改变嵌软开发思维方式之：基于单总线的数据抽象实例

Posted 2021-10-08 嵌入式大杂烩

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了改变嵌软开发思维方式之：基于单总线的数据抽象实例相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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作者 | Acuity

1.前言

onewire(单总线) 是DALLAS公司推出的外围串行扩展总线技术总线，顾名思义，它是采用一根信号线进行通信，既传输时钟信号又传输数据，而且能够进行双向通信，具有节省I/O口线、资源结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。

常用到单总线的器件，一般是温度传感器、EEPROM、唯一序列号芯片等，如DS18B20、DS2431。

在使用单总线时，往往很少CPU会提供硬件单总线，几乎都是根据单总线标准的时序图，通过普通IO翻转模拟实现单总线。而在模式实现时序图的过程中，需要根据CPU时钟频率等条件进行时序时间计算，如果更换CPU后，需要重新计算时序时间，如果时序代码和器件外设控制代码集成在一起，则代码改动比较大。

或者同一CPU需要模拟多根单总线时，传统的“复制”方式使得程序显得累赘，还增加ROM占用空间。因此，可以利用“函数指针”的方式，将时序部分抽象出来，达到“复用”代码的效果，减少重复代码编写。

2.onewire 抽象

2.1 onewire 结构体

onewire结构体主要是对与CPU底层相关的操作抽象分离，调用时只需将该结构体地址（指针）作为函数入口参数，通过该指针实现对底层函数的回调。该结构体我们命名为“struct ops_onewire_dev”，其原型如下：

struct ops_onewire_dev
{
    void (*set_sdo)(int8_t state);
    uint8_t (*get_sdo)(void);
    void (*delayus)(uint32_t us);
};

其中：

1）set_sdo：IO输出1bit，包括时钟和数据。

2）get_sdo：IO输入1bit，包括时钟和数据。

3）delayus：时序延时函数，根据CPU频率进行计算。

回调函数相关文章：C语言、嵌入式重点知识：回调函数

2.2 onewire 对外接口

extern uint8_t ops_onewire_reset(struct ops_onewire_dev *onewire);
extern int ops_onewire_read(struct ops_onewire_dev *onewire,void *buff,int size);
extern int ops_onewire_write(struct ops_onewire_dev *onewire,void *buff,int size);

1）分别为复位函数、读函数、写函数。

2）入口首参数为“struct ops_onewire_dev”结构体指针，此部分就是硬件层相关，需要后期初始化的.

3）其余入口参数易于理解，读/写缓存及数据大小。

2.3 onewire 抽象接口实现

分别实现上述三者函数接口。

2.3.1 复位函数

复位函数，在单总线初始化外设器件时需要用到，用于判断总线与器件是否通信上，类似“握手”的动作。如图，为DS18B20的复位时序图，以下与单总线相关的时序图，都是以DS18B20为例，因为此芯片为单总线应用的经典。

根据时序图，实现复位函数。

/**
  * @brief  单总线复位时序
  * @param  onewire 总线结构体指针
  * @retval 成功返回0
*/
uint8_t ops_onewire_reset(struct ops_onewire_dev *onewire)
{
 uint8_t ret = 0;
 
 onewire->set_sdo(1);
 onewire->delayus(50);
 onewire->set_sdo(0);
 onewire->delayus(500);
 onewire->set_sdo(1);
 onewire->delayus(40);
 ret = onewire->get_sdo();
 onewire->delayus(500);
 onewire->set_sdo(1);
 return ret;
}

