GX18B20 數(shù)字溫度傳感器技術(shù)手冊

1. 概述與主要特點

GX18B20 是一款采用獨特單總線（1-Wire?）接口的數(shù)字溫度傳感器，它能夠直接將測量到的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。其核心優(yōu)勢在于其高度集成的設(shè)計，不僅包含了溫度傳感器本身，還集成了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、溫度報警功能、暫存器以及通信邏輯控制單元，從而大大簡化了外部電路設(shè)計，為用戶提供了便利。GX18B20 的測溫范圍寬廣，覆蓋 至 +125°C 的區(qū)間，并且在 ?10°C 至 +85°C 的核心溫度范圍內(nèi)，其測量精度高達 ±0.5°C。這種高精度和寬量程的特性使其廣泛適用于多種應(yīng)用場景，包括但不限于工業(yè)控制系統(tǒng)、消費電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測以及智能家居系統(tǒng)等。

該傳感器的另一個顯著特點是其靈活的供電方式。它支持兩種工作模式：外部電源供電模式和寄生電源供電模式。在寄生電源模式下，GX18B20 僅需通過單總線引腳就能獲取工作所需的能量，極大地減少了布線需求，使得在遠距離或空間受限的應(yīng)用中尤為突出。每個 GX18B20 芯片在出廠時都已燒錄了一個唯一的 64 位序列號，這使得多個傳感器可以共存于同一條單總線上，而不會產(chǎn)生沖突。主控設(shè)備可以通過這個序列號準確地尋址和識別每一個傳感器，從而實現(xiàn)多點溫度測量網(wǎng)絡(luò)。此外，該器件還具備可編程的溫度分辨率，用戶可以根據(jù)實際應(yīng)用需求，在 9 位至 12 位之間自由選擇，以平衡測溫精度和轉(zhuǎn)換時間。其集成的非易失性存儲器（EEPROM）可以用于存儲報警溫度限值 TH 和 TL 以及配置寄存器，這些設(shè)置即使在斷電后也能得到保留，進一步提升了系統(tǒng)的可靠性和便捷性。

2. 引腳配置與功能描述

GX18B20 通常提供兩種封裝形式：TO-92 封裝和 SOP-8 封裝。TO-92 封裝主要用于需要伸出引腳進行直接測量的場景，而 SOP-8 封裝則更適合于表面貼裝的電路板設(shè)計。兩種封裝的引腳定義和功能完全一致，便于設(shè)計者在不同應(yīng)用間進行切換。

表 2.1：引腳功能描述

TO-92 封裝引腳排列圖：

SOP-8 封裝引腳排列圖：

3. 電氣特性參數(shù)

本章節(jié)詳細列出了 GX18B20 在正常工作條件下以及極限條件下的電氣性能參數(shù)，這些數(shù)據(jù)是進行電路設(shè)計和系統(tǒng)集成的關(guān)鍵參考。

表 3.1：絕對最大額定值

這些參數(shù)為器件可承受的極限值，超出這些范圍可能會對器件造成永久性損壞，甚至影響其正常功能。因此，在任何情況下，都應(yīng)避免器件工作在這些絕對最大額定值之外。

表 3.2：工作條件

這些參數(shù)是確保 GX18B20 能夠正常、穩(wěn)定、可靠地工作的推薦范圍。在此范圍內(nèi)，器件的性能指標均能得到保證。

表 3.3：直流特性

這些參數(shù)描述了 GX18B20 在靜態(tài)工作狀態(tài)下的電流、電壓等特性。

表 3.4：AC 特性

這些參數(shù)主要涉及單總線通信的時序特性，對于正確實現(xiàn)通信協(xié)議至關(guān)重要。單總線通信的時序非常嚴格，主設(shè)備必須嚴格遵守這些時間參數(shù)。

4. 工作原理與通信協(xié)議

GX18B20 的核心工作原理是利用一個精密的溫度敏感元件，通過集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其模擬溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。其內(nèi)部的轉(zhuǎn)換器采用了 sigma-delta 技術(shù)，以實現(xiàn)高精度和低功耗的特性。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫度值存儲在內(nèi)部的暫存器中，主控設(shè)備（通常是單片機）通過單總線協(xié)議讀取這些數(shù)據(jù)。

