单片机的单总线协议

    单总线协议（One-Wire Protocol）是一种由Dallas Semiconductor（现为Maxim Integrated）开发的串行通信协议。它允许多个设备共享一根数据线进行通信，因而被称为"单总线"。该协议具有低成本、简单接线的特点，适用于需要低功耗、短距离通信的场景。以下是单总线协议的基本原理、通信流程以及应用实例。

1. 单总线协议概述

单总线协议通过一根数据线（及地线）实现数据传输，这根数据线承担了数据的发送和接收。其最大特点是数据传输和设备寻址都是通过这根单一的信号线完成的。

单总线通信不仅支持点对点通信，还支持多个设备（如传感器、存储器等）并联在同一条总线上的通信。在通信过程中，多个设备可以共享同一根数据线，通过唯一的设备地址进行区分。

2. 单总线协议的特点

• 单根数据线：数据传输和设备寻址通过一根总线完成。
• 唯一设备地址：每个设备都有一个唯一的64位地址，通信时通过该地址来标识设备。
• 低功耗：单总线设备在空闲时消耗非常低的功耗（典型设备的工作电流只有几微安）。
• 支持多设备连接：多个设备可以通过总线共享，适合连接温度传感器、电子标签等。
• 半双工通信：数据只能单向传输，即同一时刻只能有一个设备发送数据，其他设备监听。

3. 单总线协议的工作原理

单总线协议的通信过程包括设备的初始化、设备地址的匹配、数据的读写等。下面是协议的基本操作步骤。

3.1 总线空闲与数据传输

• 总线空闲：在没有通信时，数据线通常处于高电平（逻辑“1”）。所有设备都通过总线线来监听数据。
• 开始通信：通信开始时，主设备会将总线拉低（发送逻辑“0”），触发通信。

3.2 设备寻址

设备有唯一的64位地址，可以通过此地址在总线上与设备进行通信。主机通过发送设备的64位地址来进行设备选择。设备地址由两部分组成：

• ROM命令：设备的64位ROM（只读存储器）地址，主设备使用ROM命令来选择需要通信的设备。
• 匹配与选择：主设备发送64位的设备地址（包括前导码和设备标识），从设备收到地址后，通过匹配自己地址与主机发送的地址进行选择。只有匹配的设备才能进行数据交换。

3.3 读写数据

• 写数据：主设备发送写命令，然后向选择的设备写数据。
• 读数据：主设备发送读命令后，从选择的设备读取数据。数据从设备返回时，主设备通过总线读取。

3.4 CRC校验

为保证通信的可靠性，单总线协议使用了循环冗余校验（CRC）。每次传输的数据都会附带CRC校验码，接收方根据CRC校验码判断数据的完整性。

3.5 数据通信时序

• 主设备发送起始位：主设备通过拉低总线来标识通信开始。
• 设备响应：选择的设备响应主设备的命令。
• 数据传输：主设备和设备之间交换数据，通过位的高低电平实现数据传输。

4. 单总线协议的应用

单总线协议由于其简单性、低成本和低功耗的特性，广泛应用于许多嵌入式系统和低功耗设备中。以下是几种常见的应用：

4.1 温度传感器

最常见的单总线应用是温度传感器，如DS18B20，它通过单总线与主控制器（如单片机）通信。主设备可以通过读取传感器的唯一地址来获取温度数据。

4.2 存储设备

单总线协议也被用于嵌入式存储设备（如DS2431 EEPROM）上，设备通过单总线协议进行数据的读写操作。

4.3 电子标签

电子标签（例如iButton）也使用单总线协议来传输数据，广泛应用于身份识别、物品追踪等领域。

4.4 连接多个传感器

由于单总线支持多设备连接，可以将多个传感器（如温度、湿度、压力等传感器）连接到同一条总线上，从而实现多点监测。

5. 单总线协议的优缺点

优点：

• 简化布线：只需一根数据线，适合需要节省空间和降低布线复杂度的应用。
• 低功耗：设备在空闲时消耗非常低的电流，非常适合需要低功耗运行的场合。
• 多设备连接：支持多个设备并联工作，简化了系统设计。

缺点：

• 数据传输速度较慢：相比于I2C、SPI等总线协议，单总线的传输速度较低，通常适用于短距离、低速数据传输。
• 线长限制：由于使用单一的数据线，长距离传输时容易受到电磁干扰，通信质量会下降。

6. 总结

    单总线协议是一种简单、低成本的通信协议，广泛应用于温度传感器、存储设备和身份认证等场合。它通过一根数据线和唯一的设备地址进行通信，适合于需要低功耗和简化布线的嵌入式系统。然而，由于其通信速率较低，适用于对传输速度要求不高的应用。