GX18B20 数字温度传感器技术手册

1. 概述与主要特点

GX18B20 是一款采用独特单总线（1-Wire®）接口的数字温度传感器，它能够直接将测量到的温度值转换为数字信号输出。其核心优势在于其高度集成的设计，不仅包含了温度传感器本身，还集成了高精度模数转换器（ADC）、温度报警功能、暂存器以及通信逻辑控制单元，从而大大简化了外部电路设计，为用户提供了便利。GX18B20 的测温范围宽广，覆盖 至 +125∘C 的区间，并且在 −10∘C 至 +85∘C 的核心温度范围内，其测量精度高达 ±0.5∘C。这种高精度和宽量程的特性使其广泛适用于多种应用场景，包括但不限于工业控制系统、消费电子产品、医疗设备、环境监测以及智能家居系统等。

该传感器的另一个显著特点是其灵活的供电方式。它支持两种工作模式：外部电源供电模式和寄生电源供电模式。在寄生电源模式下，GX18B20 仅需通过单总线引脚就能获取工作所需的能量，极大地减少了布线需求，使得在远距离或空间受限的应用中尤为突出。每个 GX18B20 芯片在出厂时都已烧录了一个唯一的 64 位序列号，这使得多个传感器可以共存于同一条单总线上，而不会产生冲突。主控设备可以通过这个序列号准确地寻址和识别每一个传感器，从而实现多点温度测量网络。此外，该器件还具备可编程的温度分辨率，用户可以根据实际应用需求，在 9 位至 12 位之间自由选择，以平衡测温精度和转换时间。其集成的非易失性存储器（EEPROM）可以用于存储报警温度限值 TH 和 TL 以及配置寄存器，这些设置即使在断电后也能得到保留，进一步提升了系统的可靠性和便捷性。

2. 引脚配置与功能描述

GX18B20 通常提供两种封装形式：TO-92 封装和 SOP-8 封装。TO-92 封装主要用于需要伸出引脚进行直接测量的场景，而 SOP-8 封装则更适合于表面贴装的电路板设计。两种封装的引脚定义和功能完全一致，便于设计者在不同应用间进行切换。

表 2.1：引脚功能描述

TO-92 封装引脚排列图：

SOP-8 封装引脚排列图：

3. 电气特性参数

本章节详细列出了 GX18B20 在正常工作条件下以及极限条件下的电气性能参数，这些数据是进行电路设计和系统集成的关键参考。

表 3.1：绝对最大额定值

这些参数为器件可承受的极限值，超出这些范围可能会对器件造成永久性损坏，甚至影响其正常功能。因此，在任何情况下，都应避免器件工作在这些绝对最大额定值之外。

表 3.2：工作条件

这些参数是确保 GX18B20 能够正常、稳定、可靠地工作的推荐范围。在此范围内，器件的性能指标均能得到保证。

表 3.3：直流特性

这些参数描述了 GX18B20 在静态工作状态下的电流、电压等特性。

表 3.4：AC 特性

这些参数主要涉及单总线通信的时序特性，对于正确实现通信协议至关重要。单总线通信的时序非常严格，主设备必须严格遵守这些时间参数。

4. 工作原理与通信协议

GX18B20 的核心工作原理是利用一个精密的温度敏感元件，通过集成的模数转换器（ADC）将其模拟温度信号转换为数字量。其内部的转换器采用了 sigma-delta 技术，以实现高精度和低功耗的特性。转换后的数字温度值存储在内部的暂存器中，主控设备（通常是单片机）通过单总线协议读取这些数据。

4.1 单总线（1-Wire®）协议详解

GX18B20 采用的单总线协议是一种由主设备控制的半双工通信协议，所有通信都通过一根数据线（DATA）完成。为了确保通信的正确性，所有时序都必须严格遵守。

4.1.1 初始化与复位时序

每个通信序列都必须以一个初始化时序开始。主设备首先将单总线拉低至少 tRST = 480μs，以发出复位信号。在主设备释放总线后，总线会通过外部上拉电阻恢复到高电平。如果总线上有 GX18B20 存在并准备好通信，它会在主设备释放总线后的 tPDH = 15μs 到 60μs 之间，将总线拉低 tPRES = 60μs 到 240μs 的时间，这就是存在脉冲。主设备通过检测这个存在脉冲来确认总线上是否有从设备响应。如果没有存在脉冲，主设备会认为总线上没有 GX18B20 存在，通信失败。

4.1.2 写时隙

主设备通过向总线写入单个位来向 GX18B20 发送数据。写 0 和写 1 的时序不同。

• 写入逻辑 1： 主设备将总线拉低 1μs 到 15μs，然后立即释放总线。总线通过上拉电阻恢复到高电平。这个时隙的总长度必须在 60μs 到 120μs 之间。