4.1 單總線（1-Wire?）協(xié)議詳解

GX18B20 采用的單總線協(xié)議是一種由主設(shè)備控制的半雙工通信協(xié)議，所有通信都通過一根數(shù)據(jù)線（DATA）完成。為了確保通信的正確性，所有時序都必須嚴格遵守。

4.1.1 初始化與復位時序

每個通信序列都必須以一個初始化時序開始。主設(shè)備首先將單總線拉低至少 tRST = 480μs，以發(fā)出復位信號。在主設(shè)備釋放總線后，總線會通過外部上拉電阻恢復到高電平。如果總線上有 GX18B20 存在并準備好通信，它會在主設(shè)備釋放總線后的 tPDH = 15μs 到 60μs 之間，將總線拉低 tPRES = 60μs 到 240μs 的時間，這就是存在脈沖。主設(shè)備通過檢測這個存在脈沖來確認總線上是否有從設(shè)備響應(yīng)。如果沒有存在脈沖，主設(shè)備會認為總線上沒有 GX18B20 存在，通信失敗。

4.1.2 寫時隙

主設(shè)備通過向總線寫入單個位來向 GX18B20 發(fā)送數(shù)據(jù)。寫 0 和寫 1 的時序不同。

• 寫入邏輯 1： 主設(shè)備將總線拉低 1μs 到 15μs，然后立即釋放總線。總線通過上拉電阻恢復到高電平。這個時隙的總長度必須在 60μs 到 120μs 之間。

• 寫入邏輯 0： 主設(shè)備將總線拉低 60μs 到 120μs，然后釋放總線。在這個時隙內(nèi)，總線始終保持低電平。

在每個寫時隙之間，必須有至少 tREC = 1μs 的恢復時間。

4.1.3 讀時隙

主設(shè)備通過發(fā)送讀時隙來請求 GX18B20 傳輸數(shù)據(jù)。讀時隙同樣由主設(shè)備發(fā)起。

• 讀取時隙： 主設(shè)備首先將總線拉低 1μs 到 15μs，然后釋放總線。在主設(shè)備釋放總線后 15μs 內(nèi)，GX18B20 會將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位寫入總線。如果數(shù)據(jù)位為 1，它會保持總線為高電平；如果數(shù)據(jù)位為 0，它會主動將總線拉低。主設(shè)備必須在主設(shè)備發(fā)起讀時隙后的 15μs 內(nèi)完成對總線電平的采樣，以獲取正確的數(shù)據(jù)。每個讀時隙的總長度也必須在 60μs 到 120μs 之間。

4.2 暫存器（Scratchpad）結(jié)構(gòu)

GX18B20 內(nèi)部包含一個 9 字節(jié)的暫存器，用于存儲各種數(shù)據(jù)和配置信息。主設(shè)備可以通過單總線協(xié)議訪問和修改這個暫存器。其詳細結(jié)構(gòu)如下：

表 4.1：暫存器（Scratchpad）結(jié)構(gòu)

其中，配置寄存器（字節(jié) 4）的結(jié)構(gòu)如下：

表 4.2：配置寄存器結(jié)構(gòu)

R1 和 R0 共同決定了溫度轉(zhuǎn)換的分辨率：

• R1=0,R0=0： 9 位分辨率（轉(zhuǎn)換時間約 93.75ms）

• R1=0,R0=1： 10 位分辨率（轉(zhuǎn)換時間約 187.5ms）

• R1=1,R0=0： 11 位分辨率（轉(zhuǎn)換時間約 375ms）

• R1=1,R0=1： 12 位分辨率（轉(zhuǎn)換時間約 750ms）

5. 指令集（Command Set）

GX18B20 的指令集分為兩類：ROM 指令和功能指令。ROM 指令用于對多個設(shè)備進行尋址，而功能指令則用于執(zhí)行特定的任務(wù)，如溫度轉(zhuǎn)換、讀寫暫存器等。

5.1 ROM 指令

這些指令用于在多點總線應(yīng)用中，識別和選擇特定的 GX18B20 芯片。

• 0xCC (Skip ROM)： 當總線上只有一個 GX18B20 設(shè)備時，主設(shè)備可以使用此指令跳過 64 位 ROM 序列號，直接發(fā)送功能指令。

