsigned char bit);
unsigned char OW_ReadBit(void);
unsigned char OW_ReadByte(void);
void OW_WriteByte(unsigned char byte);
unsigned char OW_SearchROM( unsigned char diff, unsigned char *id );
void OW_FindROM(unsigned char *diff, unsigned char id[]);
unsigned char OW_ReadROM(unsigned char *buffer);
unsigned char OW_MatchROM(unsigned char *rom);

По названию функции можно определить их предназначение, поэтому не стоит их описывать. В исходниках откройте главный файл (main.c). Здесь есть функция search_ow_devices(), она производит поиск устройств на шине и записывает их адреса в многомерный массив owDevicesIDs[MAXDEVICES][8], возвращает количество найденных устройств. Вот главная функция:

int main(void)
{
	stdout = &usart_str; // указываем, куда будет выводить printf 

	DDRB = 0b00000000; PORTB = 0b00000000;
	DDRC = 0b00000000; PORTC = 0b00000000;
	DDRD = 0b00000010; PORTD = 0b00000000;

	USART_init(); // включаем uart

	timerDelayInit();

	nDevices = search_ow_devices(); // ищем все устройства

	printf("---------- Found %d devices ----------", nDevices);

	for (unsigned char i=0; i<nDevices; i++) // теперь сортируем устройства и запрашиваем данные
	{
		// узнать устройство можно по его груповому коду, который расположен в первом байте адресса
		switch (owDevicesIDs[i][0])
		{
			case OW_DS18B20_FAMILY_CODE: { // если найден термодатчик DS18B20
				printf("\r"); print_address(owDevicesIDs[i]); // печатаем знак переноса строки, затем - адрес
				printf(" - Thermometer DS18B20"); // печатаем тип устройства
				DS18x20_StartMeasureAddressed(owDevicesIDs[i]); // запускаем измерение
				timerDelayMs(800); // ждем минимум 750 мс, пока конвентируется температура
				unsigned char	data[2]; // переменная для хранения старшего и младшего байта данных
				DS18x20_ReadData(owDevicesIDs[i], data); // считываем данные
				unsigned char	themperature[3]; // в этот массив будет записана температура
				DS18x20_ConvertToThemperature(data, themperature); // преобразовываем температуру в человекопонятный вид
				printf(": %d.%d C", themperature[1],themperature[2]);
			} break;
			case OW_DS18S20_FAMILY_CODE: { // если найден термодатчик DS18B20
				printf("\r"); print_address(owDevicesIDs[i]); // печатаем знак переноса строки, затем - адрес
				printf(" - Thermometer DS18S20"); // печатаем тип устройства
			} break;

			case OW_DS1990_FAMILY_CODE: { // если найден электронный ключ DS1990
				printf("\r"); print_address(owDevicesIDs[i]); // печатаем знак переноса строки, затем - адрес
				printf(" - Serial button DS1990"); // печатаем тип устройства
			} break;
			case OW_DS2430_FAMILY_CODE: { // если найдена EEPROM
				printf("\r"); print_address(owDevicesIDs[i]); // печатаем знак переноса строки, затем - адрес
				printf(" - EEPROM DS2430"); // печатаем тип устройства
			} break;
			case OW_DS2413_FAMILY_CODE: { // если найден ключ
				printf("\r"); print_address(owDevicesIDs[i]); // печатаем знак переноса строки, затем - адрес
				printf(" - Switch 2413"); // печатаем тип устройства
			} break;
		}
	}
while(1){}
}

В начале у нас идет инициализация периферии, затем, производится поиск устройств на шине и найденное количество записывается в переменную nDevices. Далее, в цикле for определяется тип устройства (его можно определить по первом байту адреса). В терминале протеуса печатается адрес каждого устройства и его тип: Как видите, напротив DS18B20 написана еще и его температура, глянем в код:

printf("\r"); print_address(owDevicesIDs[i]); // печатаем знак переноса строки, затем - адрес
printf(" - Thermometer DS18B20"); // печатаем тип устройства
DS18x20_StartMeasureAddressed(owDevicesIDs[i]); // запускаем измерение
timerDelayMs(800); // ждем минимум 750 мс, пока конвентируется температура
unsigned char	data[2]; // переменная для хранения старшего и младшего байта данных
DS18x20_ReadData(owDevicesIDs[i], data); // считываем данные
unsigned char	themperature[3]; // в этот массив будет записана температура
DS18x20_ConvertToThemperature(data, themperature); // преобразовываем температуру в человекопонятный вид
printf(": %d.%d C", themperature[1],themperature[2]);

В первых двух строчках просто печатается адрес устройства и его тип. Затем, запускается измерение с помощью функции DS18x20_StartMeasureAddressed(owDevicesIDs[i]);. В эту функцию передается массив с адресом устройства. Далее, нужно подождать 750 мс, пока конвертируется температура, после чего, считываем данные с устройства DS18x20_ReadData(owDevicesIDs[i], data);. В функцию передается указатель на массив с адресом и указатель на массив, в который надо записать результат (2 байта). Теперь надо перевести эти 2 байта в человекопонятный вид, то есть, "знак, целая часть, запятая, десятая часть", это делает функция DS18x20_ConvertToThemperature(data, themperature);. Кстати, совсем не обязательно для запуска измерения температуры передавать адрес устройства, можно просто написать DS18x20_StartMeasure(). Тогда преобразование запустится на всех DS18B20, которые подключены к шине, спустя 750мс можно считать данные по очереди со всех DS18B20 без задержки. Так же, если используете эмуляцию 1-wire через USART, то обязательно устанавливайте не только DDR пина TX, а и PORT, иначе обмен на шине будет запускаться максимум в 30% случаев.

Обновление №1 (5.12.2011):

Добавил возможность подключения четвертым способом. Подключение такое же как в первых двух, но для эмуляции не используется USART. Этот способ стоит использовать если у Вас занят USART и линия длинней 15-20 метров. В файле onewire.h появились новая опция:

// Если для эмуляции 1-wire не спольльзуется USART, но используется 2 пина (вход и выход)
#define OW_TWO_PINS

Также Вам стоит немного взглянуть сюда:

	#ifndef OW_TWO_PINS //если используется один пин, укажите его номер
		#define OW_BIT 0
	#else // если используются 2 пина, укажите их номера
		#define OW_BIT_OUT 1
		#define OW_BIT_IN 0
	#endif

При настройке портов нужно установить DDR и PORT входа в 0, а выхода в 1.

Обновление №2 (3.1.2012):

Добавил возможность проверки CRC. Теперь функция DS18x20_ReadData() возвращает 0, если crc ошибочная. Зачем это нужно? Делал один проект, где на шине висит много датчиков и есть вероятность, что после прочтения адреса один из датчиков может быть отключен и система должна знать, что его нет, но функция DS18x20_ReadData() возвращает 1, если на шине есть любое устройство 1-wire, так как наличие устройства функция определяет с помощью функции OW_Reset(). Теперь с датчика считываются не только первые 2 байта, в которых температура, а все 9, вместе с контрольной суммой (CRC), контрольная сумма проверяется, и если она не совпала, то возвращается 0. Вопросы в комментариях.

Скачать исходники и проект в Proteus (84 Kb)