• 写入逻辑 0： 主设备将总线拉低 60μs 到 120μs，然后释放总线。在这个时隙内，总线始终保持低电平。

在每个写时隙之间，必须有至少 tREC = 1μs 的恢复时间。

4.1.3 读时隙

主设备通过发送读时隙来请求 GX18B20 传输数据。读时隙同样由主设备发起。

• 读取时隙： 主设备首先将总线拉低 1μs 到 15μs，然后释放总线。在主设备释放总线后 15μs 内，GX18B20 会将要传输的数据位写入总线。如果数据位为 1，它会保持总线为高电平；如果数据位为 0，它会主动将总线拉低。主设备必须在主设备发起读时隙后的 15μs 内完成对总线电平的采样，以获取正确的数据。每个读时隙的总长度也必须在 60μs 到 120μs 之间。

4.2 暂存器（Scratchpad）结构

GX18B20 内部包含一个 9 字节的暂存器，用于存储各种数据和配置信息。主设备可以通过单总线协议访问和修改这个暂存器。其详细结构如下：

表 4.1：暂存器（Scratchpad）结构

其中，配置寄存器（字节 4）的结构如下：

表 4.2：配置寄存器结构

R1 和 R0 共同决定了温度转换的分辨率：

• R1=0,R0=0： 9 位分辨率（转换时间约 93.75ms）

• R1=0,R0=1： 10 位分辨率（转换时间约 187.5ms）

• R1=1,R0=0： 11 位分辨率（转换时间约 375ms）

• R1=1,R0=1： 12 位分辨率（转换时间约 750ms）

5. 指令集（Command Set）

GX18B20 的指令集分为两类：ROM 指令和功能指令。ROM 指令用于对多个设备进行寻址，而功能指令则用于执行特定的任务，如温度转换、读写暂存器等。

5.1 ROM 指令

这些指令用于在多点总线应用中，识别和选择特定的 GX18B20 芯片。

• 0xCC (Skip ROM)： 当总线上只有一个 GX18B20 设备时，主设备可以使用此指令跳过 64 位 ROM 序列号，直接发送功能指令。

• 0x33 (Read ROM)： 允许主设备读取单个 GX18B20 的 64 位序列号。此指令仅在总线上只有一个从设备时有效。

• 0x55 (Match ROM)： 主设备发送此指令后，紧接着发送一个 64 位序列号。总线上只有序列号匹配的那个 GX18B20 会响应后续的功能指令。

• 0xF0 (Search ROM)： 用于在总线上的多个 GX18B20 中，逐一发现它们的 64 位序列号。这是一个复杂的搜索算法，需要主设备进行多次迭代才能找到所有设备。

• 0xEC (Alarm Search)： 用于搜索暂存器中 TH 或 TL 寄存器触发报警的 GX18B20。

5.2 功能指令

这些指令用于控制 GX18B20 的具体功能。

• 0x44 (Convert T)： 发送此指令后，GX18B20 会启动温度转换过程。在转换期间，它会拉低总线，直到转换完成。主设备可以通过总线电平来判断转换是否完成。

• 0xBE (Read Scratchpad)： 用于从 GX18B20 的暂存器中读取全部 9 个字节的数据。主设备发送此指令后，从设备会连续传输 9 个字节，包括温度数据、配置寄存器和 CRC 校验码。

• 0x4E (Write Scratchpad)： 用于向暂存器中的 TH、TL 和配置寄存器写入数据。主设备发送此指令后，需依次写入三个字节：TH、TL 和配置寄存器数据。