• 0x33 (Read ROM)： 允許主設(shè)備讀取單個 GX18B20 的 64 位序列號。此指令僅在總線上只有一個從設(shè)備時有效。

• 0x55 (Match ROM)： 主設(shè)備發(fā)送此指令后，緊接著發(fā)送一個 64 位序列號?？偩€上只有序列號匹配的那個 GX18B20 會響應(yīng)后續(xù)的功能指令。

• 0xF0 (Search ROM)： 用于在總線上的多個 GX18B20 中，逐一發(fā)現(xiàn)它們的 64 位序列號。這是一個復雜的搜索算法，需要主設(shè)備進行多次迭代才能找到所有設(shè)備。

• 0xEC (Alarm Search)： 用于搜索暫存器中 TH 或 TL 寄存器觸發(fā)報警的 GX18B20。

5.2 功能指令

這些指令用于控制 GX18B20 的具體功能。

• 0x44 (Convert T)： 發(fā)送此指令后，GX18B20 會啟動溫度轉(zhuǎn)換過程。在轉(zhuǎn)換期間，它會拉低總線，直到轉(zhuǎn)換完成。主設(shè)備可以通過總線電平來判斷轉(zhuǎn)換是否完成。

• 0xBE (Read Scratchpad)： 用于從 GX18B20 的暫存器中讀取全部 9 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。主設(shè)備發(fā)送此指令后，從設(shè)備會連續(xù)傳輸 9 個字節(jié)，包括溫度數(shù)據(jù)、配置寄存器和 CRC 校驗碼。

• 0x4E (Write Scratchpad)： 用于向暫存器中的 TH、TL 和配置寄存器寫入數(shù)據(jù)。主設(shè)備發(fā)送此指令后，需依次寫入三個字節(jié)：TH、TL 和配置寄存器數(shù)據(jù)。

• 0x48 (Copy Scratchpad)： 用于將暫存器中的 TH、TL 和配置寄存器數(shù)據(jù)復制到非易失性 EEPROM 中，以實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存。

• 0xB8 (Recall EEPROM)： 用于將 EEPROM 中存儲的 TH、TL 和配置寄存器數(shù)據(jù)重新加載到暫存器中。

6. 溫度測量流程與數(shù)據(jù)解析

獲取 GX18B20 溫度值的典型流程是一個多步操作，涉及到指令發(fā)送、等待轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)讀取。

6.1 獲取溫度值的標準步驟

1. 初始化： 主設(shè)備發(fā)送復位脈沖，并檢測 GX18B20 的存在脈沖。

2. ROM 指令： 發(fā)送 ROM 指令，例如 0xCC (Skip ROM)，以選擇要通信的設(shè)備。

3. 溫度轉(zhuǎn)換： 發(fā)送 0x44 (Convert T) 指令，通知 GX18B20 開始溫度轉(zhuǎn)換。

4. 等待轉(zhuǎn)換： 主設(shè)備等待轉(zhuǎn)換完成?？梢圆捎脙煞N方法：

• 方法一（等待固定時間）： 根據(jù)當前的分辨率設(shè)置，等待相應(yīng)的時間（例如 12 位分辨率需要 750ms）。

• 方法二（輪詢總線）： 在發(fā)送 0x44 指令后，總線會保持低電平。主設(shè)備可以連續(xù)發(fā)起讀時隙，直到 GX18B20 將總線釋放為高電平，表示轉(zhuǎn)換完成。

5. 讀取數(shù)據(jù)： 轉(zhuǎn)換完成后，主設(shè)備再次發(fā)送初始化和 ROM 指令，然后發(fā)送 0xBE (Read Scratchpad) 指令。

6. 數(shù)據(jù)解析： 主設(shè)備從總線上連續(xù)讀取 9 個字節(jié)的暫存器數(shù)據(jù)。

7. CRC 校驗： 主設(shè)備計算前 8 個字節(jié)的 CRC 校驗碼，并與讀取的第 9 個字節(jié)進行比對，以驗證數(shù)據(jù)的完整性和正確性。

8. 溫度計算： 將讀取到的暫存器中第 0 字節(jié)和第 1 字節(jié)（溫度值）組合成一個 16 位的帶符號數(shù)，根據(jù)其分辨率和符號位進行溫度值的計算。

