DS18B20-認識CRC(3)

 CRC主題從開始到此篇已進入第三篇，其中有CRC基礎及簡化CRC的詳細步驟，到上一篇將CRC-8的操作步驟規律整理至五步驟，那時，我以為這就是最終的簡化（其實也可以拿來寫程式了），但參考了其他程式庫，才知道還可以更精簡。整理如下！

精簡：提前位移，更好！

其實再簡化的步驟，就只是將向右位移的步驟提前至第二步驟，當計算值經XOR運算後為"0"時，位移值既為最終值，若為"1"時，直接與"10001100"進行XOR的運算既可。
說起來，向右位移的步驟往前，好像也沒什麼，但各位若細細品味，應可體會它對於程式的程序的精簡有不可小看的功效。

CRC-8的概念及程式碼

底下是概念圖及程式碼的整合，上面所說的精簡部份，可參考上一篇"[DS18B20-認識CRC(2)]"的概念圖，必須依初值X="1/0"的狀態與"0x80"與"0x18"進行XOR運算，而精簡後，則只要當初值X為"1"時，與"10001100"(0x8C）進行XOR運算既可，這樣對於程式設計的程序達到了極佳的精簡。

下一步，完整的程式碼！

當初在摸索CRC時，一開始也看不懂，先看CRC數學運算說明，有看沒有懂。再去看程式碼（如上圖），還是看不懂！後來，乾脆就用最笨的方法，進入位元值的角度，用填空格及移位的方式來摸索，這樣才漸漸懂得如何而來，再回頭看數學運算及程式碼，就懂了！

CRC用了三篇來說明，一是因為它扮演著單線數位傳輸的要角，必須懂。二是三篇的過程來說明，是詳細的呈現，我是用何種方法來學習CRC，這是我的「格物」之道！僅供參考！

常見CRC的處理方式還有使用查表法的方式，優點是速度快，但會佔較多的程式碼空間，但其基本仍是依上圖所示！

至此，我們算是完成了CRC的認識及關鍵程式碼的演化程序！

下一步，將並利用它來作參數的調整！

DS18B20-認識CRC(2)

上一篇從基本的CRC認識開始，到簡化的CRC-4 計算中，各位若有依我的建議自已演練一番，應該在過程中會有所領悟，而此篇是我自已的領悟（不是最終答案，只是我自已的思路整理喲！）

CRC-4的規律

下圖是我在簡化的CRC-4中，整理出的運算規律概念圖，以其中一個運算點來呈現CRC-4碼的運算規律，我將其分為五個步驟，各位可以看看先，是否與你的規律相同（※其中A代表位元變數，可能是"1"也可以是"0")

CRC-8的規律

下圖是從CRC-4簡化後，再進行CRC-8運算，整理出的運算規律，同樣將其分為五個步驟，各位可以與CRC-4的一起比較，應可以知曉其基本運算規律相同，只是位元數較長些（※其中X/A/B代表位元變數，可能是"1"也可以是"0")

結語

到目前為止，我們都是用最笨的方式來演練CRC碼的運算，不加入數學運算原理，很笨但若是認真的演練，就能體會【熟】能生【巧】，那麼下一步是什麼？

下一步，從規律中演化出程式碼！

DS18B20-認識CRC(1)

正式進入第六步驟-CRC

上篇說明了，讀取DS18B20中暫存器之數值（共九個字元），然後呢？有兩個選擇，一是再去讀取ROM中的數值？或者，我們深入的探究暫存器中的關鍵值-CRC？前者是讓單pin可連接多個DS18B20的關鍵，但不是此專案的目標，所以先放著。後者，才是通往本專案目標的必經之路。

簡單的來說，CRC是確認你從DS18B20讀取到的數值"於傳輸過程中沒有失真"的關鍵。

掌握了CRC，可以透過它來調整傳輸的參數設定，並能檢測數位傳輸的數值正確性，以防止「傳誤」的狀況產生。

什麼是CRC

【維基百科的解釋】
循環冗餘校驗（英語：Cyclic redundancy check，通稱「CRC」）是一種根據網路資料封包或電腦檔案等資料產生簡短固定位數驗證碼的一種雜湊函數，主要用來檢測或校驗資料傳輸或者儲存後可能出現的錯誤。生成的數字在傳輸或者儲存之前計算出來並且附加到資料後面，然後接收方進行檢驗確定資料是否發生變化。（資料來源： https://zh.wikipedia.org/wiki/循環冗餘校驗）