• 0x48 (Copy Scratchpad)： 用于将暂存器中的 TH、TL 和配置寄存器数据复制到非易失性 EEPROM 中，以实现掉电数据保存。

• 0xB8 (Recall EEPROM)： 用于将 EEPROM 中存储的 TH、TL 和配置寄存器数据重新加载到暂存器中。

6. 温度测量流程与数据解析

获取 GX18B20 温度值的典型流程是一个多步操作，涉及到指令发送、等待转换以及数据读取。

6.1 获取温度值的标准步骤

1. 初始化： 主设备发送复位脉冲，并检测 GX18B20 的存在脉冲。

2. ROM 指令： 发送 ROM 指令，例如 0xCC (Skip ROM)，以选择要通信的设备。

3. 温度转换： 发送 0x44 (Convert T) 指令，通知 GX18B20 开始温度转换。

4. 等待转换： 主设备等待转换完成。可以采用两种方法：

• 方法一（等待固定时间）： 根据当前的分辨率设置，等待相应的时间（例如 12 位分辨率需要 750ms）。

• 方法二（轮询总线）： 在发送 0x44 指令后，总线会保持低电平。主设备可以连续发起读时隙，直到 GX18B20 将总线释放为高电平，表示转换完成。

5. 读取数据： 转换完成后，主设备再次发送初始化和 ROM 指令，然后发送 0xBE (Read Scratchpad) 指令。

6. 数据解析： 主设备从总线上连续读取 9 个字节的暂存器数据。

7. CRC 校验： 主设备计算前 8 个字节的 CRC 校验码，并与读取的第 9 个字节进行比对，以验证数据的完整性和正确性。

8. 温度计算： 将读取到的暂存器中第 0 字节和第 1 字节（温度值）组合成一个 16 位的带符号数，根据其分辨率和符号位进行温度值的计算。

6.2 温度值解析

读取到的 16 位温度值是一个带符号的二进制补码形式。最高位（MSB）是符号位，当其为 0 时表示正温度，为 1 时表示负温度。

• 对于正温度： 直接将 16 位二进制数转换为十进制，然后除以相应的分辨率因子。

• 对于负温度： 采用二进制补码规则，先按位取反，然后加 1，再转换为十进制，最后加上负号。

例如，在 12 位分辨率下：

• 正温度 25.0°C 的二进制表示为 0000 0001 1001 0000。

• 负温度 -10.0°C 的二进制表示为 1111 1111 1001 0000。

分辨率与温度值的关系：

• 12 位：温度值 = 原始值 / 16

• 11 位：温度值 = 原始值 / 8

• 10 位：温度值 = 原始值 / 4

• 9 位：温度值 = 原始值 / 2

7. 典型应用电路

GX18B20 提供了两种主要的应用电路配置，以适应不同的电源需求和布线复杂性。

7.1 外部电源供电模式

在这种模式下，GX18B20 通过 VDD 引脚连接到外部电源，通常是 +3.3V 到 +5V。DATA 引脚需要通过一个上拉电阻连接到 VDD。这种模式的优点是通信稳定可靠，尤其是在总线较长或有较多设备连接时，能提供更充足的电流，确保通信时序的稳定。

外部电源供电模式的优点：

• 稳定可靠：器件能获得持续且充足的电源，避免在温度转换等高功耗操作时因电压跌落导致的通信错误。

• 适用于多点总线：在连接大量器件或总线距离较长时，能够提供稳定的电源，确保所有器件正常工作。

7.2 寄生电源供电模式

在寄生电源模式下，GX18B20 的 VDD 引脚必须接地，器件通过 DATA 引脚在总线处于高电平时获取能量，并储存在内部电容中。在总线被拉低时，器件依靠这个电容提供的能量工作。为了保证内部电容在总线为高电平期间能快速充电，上拉电阻的阻值至关重要，一般推荐使用 4.7kΩ。

寄生电源供电模式的优点：

• 布线简单：仅需两根线（DATA 和 GND）即可实现通信和供电，简化了电路板设计和布线。

• 适用于远距离应用：减少了电源线数量，在远距离布线时成本更低。

寄生电源供电模式的注意事项：

• 上拉电阻选择：上拉电阻的阻值需谨慎选择，不能过大也不能过小。过大会导致充电速度慢，过小则会增加功耗。

• 强上拉：在温度转换期间，GX18B20 会消耗较大的瞬时电流。为了保证转换的稳定进行，主设备必须在发送 0x44 (Convert T) 指令后，通过一个 MOS 管或三极管提供一个临时的强上拉电流，以确保 DATA 引脚的电压在转换期间不会跌落。

8. 封装信息与订购指南

GX18B20 提供了两种主流的封装形式，以满足不同的设计和生产需求。

8.1 TO-92 封装

TO-92 封装是一种常见的、价格低廉的直插式封装，通常用于不需要严格限制尺寸的应用。它的引脚可以直接焊接在孔式 PCB 上，或者通过引线延伸到需要测量的位置。

TO-92 封装尺寸图：

8.2 SOP-8 封装

SOP-8 封装是一种表面贴装封装，适用于对尺寸有严格要求且需要自动化焊接的场景。其紧凑的尺寸和标准化引脚排列使其成为现代电子产品设计的理想选择。

SOP-8 封装尺寸图：

8.3 订购信息

根据不同的封装和包装方式，GX18B20 有多种订购型号。

9. 修订历史

为了保持文档的最新和准确性，本手册会定期进行修订。以下是本手册的主要修订记录。

表 9.1：修订历史