温度传感器DSl8B20在Proteus中的仿真

摘要：详细介绍单总线温度传感器DSl8B20的工作原理、通信协议和使用方法；给出测温程序流程，以及DSl8B20在Proteus中硬件仿真的具体实现方法，并对该仿真结果与实验结果进行了比较。
关键词：Proteus；DSl8B20；单总线；测温

引言
    目前，微机与外设之间进行数据的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。其中，I2C总线以同步串行2线方式进行通信(1条时钟线和1条数据线)，SPI总线以同步串行3线方式进行通信(1条时钟线、1条数据输入线和1条数据输出线)，而SCI总线则是以异步方式进行通信的(1条数据输入线和1条数据输出线)。这些总线至少需要2条信号线及地线。Dallas公司推出的单总线技术用单根信号线及地线，既传输时钟又传输数据，而且数据的传输时双向的，具有线路简单、硬件开销少、成本低、便于总线扩展和维护等优点。
    DSl8B20是典型的单总线数字式温度传感器，工作电压为3～5V，测量温度范围为-55～+125℃，可根据实际需要通过软件设置选择9～12位分辨率；用户设置的报警温度存储在芯片内部EEPROM中，可掉电保持；每个芯片都有全球唯一的编码，用户可以通过其特有的序列号查询其温度，因此理论上一条总线上可连接无数个该测温元件。单总线通常要求外接一个约4．7 kΩ的上拉电阻，保证总线闲置时其状态为高电平。
1 PrOteus中DSl8B20仿真图的设计
1．1 Proteus简介
    Proteus是英国Labcenter Electronics公司研发的EDA工具软件。它是能进行模拟电路、数字电路、模／数混合电路、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD、LED系统的设计与仿真的平台。Proteus具备原理图设计、电路分析与仿真、PCB设计功能，可以通过调入程序的编译结果．hex或．cof文件来调试单片机程序，还可直接嵌入到Microchip公司的单片机调试软件MPLABIDE中，进行程序的调试和仿真。
    Proteus的特色是能实现单片机与外设的混合电路系统、软件系统的设计和仿真。在仿真过程中，用户可以用鼠标单击开关、键盘、电位计、可调电阻等外设设备，使单片机系统根据输入信号做出相应的响应，并将响应处理结果根据所编制的软件在LCD、LED等显示器件上显示，整个过程与硬件仿真器调试过程相似。因此，在缺乏硬件的情况下，这是款非常实用的仿真软件，其仿真的原理图经验证后可直接应用到现实中。Proteus还提供虚拟示波器、逻辑分析仪、信号发生器和I2C、SPI调试器等多种虚拟终端，方便用户仿真调试。
1．2 DSl8B20仿真的实现
    目前，国内采用单片机作控制系统中的微处理器时多选择．PIC、51系列或Freescale系列单片机。PIC单片机具有外围电路简单、功耗低、外围资源丰富等优点。本系统选用PIC系列单片机PICl6F877A作为控制芯片。
    Proteus仿真图设计的第一步就是拾取仿真所需要的元器件，单击图1所示界面预览窗口下面的P按钮，弹出Pick Devices(元器件拾取)对话框。然后，在Keywords文本框内分别输入DSl8820、LM041L(4行×16字符型LCD)、PICl6F877A、RES(电阻)。在检索出来的结果中，选中所要的元器件并双击，该元器件就会出现在左侧预览窗口中。

    元器件拾取完毕后，关闭Pick Devices窗口回到主设计页面。在左侧预览窗口中，选中元器件放置到合适的位置。然后，在最左侧选中图标(terminals mode)，分别选中POWER(电源)和GROUND(地)，放置在合适的位置，并进行连接。欲改变元器件的参数，双击该元器件，然后在出现的属性框中直接修改即可。本文所设计的由12个DSl8B20组成的测温网络如图2所示。

2 单总线器件DSl8B20的使用
2．1 DSl8B20的工作原理
    在该测温系统中，单片机PICl6F877A作为主机，DSl8B20温度传感器作为从机。由于DSl8B20采用的是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答。因此，访问器件时必须严格遵循单总线命令序列，以及初始化、ROM、命令功能的命令。如果序列混乱，则器件不响应主机。从机主机和从机之间的通信通过3个步骤完成：初始化器件；识别器件；交换数据。
    单总线器件采用严格的通信协议来保证数据的完整性。通信协议包括：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读O和读1。所有这些信号都是以先低位、后高位的方式发送的。
    (1)复位脉冲和应答脉冲
    复位脉冲和应答脉冲即为初始化过程，所有的通信都是以初始化开始的。首先主机要拉低总线至少480μs，接着释放总线并持续15～60μs，然后进入接收状态，检测总线DQ的电平。若DQ为低电平，则表示从机已就绪，可以发送ROM命令。由于C语言简洁紧凑、灵活方便且可
移植性好，因此本文程序采用C语言来完成。相应的初始化程序如下：