6.2 溫度值解析

讀取到的 16 位溫度值是一個帶符號的二進制補碼形式。最高位（MSB）是符號位，當其為 0 時表示正溫度，為 1 時表示負溫度。

• 對于正溫度： 直接將 16 位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制，然后除以相應(yīng)的分辨率因子。

• 對于負溫度： 采用二進制補碼規(guī)則，先按位取反，然后加 1，再轉(zhuǎn)換為十進制，最后加上負號。

例如，在 12 位分辨率下：

• 正溫度 25.0°C 的二進制表示為 0000 0001 1001 0000。

• 負溫度 -10.0°C 的二進制表示為 1111 1111 1001 0000。

分辨率與溫度值的關(guān)系：

• 12 位：溫度值 = 原始值 / 16

• 11 位：溫度值 = 原始值 / 8

• 10 位：溫度值 = 原始值 / 4

• 9 位：溫度值 = 原始值 / 2

7. 典型應(yīng)用電路

GX18B20 提供了兩種主要的應(yīng)用電路配置，以適應(yīng)不同的電源需求和布線復雜性。

7.1 外部電源供電模式

在這種模式下，GX18B20 通過 VDD 引腳連接到外部電源，通常是 +3.3V 到 +5V。DATA 引腳需要通過一個上拉電阻連接到 VDD。這種模式的優(yōu)點是通信穩(wěn)定可靠，尤其是在總線較長或有較多設(shè)備連接時，能提供更充足的電流，確保通信時序的穩(wěn)定。

外部電源供電模式的優(yōu)點：

• 穩(wěn)定可靠：器件能獲得持續(xù)且充足的電源，避免在溫度轉(zhuǎn)換等高功耗操作時因電壓跌落導致的通信錯誤。

• 適用于多點總線：在連接大量器件或總線距離較長時，能夠提供穩(wěn)定的電源，確保所有器件正常工作。

7.2 寄生電源供電模式

在寄生電源模式下，GX18B20 的 VDD 引腳必須接地，器件通過 DATA 引腳在總線處于高電平時獲取能量，并儲存在內(nèi)部電容中。在總線被拉低時，器件依靠這個電容提供的能量工作。為了保證內(nèi)部電容在總線為高電平期間能快速充電，上拉電阻的阻值至關(guān)重要，一般推薦使用 4.7kΩ。

寄生電源供電模式的優(yōu)點：

• 布線簡單：僅需兩根線（DATA 和 GND）即可實現(xiàn)通信和供電，簡化了電路板設(shè)計和布線。

• 適用于遠距離應(yīng)用：減少了電源線數(shù)量，在遠距離布線時成本更低。

寄生電源供電模式的注意事項：

• 上拉電阻選擇：上拉電阻的阻值需謹慎選擇，不能過大也不能過小。過大會導致充電速度慢，過小則會增加功耗。

• 強上拉：在溫度轉(zhuǎn)換期間，GX18B20 會消耗較大的瞬時電流。為了保證轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定進行，主設(shè)備必須在發(fā)送 0x44 (Convert T) 指令后，通過一個 MOS 管或三極管提供一個臨時的強上拉電流，以確保 DATA 引腳的電壓在轉(zhuǎn)換期間不會跌落。

8. 封裝信息與訂購指南

GX18B20 提供了兩種主流的封裝形式，以滿足不同的設(shè)計和生產(chǎn)需求。

8.1 TO-92 封裝

TO-92 封裝是一種常見的、價格低廉的直插式封裝，通常用于不需要嚴格限制尺寸的應(yīng)用。它的引腳可以直接焊接在孔式 PCB 上，或者通過引線延伸到需要測量的位置。

TO-92 封裝尺寸圖：

8.2 SOP-8 封裝

SOP-8 封裝是一種表面貼裝封裝，適用于對尺寸有嚴格要求且需要自動化焊接的場景。其緊湊的尺寸和標準化引腳排列使其成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計的理想選擇。

SOP-8 封裝尺寸圖：

8.3 訂購信息

根據(jù)不同的封裝和包裝方式，GX18B20 有多種訂購型號。

9. 修訂歷史

為了保持文檔的最新和準確性，本手冊會定期進行修訂。以下是本手冊的主要修訂記錄。

表 9.1：修訂歷史