代码收藏家技术教程 2025-02-15

单片机：实现IO口单线通讯（附带源码）

单片机：实现IO口单线通讯

1. 项目背景与目标

在嵌入式系统中，单线通讯（One-Wire）是一种常见的串行通讯协议，广泛用于低速设备间的数据传输。通过单一的信号线传输数据，通常还需要与地（GND）共享一条公共线，且通讯的实现方式通常非常简单。常见的应用包括温度传感器（如DS18B20）、EEPROM存储器、RFID设备等。

本项目的目标是通过单片机的GPIO引脚实现IO口的单线通讯协议，使单片机能够与支持单线通讯的设备（如DS18B20温度传感器）进行数据交换。

2. 硬件设计

2.1 硬件组件

单片机：例如STM32、8051、AVR等，本项目假设使用STM32单片机。
单线通讯设备：如DS18B20温度传感器，支持通过单一的线与单片机进行通讯。
外部电源：为单片机和单线设备提供必要的电源。
电阻：通常单线通讯协议需要一个上拉电阻来确保信号稳定，通常使用4.7kΩ的电阻。

2.2 硬件连接

单线通讯引脚连接：
将DS18B20的单线数据引脚连接到STM32的一个GPIO引脚（例如PA0），该引脚用于收发数据。
DS18B20的VDD引脚连接到3.3V电源，GND引脚连接到地（GND）。
在数据引脚上串联一个4.7kΩ的上拉电阻，将其连接到3.3V电源。
单片机电源：通过外部电源或USB提供单片机的工作电压。

3. 软件设计

3.1 单线通讯协议

单线通讯协议基于以下几个核心操作：

初始化通信：通过向设备发送“复位脉冲”来初始化设备。
发送和接收数据：通过数据线上的电平变化来传输数据，1代表高电平，0代表低电平。
时序控制：单线通讯协议需要严格的时序控制，确保主机和从机同步。

3.2 程序设计思路

初始化IO口：将用于单线通讯的GPIO配置为开漏输出，并启用上拉电阻。
发送和接收数据：通过精确控制GPIO口的电平变化，实现数据的发送和接收。
数据协议实现：实现对单线通讯协议的支持，如设备复位、命令发送、数据读取等。
时序控制：在数据传输过程中严格控制时间，确保信号的准确传递。

3.3 代码实现

以下是基于STM32单片机实现单线通讯协议的代码框架。假设我们使用DS18B20温度传感器来演示数据交换。

#include "stm32f4xx_hal.h"

// 定义单线通讯的GPIO引脚
#define OW_PIN GPIO_PIN_0
#define OW_PORT GPIOA

// 延时函数
void delay_us(uint32_t us) {
    while (us--) {
        __NOP();
    }
}

// 初始化单线通讯引脚
void OW_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 使能GPIOA时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // 配置单线引脚（PA0）为推挽输出模式
    GPIO_InitStruct.Pin = OW_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD; // 开漏输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;          // 无上拉或下拉电阻
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(OW_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
    // 设置单线引脚为上拉电阻
    HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_SET);
}

// 发送1位数据
void OW_WriteBit(uint8_t bit) {
    if (bit) {
        HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_RESET);  // 拉低
        delay_us(10);  // 保持低电平10us
        HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_SET);    // 拉高
        delay_us(50);  // 高电平维持
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_RESET);  // 拉低
        delay_us(50);  // 保持低电平
        HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_SET);    // 拉高
        delay_us(10);  // 高电平维持
    }
}

// 读取1位数据
uint8_t OW_ReadBit(void) {
    uint8_t bit = 0;
    
    HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_RESET);  // 拉低
    delay_us(2);  // 保持低电平2us
    HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_SET);    // 拉高
    delay_us(10);  // 等待数据准备
    
    // 读取数据
    if (HAL_GPIO_ReadPin(OW_PORT, OW_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
        bit = 1;
    } else {
        bit = 0;
    }
    
    delay_us(40);  // 等待数据稳定
    return bit;
}

// 发送字节
void OW_WriteByte(uint8_t byte) {
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        OW_WriteBit(byte & 0x01);
        byte >>= 1;
    }
}

// 读取字节
uint8_t OW_ReadByte(void) {
    uint8_t byte = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
        byte |= (OW_ReadBit() << i);
    }
    return byte;
}

// 复位单线设备
uint8_t OW_Reset(void) {
    uint8_t presence = 0;

    // 发送复位信号
    HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(500);  // 拉低500us
    HAL_GPIO_WritePin(OW_PORT, OW_PIN, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(50);   // 拉高后等待50us

    // 设备是否响应
    if (HAL_GPIO_ReadPin(OW_PORT, OW_PIN) == GPIO_PIN_RESET) {
        presence = 1;  // 设备存在
    }

    delay_us(500);  // 等待
    return presence;
}

// 读取DS18B20温度
void DS18B20_ReadTemperature(void) {
    uint8_t temp_LSB, temp_MSB;

    // 复位设备并检查响应
    if (OW_Reset()) {
        // 向设备发送ROM命令（跳过设备地址）
        OW_WriteByte(0xCC);  // Skip ROM command
        OW_WriteByte(0x44);  // Convert T command

        // 等待温度转换完成
        HAL_Delay(1000);

        // 向设备发送ROM命令（跳过设备地址）
        OW_WriteByte(0xCC);  // Skip ROM command
        OW_WriteByte(0xBE);  // Read Scratchpad command

        // 读取温度数据
        temp_LSB = OW_ReadByte();
        temp_MSB = OW_ReadByte();

        // 处理温度数据
        int16_t temperature = ((int16_t)temp_MSB << 8) | temp_LSB;
        float celsius = temperature * 0.0625;  // DS18B20的温度转换公式

        // 输出温度
        printf("Temperature: %.2f °C\n", celsius);
    } else {
        printf("Device not found.\n");
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();  // 初始化HAL库

    OW_Init();   // 初始化单线通讯引脚

    while (1) {
        DS18B20_ReadTemperature();  // 读取温度
        HAL_Delay(1000);  // 延时1秒
    }
}