1-Wire搜索算法详解（1）

最近一直在proteus上仿真单总线搜索算法，虽然参考了美信公司的应用笔记以及其他的一些资源，仍然没有成功，估计应该是protues问题。这里先转载一篇不错的博文，以供参考。

原文连接 http://blog.sina.com.cn/s/blog_57ad1bd20102uxxu.html

1-Wire搜索算法详解（1）

0前言

美信公司（http://www.maximintegrated.com/cn）生产了许多1-Wire®器件产品，硬件电路极致简单，而相应软件就显得复杂。美信网站的《应用笔记187》介绍了单线ROM搜索算法，并提供了TMEXAPI测试程序的源代码，该算法较为复杂，而且是通用于多平台（windows\JAVA等）的API，无法直接在KeilC上调试并写入单片机。本人在学习理解其算法后，适当修改源代码，并作上了详细的注释和图解，代码在KeilC环境下调试通过，并在一个挂接4个DS18B20的小型1-Wire环境中测试成功，顺利获取4个ROM码。现把算法分析及测试过程成文如下，其中算法部分保留了大部分AN187的内容，但作了许多修改和补充，原文可参见http://www.maximintegrated.com/cn/app-notes/index.mvp/id/187。本文介绍的搜索算法及源代码，对任何现有的或将要推出的1-Wire器件都是有效的。

1测试环境及图示

硬件连接：4个DS18B20并接，MCU为笙泉MG82G516仿真芯片（其他普通51系列都可，仿真芯片可以方便调试），软件为Keil3。

1. 4个DS18B20在面包板上

2.笙泉THO65B+仿真器（可仿真51芯片）

3.Saleae Logic分析仪

4.全家福（开发板仅安装芯片及供电用）

图1中，4个DS18B20并接，红黄黑三线为电源、信号、地，绿色线通黄色线，接逻辑分析仪。原来逻辑分析仪从单片机端采集1-Wire信号，但实测中主机拉高电平（从机低电平）时，逻辑分析仪采集到一个尖刺脉冲，造成分析仪识别1-Wire协议失误；后将采集线接到从机端，信号正常。

图2是笙泉THO65B+仿真器，USB接口，可仿真51系列，方便程序调试。该仿真器芯片型号为MPC82G516，类似于STC15F2K60S2，为1T单片机，片上64KBFlash, 60KB程序存储器,3KB IAP存储器,1KB ISP 引導程序空间，以及1KRAM。

图3为逻辑分析仪，十分小巧，支持8路信号输入，最高采样速率24M，实际一般使用16M。USB接口，附送软件。图4为开发板，本例中主要功能仅为提供CPU插座及供电，1-Wire器件连接是相当简单的。

再给出一个用逻辑分析采集到的ROM搜索的全过程相关图片，有了这个分析仪，就可以十分方便地读出搜索到的ROM码，还能通过程序执行时产生“波形”分析调试代码，也可以方便的测定延时函数的时间。

2 1-Wire®器件的ROM码

Maxim的1-Wire®器件都带有一个64位的唯一注册码，生产时通过激光刻蚀在内部只读存储器内(ROM)，用于在1-Wire网络中通过1-Wire主机对其寻址。如果1-Wire网络中从机器件数量不定且ROM码未知，则可采用搜索算法查找这些码。下表是64BitROM码的组成示意：
（MSB表示MostSignificant Bit最高有效位，LSB表示LeastSignificant Bit最低有效位）

MSB 64位ROM码 LSB

8位CRC

MSB LSB

48位序列号

MSB LSB

8位家庭码

MSB LSB

搜索顺序是从低位到高位的，如下：

第64位←——————————————————————第1位

图5.64位唯一的ROM注册码

图6、通过逻辑分述仪采集到的1-Wire信号

图片说明：

1. 上图是逻辑分析仪在ROM搜索到1个ROM时1-Wire总线上采集到的信号，可见搜索耗时15ms；

2. 因低位先传送，逻辑分析仪上显示低位在左边；

3. 信号自左到右分别为：复位R、存在脉冲、主机发搜索命令８位、从机回复64位ROM码（包括家族码0x28、48位ROM、8位CRC码）

4. 分析软件识别出了1-Wire协议，在信号顶部标示了内容和数位，阅读时相当直观。

5. 将图6中家族码的部分放大如图7。

图7.搜索过程中采集的家族码部分放大图

图片说明

1. 家族码一共为8位，图中有3通道信号，最上面第1通道从1-Wire总线采集，第2通道是“1写”程序时通过转换指定单片机引脚得到（进入该程序时置位，退出前复位）；第3路为“2读”信号；均为高电平；

2. 识别8位“一写”代码可见从左到右为00010100，反过来就00101000即28H；

3. 如何识别1-Wire读写的时序，请参见1-Wire技术资料或DS18B20数据表资料，本文不描述。

3 1-Wire搜索协议

搜索算法采用的是二叉树型结构，搜索过程沿各分节点进行，直到找到器件的ROM码即叶子为止；后续的搜索操作沿着节点上的其它路径进行，按照同样的方式直到找到总线上的所有器件代码。本文后面提供了一个简单示例：4个ROM，每个仅取4位，构造了一棵二叉树，并在此示例上推导出搜索算法的许多细节及实现。

搜索算法首先通过复位(reset)和在线应答脉冲(presencepulse)时隙将1-Wire总线上的所有器件复位；成功地执行该操作后，发送1个字节的搜索命令；搜索命令使1-Wire器件准备就绪、开始进行搜索操作。

搜索命令分为两类：标准搜索命令(F0hex)用来搜索连接到网络中所有器件；报警或有条件搜索命令(EChex)只用来搜索那些处于报警状态下的器件，这种方式缩小了搜索范围，可以快速查找到所需要注意的器件。本文附带代码仅使用了标准搜索命令。