看得懂嗎？我是看不太懂啦！但你若用"CRC"當關鍵字來搜尋相關說明，大部份好心的網友會使用"長除法"來說明如何計算並取得所需之CRC值，但說實在的，我的數學不好，他們說的很清楚，但我還是看不懂！

就我的了解CRC：CRC是透過特定的數值運算規則計算，得到的檢驗碼。在DS18B20的運用中，具體的用法就是暫存器的前八個字元值運算後的CRC碼就置於最後第九個字元。當Arduino讀取了暫存器的九個字元值，透過同樣的CRC運算方式計算前八個字元值，所得之字元值若與讀取到的CRC碼相同，代表此次讀取的資料無誤，反之，則代表此次資料讀取出現錯誤，需捨棄不用。

還是有點硬的說明，不過，沒關係，要使用CRC不見得一定要懂得數學式，我們是要懂得如何使用，而不是去透析一切，底下的影片我認為是認識CRC計算及回推"最直觀"的說明，請耐心觀看！

 YouTube上一個不錯的CRC演示

認識Dallas的CRC-8

CRC碼其實只是種驗證的方法，可依設計者所需來調整位數及算法，以滿足其精確度。上圖是維基百科中所整理常用CRC的部份，其中用紅框圈住的就是Dallas針對1-Wire bus的CRC算法。而下圖就是Datasheet中CRC的操作圖示！

將Datasheet的資料與上述的計算式整合於一起就如同下圖所示：八位元的CRC運算、箭頭是移位方向、XOR（邏輯異或）

其中，圖示中標明的XOR是什麼，其實就是位元的邏輯運算式，常用的符號及運算規則如底下所示：

XOR運算：位元值相同則為"0"，相異則為"1"

CRC-8太難，從簡化版的CRC開始

觀看上述影片後，大家應該了解它的運作為何了吧！底下，我將用簡化版的CRC-4（來說明其操作步驟），重點是讓各位了解其運作的順序，用土法煉鋼的笨方法先，先會用，再從中找到規律來簡化。

CRC的練習-0-填零作業

首先，我們要進行運算的數值為"1011"，而在作CRC運算前，最先的步驟就是填零，既先將空位及後四碼填值為0

CRC的練習-1-步驟細分解

填零後，就先取出第一個位元值"1"及X4值"0"，先作XOR運算（相異得"1"），X2向右位移至X3，再取X1值"0"，進行XOR運算（相異得"1"）得X2值為1，X0值"0"再向右位移至X1，最後將"1"填入X0值中，既完成了第一步驟的運算。

CRC的練習-1-8-步驟分解

下圖是將運算步驟的圖示表，有點煩，但各位可以自行演算並參照之，很簡單的步驟，但有點煩，建議至少做1~2次。

 如上圖，重覆8次的運算結果，既可得至CRC值為"0001"

 找到規律了嗎？

我們不從數理中去說明，直接用最笨的方法，來作位元的運算及操作，這就是電腦的操作程序，從簡化的例子運算中，若你做過2次以上，那麼你會發覺，CRC運算是十分簡單的步驟，但就是有點煩。簡單是因為規則是別人訂的，我們只要照著操作，就是了。就是步驟很煩，一不小心就會出錯。

下一步，我們就要從CRC的運算中找出規律，再寫程式由電腦來做這簡單又煩雜的工作！

DS18B20-讀取暫存器資料

Yeh，有溫度值了！

小卒過河，過了第一階段，也獲得了溫度值，下一階段的目標是透過CRC驗證碼來確認所獲取的資料是正確無誤的，此階段只有兩個步驟，第一步驟就是獲取暫存器之資料值，第二步驟是計算暫存器資料並驗證CRC碼。