2.3.2 读函数

读函数即以该函数，通过单总线从外设上读取数据，至于代码的实现，完全是时序图的实现，无特殊难点。先实现单字节读函数，再通过调用单字节读函数实现多字节读函数。

/**
  * @brief  单总线读取一字节数据
  * @param  onewire 总线结构体指针
  * @retval 返回读取的数据
*/
static char ops_onewire_read_byte(struct ops_onewire_dev *onewire)
{
 char data = 0;
 uint8_t i;
 
 for(i=8;i>0;i--)
 {
  data >>= 1;
  onewire->set_sdo(0);
  onewire->delayus(5);
  onewire->set_sdo(1);
  onewire->delayus(5);
  if(onewire->get_sdo())
   data |= 0x80;
  else
   data &= 0x7f;
  onewire->delayus(65);
  onewire->set_sdo(1);
 }
 return data;
}

/**
  * @brief  读取多字节
  * @param  onewire 总线结构体指针
  * @param  buff 存放数据缓存
  * @param  size 数据大小
  * @retval 返回读取到的数据大小
*/
int ops_onewire_read(struct ops_onewire_dev *onewire,void *buff,int size)
{
 int i;
 char *p = (char*)buff; 
 for(i=0;i<size;i++)
  p[i++]=ops_onewire_read_byte(onewire);
 return i;
}

2.3.3 写函数

写函数与读函数同理，即以该函数，通过单总线往外设写入数据，至于代码的实现，完全是时序图的实现，无特殊难点。先实现单字节写函数，再通过调用单字节写函数实现多字节写函数。

/**
  * @brief  单总线写一字节
  * @param  onewire 总线结构体指针
  * @param  data 待写数据
  * @retval 返回读取的数据
*/
static int ops_onewire_write_byte(struct ops_onewire_dev *onewire,char data)
{
 uint8_t i;
 
 for(i=8;i>0;i--)
 {
  onewire->set_sdo(0);
  onewire->delayus(5);
  if(data&0x01)
   onewire->set_sdo(1);
  else
   onewire->set_sdo(0);
  onewire->delayus(65);
  onewire->set_sdo(1);
  onewire->delayus(2);
  data >>= 1;
 }
 return 0;
}

/**
  * @brief  写多字节
  * @param  onewire 总线结构体指针
  * @param  buff 代写数据地址
  * @param  size 数据大小
  * @retval 写入数据大小
*/
int ops_onewire_write(struct ops_onewire_dev *onewire,void *buff,int size)
{
 int i;
 char *p = (char*)buff;
 for(i=0;i<size;i++)
 {
  if(ops_onewire_write_byte(onewire,p[i]) != 0)
  break;
 }
 return i;
}

至此，onewire（单总线）抽象化完成，此部分代码与硬件层分离，亦可单独作为一个模块，移植到不同平台CPU时，也几乎无需改动。剩下部分工作则是实现“struct ops_onewire_dev”中的函数指针原型，即可使用一根单总线。

3.onewire 抽象应用

以STM32F1为例，实现上述抽象接口。

3.1 “struct ops_onewire_dev” 实现

此部分即是与硬件相关部分，不同CPU平台改动该部分即可，如从51单片机移植到STM32上。下面涉及到的IO宏，是对应IO的宏定义，如“ONEWIRE1_PORT”、“ONEWIRE1_PIN”，实际使用的是PC13 IO口。

3.1.1 IO输出

static void gpio_set_sdo(int8_t state)
{
    if (state)
  GPIO_SetBits(ONEWIRE1_PORT,ONEWIRE1_PIN); 
    else
  GPIO_ResetBits(ONEWIRE1_PORT,ONEWIRE1_PIN); 
}

3.1.2 IO输入

static uint8_t gpio_get_sdo(void)
{
    return (GPIO_ReadInputDataBit(ONEWIRE1_PORT,ONEWIRE1_PIN));
}

3.1.3 延时函数

static void gpio_delayus(uint32_t us)
{
#if 1  /* 不用系统延时时，开启 */
    volatile int32_t i;
 
    for (; us > 0; us--)
    {
     i = 30;  //mini 17
        while(i--);
    }
#else
  delayus(us);
#endif
}

3.1 onewire 总线初始化

3.1.1 onewire 抽象相关

第一步：定义一个“struct ops_onewire_dev”结构体类型变量（全局）——onewire1_dev。

struct ops_onewire_dev onewire1_dev;

