ARM9和Linux的DS18B20驅(qū)動(dòng)程序研究

廖建尚

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510520）

引 言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于ARM和Linux的嵌入式產(chǎn)品越來(lái)越多，DS18B20溫度采集傳感器在工業(yè)和生活上應(yīng)用廣泛，研究開發(fā)基于ARM9和Linux的DS18B20的驅(qū)動(dòng)程序可以滿足大部分溫度采集平臺(tái)的應(yīng)用。

1 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)過(guò)程

Linux操作系統(tǒng)通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)程序來(lái)操作硬件設(shè)備，它屏蔽了各種設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口。從應(yīng)用程序來(lái)看，硬件只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣操作硬件設(shè)備[1]。

1.1 設(shè)備的分類

Linux看待設(shè)備可區(qū)分為3種基本設(shè)備類型，分別為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：[2－3]

① 字符設(shè)備：字符設(shè)備是一種可以當(dāng)作一個(gè)字節(jié)流來(lái)存取的設(shè)備，相當(dāng)于一個(gè)文件，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)通常實(shí)現(xiàn)open、close、read和write系統(tǒng)調(diào)用；

② 塊設(shè)備：如同字符設(shè)備，塊設(shè)備通過(guò)位于／dev目錄的文件系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)來(lái)存取，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要通過(guò)傳輸固定大小的隨機(jī)數(shù)據(jù)來(lái)訪問(wèn)設(shè)備，塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是核心內(nèi)存與其他存儲(chǔ)介質(zhì)之間的管道；

③ 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)接口和一個(gè)已經(jīng)掛載的塊設(shè)備類似，網(wǎng)絡(luò)接口使用特定的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)注冊(cè)，與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)調(diào)用，與塊設(shè)備只響應(yīng)來(lái)自內(nèi)核的請(qǐng)求不同，Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成完全與協(xié)議無(wú)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序異步地接收來(lái)自外界的數(shù)據(jù)包。

1.2 字符設(shè)備開發(fā)過(guò)程[1－3]

本項(xiàng)目開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序都是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，因此簡(jiǎn)單介紹字符設(shè)備的開發(fā)過(guò)程。

1.2.1 重要的文件操作接口函數(shù)file＿operation

file＿operation是一個(gè)字符驅(qū)動(dòng)如何建立底層驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用程序連接的結(jié)構(gòu)體，包含以下重要的函數(shù)接口：

①int（＊open）（struct inode＊，struct file＊）：打開設(shè)備操作。

②ssize＿t（＊read）（struct file＊，char＿＿user＊，size＿t，loff＿t＊）：從設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，非負(fù)返回值代表成功讀取的字節(jié)數(shù)。

③ssize＿t（＊write）（struct file＊，const char＿＿user＊，size＿t，loff＿t＊）：發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備，非負(fù)返回值代表成功寫入的字節(jié)數(shù)。

④int（＊ioctl）（struct inode＊，struct file＊，unsigned int，unsigned long）：系統(tǒng)調(diào)用提供了發(fā)出設(shè)備特定命令的方法。

1.2.2 設(shè)備打開與關(guān)閉

open方法在應(yīng)用程序調(diào)用open（）系統(tǒng)調(diào)用時(shí)被調(diào)用，作用是打開設(shè)備；release方法在應(yīng)用程序調(diào)用close（）系統(tǒng)調(diào)用時(shí)被調(diào)用，作用是關(guān)閉設(shè)備。

1.2.3 驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)

交換的方式最直接的方法是在struct file＿operation中的read／write方法中與用戶空間的buffer進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換：

unsigned long copy＿to＿user（void＿＿user＊to，const void＊from，unsigned long count）：從內(nèi)核空間拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間；

unsigned long copy＿from＿user（void＊to，const void＿＿user＊from，unsigned long count）：從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間；

1.2.4 設(shè)備控制ioctl

設(shè)備控制接口如下：

① 應(yīng)用程序調(diào)用接口：int ioctl（int fd，unsigned long cmd，…）；

② 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的相應(yīng)接口：int（＊ioctl）（struct inode＊inode，struct file＊filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）。

應(yīng)用程序通過(guò)ioctl發(fā)送命令，從而調(diào)用驅(qū)動(dòng)接口的ioctl。

因此，在Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中主要實(shí)現(xiàn)open、read、write和ioctl函數(shù)分別對(duì)應(yīng)Linux系統(tǒng)調(diào)用的open、read、write和ioctl來(lái)完成數(shù)據(jù)交互和設(shè)備操作。