第一步驟簡單，就是將資料依序讀出，再依序放入資料陣列中既可。第二步驟就有點煩，但不難，且容後再詳述。

此篇就針對暫存器讀取的部份作說明。

暫存器上架程式架構

下圖就是圖示：讀取DS18B20暫存器內的資料，並上架（Shelve）到Arduino的流程及程式，依序將9筆資料(byte)讀入，並放入暫存器陣列中，以待其他副程式使用。

獲取溫度及列印暫存器資料程式架構

 下圖是讀取暫存器資料，將資料放入暫存器陣列中，再透過溫度值計算獲得溫度值，再列印出暫存器資料的程式架構。

程式碼及其輸出

 此處只列出新增的輸出程式碼的部份，完整的程式碼，會於下一篇的CRC驗證是詳列，此篇的重點是各位可以印證實際測量之值與Datasheet中的資料是否相符合。

程式碼

const uint8_t  g_dq_pin =7;             //Arduino數位腳位7接到DS18B20
uint8_t scratchpad[9];

#define Skip_ROM   0xcc //用於1對1時，省略每次作ROM序號確認程序
#define Convert_T  0x44 //啟動溫度轉換
#define Read_Scratchpad  0xbe //讀取暫存器值，有9個字元

void setup() {
 Serial.begin(9600);
 Serial.println("<>");
}

void loop() {
 Serial.print("DS18b20's Temperature ->");
 Serial.println(getTempC());
 PrintScratchpad();
 delay(3000);
}

void ShelveData() {
 for(int i = 0; i < 9; ++i)
 {
  scratchpad[i]=ReadByte();
 }

}void PrintScratchpad() {
 Serial.println("");
 Serial.println("DS18b20's scratchpad Data ->");

 Serial.print("LSB -> 0x");
 Serial.print(scratchpad[0],HEX);
 Serial.println("");

 Serial.print("MSB -> 0x");
 Serial.print(scratchpad[1],HEX);
 Serial.println("");

 Serial.print("TH REGISTER -> 0x");
 Serial.print(scratchpad[2],HEX);
 Serial.println("");

 Serial.print("TL REGISTER -> 0x");
 Serial.print(scratchpad[3],HEX);
 Serial.println("");

 Serial.print("Configuration Register -> 0x");
 Serial.print(scratchpad[4],HEX);
 Serial.println("");

 for(int i = 5; i < 8; ++i)
 {
  Serial.print("RESERVED ");
  Serial.print(i-4);
  Serial.print(" -> 0x");
  Serial.print(scratchpad[i],HEX);
  Serial.println("");
 }

 Serial.print("CRC -> 0x");
 Serial.print(scratchpad[8],HEX);
 Serial.println("");
 Serial.println("");
}

輸出結果

輸出解析-精密度

在Datasheet中關於解析度的資料是存放於暫存器的第四位元，由R1(bit 6)及R0(bit 5)兩個位元值來顯示，bit 7值應為"0"，若為"1"就代表為測試模式，一般出廠時其位元值是設定為"0"。其他低五位(bit0~bit4)通常為1，可以不用去理它。

我們讀取到暫存器中的第四個位元值（byte)為0x3F（二進位為"00111111"），R1="0",R0="1"代表著此顆DS18B20目前設置的精確度為10位元。

結語

讀取暫存器的資料算是簡單的步驟，但卻是不可或缺，同時可以提供你對於掌握手中DS18B20的特性及處理有一精確的掌握。

有了暫存器資料，下一步，我們就可以來作CRC檢驗了！

DS18B20-溫度值計算

 基本的命令及讀取程序完備後，接下來要進入取值並計算成溫度值的程序。由下面DS18B20的讀取溫度值程序中，可以知道，在Arduino命令DS18B20啟動溫度轉換命令(0x44)後，待待其轉換時間750μs（DS18B20會將溫度值放入暫存區中），再進行重啟、省略ROM確認，再通知DS18B20開始讀取暫存器資料(0xbe)，此時DS18B20會依序（從暫存器依序從byte 0開始到byte 8）逐位元（從bit 0到bit 7）傳遞資料給Arduino。

而我們會讀取兩次資料，第一次會讀到的Byte為LS Byte（簡寫為LSB）為溫度值的低位元值，再讀一次，會讀到MS Byte（簡稱MSB）為溫度值的高位元值。而溫度值就是MSB+LSB的組合的轉換。