第二步：实例化“onewire1_dev”中的函数指针。

onewire1_dev.get_sdo = gpio_get_sdo;
onewire1_dev.set_sdo = gpio_set_sdo;
onewire1_dev.delayus = gpio_delayus;

第三步：使用时，通过传入“onewire1_dev”地址（指针）即可。

3.1.2 onewire 基础相关

初始基础部分，与使用的CPU硬件相关，如时钟、IO方向等。

/**
  * @brief  初始化单总线
  * @param  none
  * @retval none
*/
void stm32f1xx_onewire1_init(void)
{
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;          
 RCC_APB2PeriphClockCmd(ONEWIRE1_RCC,ENABLE);  

 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ONEWIRE1_PIN;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;      
   GPIO_Init(ONEWIRE1_PORT, &GPIO_InitStructure);             
 ONEWIRE1_PORT->BSRR = ONEWIRE1_PIN;      
 
 /* device init */
 onewire1_dev.get_sdo = gpio_get_sdo;
 onewire1_dev.set_sdo = gpio_set_sdo;
 onewire1_dev.delayus = gpio_delayus;
}

4.onewire 使用

经过前面的步骤后，我们已经通过IO口翻转，模拟实现了一根单总线——“onewire1_dev”，以DS18B20为例，调用第一部分中三者接口，实现对DS18B20的操作。

4.1 DS18B20操作

对于DS18B20，不陌生，即是温度传感器，不多赘述，使用的功能主要是作为温度检测，另外还有其内部的唯一序列号会作为同一总线上挂多个DS18B20时的“地址”识别。

亦可把DS18B20的唯一序列号作为模块、产品、通信总线等的唯一标识使用。因此，代码也是主要实现这两个功能。

#include "onewire_hw.h"
#include "ds18b20.h"

static uint8_t ds18b20_start(void)
{    
 char reg;
    ops_onewire_reset(&onewire1_dev);     
      
 reg = 0xcc; /* 跳过ROM */
 ops_onewire_write(&onewire1_dev,&reg,1);
 reg = 0x44; /* 温度转换指令 */
 ops_onewire_write(&onewire1_dev,&reg,1);        
 return 0;
}

/**
  * @brief  读取温度
  * @param  none
  * @retval 温度值，浮点型
*/
float ds18b20_readtemp(void)
{
    uint8_t  tl,th,sign;
 uint16_t reg_temp; 
 char reg;
 float temp;
 
 ds18b20_start();
 ops_onewire_reset(&onewire1_dev); 
 reg = 0xcc;
 ops_onewire_write(&onewire1_dev,&reg,1); /* 跳过ROM */
 reg = 0xbe;
 ops_onewire_write(&onewire1_dev,&reg,1); /* 读取RAM */
 ops_onewire_read(&onewire1_dev,&tl,1);  /* 低8位数据 */
 ops_onewire_read(&onewire1_dev,&th,1);   /* 高8位数据 */
 if(th > 7)
 {/* - */
  th = ~th;
  tl = ~tl + 1; 
  sign = 0;             
 }
 else 
 {/* + */
  sign = 1;   
 }  
 reg_temp = (th<<8) | tl;
 temp = reg_temp * 0.0625f; 
 if(sign)
 {
  return temp;       
 }
 else 
 {
  return -temp;   
 }
}
 
/**
  * @brief  读唯一序列号
  * @param  rom 返回序列号缓存
  * @retval none
*/
void ds18b20_readrom(char *rom)
{
 uint8_t i;
 char reg;
 
 ops_onewire_reset(&onewire1_dev);
 reg = 0x33;
 ops_onewire_write(&onewire1_dev,&reg,1);
 for (i = 0;i < 8;i++)
 {
  ops_onewire_read(&onewire1_dev,&rom[i],1);  
 } 
}

至此，完成单总线的抽象分层使用。