Author：Cherry_Ywj
0. 前言
本文档以 DS18B20 为例，主要介绍如何针对一种传感器编写相应的驱动库，驱动是单片机开发中难度较大的一环。从看别人代码并对照 datasheet 开始，学会调用别人编写的库，然后尝试着自己写。
1. 基础内容
1.1 开漏输出
STM32 的输出模式有推挽输出和开漏输出，推挽输出已经使用的很熟练了，也很简单，而开漏输出有一些新的特性。
在开漏模式时，上管 P-MOS 始终关断，呈现高阻态，输出控制只控制下管 N-MOS。所以，开漏模式没法主动输出高电平。因此，一般在设置开漏模式时，需要设置上拉模式。当设置输出为高电平时，实际上高电平是上拉电阻提供的，而输出低电平时，导通 N-MOS 即可。
强上拉和弱上拉
弱上拉指的是上拉电阻比较大，想想电阻的串并联，上拉电阻比较大时，如果外接一个比较小的电阻至地，则输出的电压就会比较小。
因此，上拉电阻越小，上拉就越强。开漏输出的上拉电阻是比较弱的上拉（上拉电阻约为40kΩ），所以在 DS18B20 的数据线上需要加一个 4.7kΩ 左右的上拉电阻，这个在后面会提到。
上面是开漏输出的一个特性，第二个特性是它还可以读取当前的引脚状态，即当成输入模式使用。这在双向传输数据都在一根数据线上的通信过程中非常有用。
1.2 datasheet
在之后进行代码驱动编写时，需要认真阅读 DS18B20 的数据手册，这里放个中文版手册：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/453052826
之后涉及到的手册里面的内容不再过多解释。现在解释几个重要的部分
- 总线释放
当 STM32 主动控制数据线（DQ）时，称 STM32 控制着总线；而 STM32 释放总线时，则将总线的控制权交给了从机（DS18B20）
如何释放总线？
前面提到了开漏输出的特性，将开漏输出设置为高电平即为释放总线，因为高电平是由上拉电阻给的，并不是 STM32 本身，控制权已经不在 STM32 处。
- LSB & MSB
DS18B20 的数据传输都是从低位传到高位。
2. 代码编写
2.1 微秒函数
在与 DS18B20 的通信过程中涉及到许多微秒级别的延时，这里嫖了一份代码，直接用就行
#define CPU_FREQUENCY_MHZ 72 // STM32时钟主频
void delay_us(__IO uint32_t delay)
{
int last, curr, val;
int temp;
while (delay != 0)
{
temp = delay > 900 ? 900 : delay;
last = SysTick->VAL;
curr = last - CPU_FREQUENCY_MHZ * temp;
if (curr >= 0)
{
do
{
val = SysTick->VAL;
}
while ((val < last) && (val >= curr));
}
else
{
curr += CPU_FREQUENCY_MHZ * 1000;
do
{
val = SysTick->VAL;
}
while ((val <= last) || (val > curr));
}
delay -= temp;
}
}
2.2 宏定义
#define GPIO_PORT GPIOC
#define GPIO_PIN GPIO_PIN_0
#define DQ_OUT(x) HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT,GPIO_PIN,x)
#define DQ_IN() HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT,GPIO_PIN)
前面已经介绍到，开漏输出也可以当作输出，也可以当作输入使用。
2.3 基本时序配置
在与 DS18B20 通信的过程中，主要涉及几个方面
- 复位（又称初始化）
- DS18B20 响应
- 向 DS18B20 写入数据
- 从 DS18B20 读取数据
这些过程在 datasheet 都以提及，阅读下面代码时请对照 datasheet
2.3.1 复位
void DS18B20_Rst(void)
{
DQ_OUT(0);
delay_us(750);
DQ_OUT(1); //释放总线
delay_us(15);
}
2.3.2 DS18B20响应
//返回0：响应成功
uint8_t DS18B20_Check(void)
{
uint8_t temp=0;
while(DQ_IN()&&temp<200) //等待18B20拉低电平
{
temp++;
delay_us(1);
}
if(temp>=200) //如果超过200us电平还没被拉低，说明没检测到
return 1;
temp=0;
while(!DQ_IN()&&temp<240) //等待18B20拉低电平结束，电平重新为高
{
temp++;
delay_us(1);
}
if(temp>=240)
return 1;
return 0;
}
2.3.3 向 DS18B20 写入数据
void DS18B20_Write_Byte(uint8_t data)
{
uint8_t i=0;
uint8_t bit=0;
for(i=0;i<8;++i)
{
bit=data&0x01;
data=data>>1;
if(bit) //写1
{
DQ_OUT(0);
delay_us(2);
DQ_OUT(1);
delay_us(60);
}
else //写0
{
DQ_OUT(0);
delay_us(60);
DQ_OUT(1);
delay_us(2);
}
}
}
这里要说明一下为什么写 0 时最后需要拉高总线 2us，这是为了防止如果写入的数据一直是 0 时，超过 480 us 就会被当成复位信号从而把 DS18B20 复位了！
2.3.4 读取数据
读取数据比较复杂，需要先写好读取单个 bit 的函数，再读取一个 byte
//从18B20读取一个bit
uint8_t DS18B20_Read_Bit(void)
{
uint8_t bit;
DQ_OUT(0);
delay_us(2);
DQ_OUT(1);
delay_us(12);
bit=DQ_IN();
delay_us(50);
return bit;
}
//从18B20读取一个byte
uint8_t DS18B20_Read_Byte(void)
{
uint8_t i=0,bit=0,data=0;
for(i=0;i<8;++i)
{
bit=DS18B20_Read_Bit();
data=(bit<<7)|(data>>1);
}
return data;
}
2.4 温度读取
前面的基础工作都已经做好，现在来实现温度的读取吧
配置 DS18B20 完成指定任务需要三个阶段
- 初始化（复位）
- ROM命令
- DS18B20功能命令
三个步骤需要循环进行才能正常工作，每次只能执行一个 ROM 命令和功能指令
float DS18B20_Get_Temp(void)
{
uint8_t temp;
uint8_t TL,TH;
short tem;
DS18B20_Rst();
DS18B20_Check();
DS18B20_Write_Byte(0xcc); // skip rom
DS18B20_Write_Byte(0x44); // convert
DS18B20_Rst();
DS18B20_Check();
DS18B20_Write_Byte(0xcc); // skip rom
DS18B20_Write_Byte(0xbe); // convert
TL=DS18B20_Read_Byte(); // LSB
TH=DS18B20_Read_Byte(); // MSB
if(TH>7)
{
TH=~TH;
TL=~TL;
temp=0; //温度为负
}else temp=1; //温度为正
tem=TH; //获得高八位
tem<<=8;
tem+=TL; //获得底八位
float res=(float)tem*0.0625; //转换
if(temp)return res; //返回温度值
else return -res;
}