DS18B20的暫存器結構 

 下圖為DS18B20的官方資料，其中左方為暫存器(SCRATCHPAD)結構，及右方EEPROM資料，在此不多介紹EEPROM，簡單的說它就是上下限警告值及位元設定的資料。我們將焦點置於暫存器。

 

下圖是將官方的暫存器重繪後，並以啟始的狀態呈現。由下圖可看到DS18B20暫存器共有9個byte，但可區分為五個部份

1、溫度值（byte0~1）：存放量測到的溫度值，byte 0為溫度值的LSB，而byte 1為溫度值的MSB，以通電後之初值而言，LSB為[01010000]而MSB為[00000101]

2、警示溫度上下限（byte2~3）

3、精確度位元（byte 4）： 如下表，使用R1與R0來設定其位元精度（有效值）

4、無效區（byte5~7）：未使用

5、CRC檢驗碼（byte 8）：通CRC的運算的檢驗碼，可提供Arduino確認資料的正確性。

DS18B20溫測範圍及精度差異

 在了解DS18B20的暫存器後，下圖是DS18B20的量測溫度值、暫存器之二進位元輸出值及十六進位表示值。

由官方資料及表中可知，DS18B20量測的溫度區間為-55~+125℃（-10~85℃時精度為±0.5℃），在12位元的解析度時，其可分辨的溫度最小的量測單位為0.0625℃。

 

由MSB與LSB組成的溫度值

DS18B20的溫度值是用16位元（MSB+LSB）組合，如官方所提供的資料如下：

底下將其區段內容及計算的概念整理之。

溫度值區段

如上圖所示，溫度值位元資料其實是MSB+LSB的組合成十六位元(bit)資料，可區分為符號區、整數值區及精確度區。

符號區(MSB之bit3~bit7)：使用5個位元，當溫度值為正時皆為0，而當溫度值為負時則為1，故於程式設計時，只要MSB大於7就意謂著溫度值為負。

整數值區：使用7個位元，MSB之bit 0~2加LSB之bit 4~7組合而成。

精確度區：以12位元為例，正負號（1）+整數值（7）+小數點（4）共計為12位元，而一般作溫度數值計算時，會直接以12位元做計算，再取正確小數點既可。

溫度值計算

 有了上述的基礎知識後，接下來，就是計算的程序，整理如下圖：先判斷正負值，若為負值是做二補數處理並設定負號值，再將兩數結合運算乘於單位量測值0.0625，既得溫度值，若負號值為真，則補上負號，傳回溫度值。

下圖以溫度值-25.0625℃為例（資料於十六位元表示為FE6FH），在12位元的狀態下，其計算的變化：正負號判定、取反值、加1的位元變化（※"~"代表取反值，既0與1互換的動作）。

當初也被LSB負值的計算方式：[取反加一]的為何"加1"所困，後來了解後才知道，因為"0"被算到正值的陣營去了，只好用加1位補足。（詳細的部份，各位可用"二補數"作關鍵字搜索，再細探之）

程式說明

程式中有使用到位元運算反相(~)：0與1互換，向左移位(<<)的指令，不難，只是不習慣，可參考上圖的位元變化程序及程式說明，應可掌握

程式碼

float Caculate_Temperature(uint8_t temp_LSB , uint8_t temp_MSB)
{
 boolean  fp_minus = false;        //温度正負標誌：預設為false，因為通常為零度以上
 //當temp_MSB>7代表此溫度為負數值時，測到的數值需要先反相再加 1
 if(temp_MSB > 0x7f)  
 {
  fp_minus = true;      //溫度正負指標，負數時fg_Minus=0
  temp_MSB = ~temp_MSB;     //將temp_MSB中的每一位元反相（0、1互換）
  temp_LSB = ~temp_LSB + 1;
  //將temp_LSB中的每一位元反相（0、1互換），要記得加一，才能正確的反應其值
 }
 //以十六位元空箱來結合MSB及LSB
 uint16_t raw_temp =
     (((uint16_t)temp_MSB) << 8) |   //將MSB先用空的十六位元左移8個位元
     (((uint16_t)temp_LSB));
 //將十六位元的整數值再乘於0.0625的單位值，既得溫度值
 float fp_temp = raw_temp * 0.0625;
 if(fp_minus) {fp_temp = -fp_temp;} //當fp_minus是1，代表是負數，將溫度加上負號
 return fp_temp;
}