搜索命令发出之后，开始实际的搜索过程。首先总线上的所有从机器件同时发送ROM码(也叫注册码)中的第一位(最低有效位)(参见图1)。与所有的1-Wire通信一样，无论是读取数据还是向从机器件写数据，都由1-Wire主机启动每一位操作。按照1-Wire协议设置特性，当所有从机器件同时应答主机时，结果相当于全部发送数据位的逻辑AND；从机发送其ROM码的第一位后，主机启动下一位操作、接着从机发送第一位数据的补码；从两次读到的数据位可以对ROM码的第一位做出几种判断(参见下表)。上述二次读取1-Wire总线上当前位ROM码的正码和反码的操作，本文简述为“二读”。

表1.检索信息位

主机读一位从机提供当前位正码	主机再读一位从机提供该位反码	二读后可以判断获得的信息注意：主线读到的是各个响应从机的“线与”逻辑
0	0	连接器件的该位有0有1，这是一个差异位（混码位）
0	1	连接器件的该位均为0
1	0	连接器件的该位均为1
1	1	没有器件与总线相连

按照搜索算法的要求，“二读”后1-Wire主机必须向总线上的从机发回一个指定位，称为“一写”；如果从机器件中ROM码的当前位的值与该数据位匹配，则继续参与搜索过程；若从机器件的当前位与之不匹配，则该器件转换到休眠状态，直到下一个1-Wire复位信号到来被再次唤醒。其余63位ROM码的搜索依然按照这种‘读两位’、‘写一位’的模式进行重复操作。

按照这种搜索算法进行下去，最终除了一个从机器件外所有从机将进入等待状态，经过一轮检测，就可得到最后保留(未进入等待状态)器件的ROM码。在后续搜索过程中，选用不同的路径(或分支)来查找其它器件的ROM码。需要注意的是本文ROM码的数据位用第1位(最低有效位)到第64位(最高有效位)表示，而不是第0位到第63位的模式；这样设置允许将差异位置计数器初始值置为0，为以后的比较提供了方便。

上述过程可简述为“二读一写”，“二读”结果为“00”，主机就判定这一位是“差异位”，也可称为“冲突位”“混码位”。举例来说，“二读”就相当于“老师问名”，设想学生的名字就是64位ROM码，老师第1问时学生反应为：“1的不吭声，0就高喊到”；第2问时学生反过来：“0的不吭声，1的高喊到”，老师通过二次答复就可分辨：“不吭声+不吭声”表示一个学生也没有；“不吭声+到”表示大家都是1，“到+不吭声”表示大家都是0；而“到+到”收表示有0有1。试想，如果有0有1，只要有1个喊到，老师就能听到，这种合成效果就是所谓的“线与”，当然这里应称为“声与”。

搜索到“差异位”时，主机如何确定搜索方向（0还是1），这是本算法的核心问题，这也是典型的“二叉树遍历”算法。或许有人会提出一种“笨”算法，就是穷举64位组合，从000…000到111…111遍历，有应答的从机就会被一个一个找出来，这确实是一种简单的“笨”算法，在许多地方很有用，但对于64位ROM来说，假设一位的访问需要100us，64位则需要6.4ms，穷举全部ROM码有2⁶⁴=1844亿亿，极端的遍历时间为37亿年，这确实是一种无法实现的笨办法。

下表列出了1-Wire主机和从机的搜索过程：

Master	Slave
发送“复位”信号	产生“存在”脉冲
发送“搜索”命令	全体器件进入“应付搜索”状态，不断地根据主机信号作出反应
从总线读取1位“线与”	全体器件发送64位ROM码的第1位
从总线读取1位“线与”	全体器件发送64位ROM码的第1位的反码
向总线写1位（按算法）	器件们接收此位后，凡与ROM码的第1位不符的器件进入休眠状态
读64位ROM码后续位	器件发后续位ROM码
读64位ROM码后续位的反码	器件发后续位ROM码的反码
写后续各位	器件们接收此位后，凡与ROM码的当前位不符的器件进入休眠状态.

从上表可以看出：如果所有总线上的器件在当前位具有相同值，那么只有一条分支路径可选；总线上没有器件响应的情况是一种异常状态，可能是要查找的器件在搜寻过程中与1-Wire总线脱离。如果出现这种情况，应中止搜索，并发出1-Wire复位信号起始新的搜索过程。如果当前位既有0也有1，这种情况称为位值差异，它对在后续搜索过程中查找器件起关键作用。搜索算法指定在第一轮查询中若出现差异(数据位/补码= 0/0)，则选用‘0’路径。注意：这一点是由本文档中介绍的特定算法决定的，其它算法中或许首先选用‘1’路径。算法需要记录最后一次值差异的位置以供下一次搜索使用。

本文介绍的搜索算法是一个通用的程序，Maxim工程师极巧妙地设计了一些变量，只要在搜索前设置这些变量的初始值，程序就能完成不同的搜索功能，下文中会列出这些变量，但理解其奥秘需要花点时间。比如程序对最初8位ROM中出现的最后一次位差异设置了一个专门的变量保持跟踪，因为64位注册码的前8位是家族码，利用此变量可以在器件的搜索过程中可以按照其家族码进行分类。运用该变量可以有选择性地跳过1-Wire器件的整个分组。如需进行选择性的搜索，可参考关于高级变量搜索的详细解释。

64位ROM码中还包含8位循环冗余校验码(CRC)；CRC值用于验证是否搜索到正确的ROM码。ROM码的排列如图1所示。关于CRC校验的原理，内容丰富到需要专文论述，这里不详述，可参见 Maxim 网站相关笔记。

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