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，50MHz
          GPIO_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：

      

      1. 初始化复位：类似 I2C 的 START 信号，检测设备是否在线。

      2. 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）。

      3. 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 >=480us
          DS18B20_OUT();
          DS18B20_IO_OUT = 0;
          delay_us(500);
          
          // 2. 释放总线（拉高）15~60us
          DS18B20_IO_OUT = 1;
          delay_us(30);
          
          // 3. 等待DS18B20应答（拉低60~240us）
          DS18B20_IN();
          while (DS18B20_IO_IN && 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 1us
                  DS18B20_IO_OUT = 0;
                  delay_us(2);
                  // 拉高 >45us
                  DS18B20_IO_OUT = 1;
                  delay_us(60);
              } else {  // 写0
                  // 拉低60~120us
                  DS18B20_IO_OUT = 0;
                  delay_us(60);
                  // 拉高 >1us
                  DS18B20_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 1us
              DS18B20_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  SKIP ROM -> 启动温度转换
          DS18B20_Reset();
          DS18B20_Write_Byte(0xCC);  // SKIP ROM
          DS18B20_Write_Byte(0x44);  // CONVERT T
          delay_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 ROM
          DS18B20_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