    其中，变量dq用来判断DSl8B20是否有返回的存在脉冲，为O即有返回脉冲，表明复位成功，可跳出循环；DQ表示总线的电平，当总线为高电平时DQ为1，否则为0；DQ_IO用来表示DQ所连的单片机I／O口的状态，若该I／O口对单片机是作为输入使用则DQ_IO为1，作为输出使用则DQ_IO为O。
    (2)写操作时序
    无论是命令还是数据，所有的写操作都是以字节为单位的，全部以先低位、后高位的方式传输的。位写入过程是这样的：主机将总线拉低15μs，然后根据要发的那位数据的电平来决定接下来总线的电平。若数据待发位为低电平，则主机须将DQ置为低电平并保持1 5～45μs；若数据待发位为高电平，则主机需将DQ置为高电平且保持15～45μs。发送1位数据的时间(从总线拉低开始到发送结束)必须控制在60～20μ s。
    位与位之间要有一个大于1μs的高电平时间间隙隔开。一个字节的数据写入结束后需要将总线释放，以确保之后操作的正确进行。
    (3)读操作时序
    所有数据的读取是以字节为单位，以先低位、后高位的方式进行传输的。位读取的过程如下：首先需要主机将总线拉低1～15μs，然后释放总线，对总线的电平进行判断。若总线为低电平，说明带读取数据位为0；若总线为高电平，则表明带读取数据位为1。读取1位数据的时间(从总线拉低开始到将总线置高准备下一位数据)必须大于60 μs。同样，位与位之间须有一个大于1 μs的高电平时间间隙隔开。一个字节的数据读取结束后需要将总线释放，以确保操作的正确进行。由于DSl8B20的温度采用9～12位的分辨率，因此一个温度数据需要读取2字节的温度数据。2字节的数据读取结束后将总线释放，以便接下来数据的正确传输。
2．2 读温度主要使用的命令
    读温度主要使用的命令如表1所列。

3 测温的实现及在PrOteus中的仿真
3．1 测温的实现
    整个读取温度步骤具体如下：

        
    若还要读其他芯片的温度，则从②～⑤开始循环。其中，reset()为调用初始化子程序；send_com()为机向从机发送1字节的子程序；send_num()为主机向从机发送64位器件序列号的子程序；delay()为延时子程序；check()为主机判断所有从机的温度是否全部读取完毕的子程序。
3．2 Proteus仿真
    在Proteus中使用多个DSl8B20时，必须改变器件的属性，使仿真中每个器件的序列号各不相同。具体作法是：右击DSl8B20，选中Edit Properties选项，在其中改变ROM Serial Numbet的值；还可改变Granularity的数值，即改变每次调整温度的额度。在Proteus中，可以人为改变3个字节的器件序列号。要想得到全部8个字节，一个简单的方法就是每一次总线上只连接一个器件，利用Ox33读器件序列号的命令在程序中得到完整的器件序列号。具体的程序如下所示：

    其中，send_com()为主机向从机发送一个字节的子程序，read_dat()为主机读取从机一个字节的子程序。例如，将器件序列号改为B8C530，在MPLAB IDE中的Watch窗口中可直接观察到该器件的完整的器件序列号，如图3所示。

    本系统中共使用12个DSl8B20，序列号为B8C530～B8C53B。通过上述的方法可得到所有器件的序列号，然后组成一个数组，在读取温度程序中就可直接使用。数组如下所示：

    在MPLAB IDE中，使用Proteus VSM仿真模式。根据上述读取温度程序的过程，编写读取温度的程序，经编译、运行，即可得到仿真结果。

结语
    经验证，在Proteus中的仿真结果和实际实验结果完全一致。这充分说明该软件仿真结果真实性很高，在缺乏硬件的情况下，这是款非常实用的仿真软件。其仿真的原理图和结果经实验验证后可直接应用到实际项目中。
    单总线数字式温度传感器DSl8B20具有体积小、动态范围宽、测量精度高等特点，分辨率可根据实际的需求进行相应的设置。单总线器件连接简单，且具有很强的扩展性，可以组建多点的温度检测网络，在电子产品各部件特别是半导体器件的温度测量领域具有良好的应用前景。