結語

此篇資料要花點時間了解，因為包含了DS18B20的硬體、暫存器及位元數值運算、位移等，當初研究時，也不怎麼順利，不過，一去二回，熟了就懂了，但其實只是不習慣而已，只要花點時間，相信就能掌握，而且一旦了解後，你會發覺，好像電子元件的運作就是這麼一回事，很簡單，但這個簡單(Simple)卻不容易(Easy)！

總算完成所有的準備功夫了，下一步，就最讀取溫度值了！

DS18B20-讀取溫度值【整合篇】

萬事俱備，整合吧！

 在上一篇中了解了DS18B20的暫存器架構及溫度值的計算後，本篇就是完成讀取溫度值的最後一步：整合！
底下我們從接線方式、程式架構及程式碼等三個方面依序說明！

接線方式

 再次重申，此程式只適用於Arduino與DS18B20於一對一的連接狀況下喲！此外，請注意，於Arduino的接線pin腳是7不是2，若你的接腳有調整時，請調整程式內的設定！

程式架構

底下之讀取溫度架構圖是關鍵函式-getTemp()的架構解析，而數字所標明的區域為前面所寫的工具副程式：

1、重啟程序（綠色）：Arduino將電位拉低並維持480μs，DS18B20應簽低電位值既代表重啟程序OK。

2、命令程序（藍色）：命令拆解成為位元，再使用寫位元(Write bit)程序使用DS18B20

3、讀取程序（黃色）：讀取DS18B20給予之位元值，並組合成一字元（Byte）

4、計算溫度值（紅色）：將讀取程序的位元值（LSB及MSB）轉換為溫度值

 除了整合上述四個工具副程式外，其中，要注意的是等待轉換的時間設定，
不同的位元（9-12位元）精密度有不同的轉換時間如下表所示，在這裡直接設定750μs，可確保其轉換時間充足。

程式碼及輸出

 程式碼有點長，但其實就是初始設定、關鍵程式庫（getTemp()-程式行號為17至31行）及工具程式碼的結合！
 

程式碼

const uint8_t  g_dq_pin =7; //Arduino數位腳位7接到DS18B20
#define Skip_ROM    0xcc //用於1對1時，省略每次作ROM序號確認程序
#define Convert_T   0x44 //啟動溫度轉換
#define Read_Scratchpad  0xbe //讀取暫存器值，有9個字元

void setup() {
 Serial.begin(9600);
 Serial.println("<>");
}

void loop() {
 Serial.print("DS18b20's Temperature ->");
 Serial.println(getTempC());
 delay(1000);
}

float getTempC()
{
 while(!CommandReset());       //重啟成功，再進行動作
 SendCommand(Skip_ROM);  //主機下0xcc命令（1對1的省略ROM確認作業）
 SendCommand(Convert_T);  //0x44啟動溫度轉換
 delay(750);
 //再次重啟，因為要作通訊作業
 while(!CommandReset());          //重啟成功，再進行動作
 SendCommand(Skip_ROM);        //主機下0xcc命令（1對1的省略ROM確認作業）
 SendCommand(Read_Scratchpad);   //0xBE溫度暫存器中的訊息（共9個字元）
 //前兩個字元就是溫度的訊息
 uint8_t LSB = ReceiveData();   //第一個讀到的是低位
 uint8_t MSB = ReceiveData();      //第二個讀到的是高位
 return Caculate_Temperature(LSB,MSB);
}

float Caculate_Temperature(uint8_t temp_LSB , uint8_t temp_MSB)
{
 boolean  fp_minus = false;        //温度正負標誌：預設為false，因為通常為零度以上
 if(temp_MSB > 0x7f)  //當temp_MSB>7代表此溫度為負數值時，測到的數值需要先反相再加 1
 {
  fp_minus = true;     //溫度正負指標，負數時fg_Minus=0
  temp_MSB = ~temp_MSB;     //將temp_MSB中的每一位元反相（0、1互換）
  temp_LSB = ~temp_LSB + 1;
  //將temp_LSB中的每一位元反相（0、1互換），要記得加一，才能正確的反應其值
 }
 //以十六位元空箱來結合MSB及LSB
 uint16_t raw_temp =
     (((uint16_t)temp_MSB) << 8) | //將MSB先用空的十六位元左移8個位元，等於乘256
     (((uint16_t)temp_LSB));
 float fp_temp = raw_temp * 0.0625;
 //將十六位元的整數值再乘於0.0625的單位值，既得溫度值
 if(fp_minus) {fp_temp = -fp_temp;} //當fp_minus是1，代表是負數，將溫度加上負號
 return fp_temp;
}

uint8_t ReceiveData()
{
 uint8_t byte_in=0;
 for(uint8_t i = 0; i < 8; i++)
 {
  //此時所測到的電位，就是此位元的資料
  if(ReadSlot()) {
   //看看此時主機線的電位狀況若為高位，就是1
   bitSet(byte_in, i);     //將byte_in第i個位元值，設置為1
  }
  else {
   bitClear(byte_in, i);   //將byte_in第i個位元值，設置為0
  }
 }
 return (byte_in);
}

uint8_t ReadSlot() {
 delayMicroseconds(1);
 pinMode(g_dq_pin, OUTPUT);       //轉為輸出，可達到高電位
 digitalWrite(g_dq_pin, LOW);   //將電位拉低告訴DS18B20，主機已準備好了
 delayMicroseconds(2);
 pinMode(g_dq_pin, INPUT);    //轉為輸入狀態，同時釋放線路
 delayMicroseconds(10);     //加前面的延時，約於12~13us時取樣
 uint8_t fp=digitalRead(g_dq_pin);
 delayMicroseconds(55);    //加上延時過渡此段作業時間60us
 return fp;
}

void SendCommand(uint8_t instruction)
{
 for(uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
  WriteSolt(bitRead(instruction, i));
 }
}

void WriteSolt(uint8_t order_bit)
{
 if(order_bit) {        //當值為1時的處理，
  pinMode(g_dq_pin, OUTPUT);      //先將pin腳改為輸出狀態
  digitalWrite(g_dq_pin, LOW);    //將電位拉低，等於通知DS18B20要do something
  delayMicroseconds(10);       //至少要等待1us，但於15us前轉為高電位
  pinMode(g_dq_pin, INPUT);     //將接收轉成INPUT狀態，轉為高電位
  delayMicroseconds(60);      //加前段的延時至少等待60us過此周期
 }
 else {           //當寫入值為'0'時，Tx拉低電位時段60~120us
  pinMode(g_dq_pin, OUTPUT);    //先轉為輸出狀態
  digitalWrite(g_dq_pin, LOW);   //將電位輸出低電位
  delayMicroseconds(65);         //靜靜的等待DS18B20來讀取資料
  pinMode(g_dq_pin, INPUT);      //釋放電位控制轉回輸入狀態
  delayMicroseconds(5);     //等待上拉電阻將電位復位為HIGH
 }
}

uint8_t CommandReset()
{
 pinMode(g_dq_pin, OUTPUT);
 digitalWrite(g_dq_pin, LOW);
 delayMicroseconds(720);
 pinMode(g_dq_pin, INPUT);
 delayMicroseconds(70);
 uint8_t is_exist = !digitalRead(g_dq_pin);
 delayMicroseconds(410);
 return is_exist;
}

程式輸出 

結語

 歷經了前面淺水區的練功期，再加上此階段的暫存器、溫度值轉換，如今，終於看到溫度值了！不過，高興一下就好！

這樣就結束了嗎？當然沒那麼簡單，讀到溫度值只是此階段的甜頭，但不是終點，因為，溫度值雖然出來了，但我們要保證讀取到DS18B20的溫度值是正確無誤，要達到這個功能就必須掌握DS18B20的檢核功能-CRC碼檢驗，只要通過了檢驗，就代表此數值無誤，我們可以安心使用了！

那麼，就讓我們邁入檢核程式階段吧！