2 溫度傳感器驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

DS18B20采用獨(dú)特的單總線接口方式，每只DS18B20都有一個(gè)唯一存儲(chǔ)在ROM中的64位編碼。最前面8位是單線系列編碼：28H，接著的48位是一個(gè)唯一的序列號(hào)，最后8位是以上56位的CRC編碼。通過(guò)單線總線端口訪問(wèn)DS18B20的協(xié)議如下[4]：

① 初始化；

② 發(fā)送ROM操作指令；

③ 發(fā)送DS18B20功能指令。

主要功能指令，如表1所列。

表1 DS18B20功能指令

根據(jù)DS18B20的讀寫協(xié)議以及操作指令和功能指令，可以得出DS18B20的復(fù)位過(guò)程如圖1所示，寫操作流程如圖2所示，讀操作流程如圖3所示。

根據(jù)DS18B20復(fù)位、讀寫操作過(guò)程，利用Linux編寫DS18B20驅(qū)動(dòng)程序。過(guò)程描述如下。

（1）復(fù)位操作流程

① 設(shè)總線為輸出模式；

② 向總線發(fā)送一個(gè)上升沿，保持高電平100ms；

③ 向總線發(fā)送一個(gè)下降沿，保持低電平800ms；

④ 向總線發(fā)送一個(gè)上升沿，延時(shí)100ms；

⑤ 設(shè)總線為輸入模式；

⑥ 判斷總線狀態(tài)，如果為低電平，則復(fù)位成功。

圖1 復(fù)位操作流程

（2）寫操作流程

① 設(shè)總線為輸出模式，并設(shè)置8次循環(huán)；

② 向總線發(fā)送一個(gè)下降沿，保持低電平；

③ 判斷寫入數(shù)據(jù)是0還是1，如果是1，則向總線發(fā)送一個(gè)上升沿，保持高電平；如果是0，則保持總線低電平不變；

④ 延時(shí)60ms，設(shè)總線為高電平，再延時(shí)15ms；

⑤ 循環(huán)操作步驟②～④；

⑥ 設(shè)總線為高電平。

圖2 寫操作流程

（3）讀操作流程

① 設(shè)循環(huán)次數(shù)為8；

② 設(shè)總線為輸出，向總線發(fā)送一個(gè)下降沿，保持低電平，并延時(shí)1ms；

③ 向總線發(fā)送一個(gè)上升沿，并設(shè)為輸入；

④ 讀總線狀態(tài)，并保存為1位，并延時(shí)60ms；

⑤ 循環(huán)操作步驟②～④，讀取1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

圖3 讀操作流程

（4）溫度讀寫過(guò)程

① 循環(huán)判斷DS18B20直到復(fù)位，延時(shí)120ms；

② 寫入CCH命令，跳過(guò)讀序列號(hào)過(guò)程；

③ 寫入44H命令，開始溫度轉(zhuǎn)換，延時(shí)5ms；

④ 循環(huán)判斷DS18B20直到復(fù)位，延時(shí)200ms；

⑤ 寫入CCH命令，跳過(guò)讀序列號(hào)過(guò)程；

⑥ 寫入BEH命令，讀取寄存器；

⑦ 讀溫度整數(shù)部分；

⑧ 讀溫度小數(shù)部分。

（5）驅(qū)動(dòng)程序編寫[5－6]

選定S3C2440一個(gè)GPIO引腳作為連接DS18B20的數(shù)據(jù)線，經(jīng)過(guò)查電路圖和S3C2440的芯片手冊(cè)，選擇GPF3為連接引腳；

主要對(duì)GPF的控制寄存器GPFCON和數(shù)據(jù)寄存器GPFDAT進(jìn)行操作，GPF3主要對(duì)應(yīng)GPFCON第6位和第7位，以及GPFDAT的第3位進(jìn)行操作；對(duì)GPFCON[7：6]設(shè)00為輸入，設(shè)01為輸出；GPFDAT[3]設(shè)為輸入時(shí)，相應(yīng)的位即為引腳的狀態(tài)，設(shè)為輸出則可以對(duì)引腳進(jìn)行置1和置0操作；

結(jié)合S3C2440的寄存器GPFCON和GPFDAT，以及DS18B20時(shí)序，可以利用C語(yǔ)言編寫Linux下驅(qū)動(dòng)程序，本驅(qū)動(dòng)程序采用實(shí)現(xiàn)read接口函數(shù)的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

3 部分代碼

（1）復(fù)位代碼

（2）寫字節(jié)代碼

（3）讀字節(jié)代碼

（4）一次數(shù)據(jù)讀取過(guò)程

最后將data通過(guò)read接口函數(shù)發(fā)送到用戶層——copy＿to＿user（buf，data，2），即將8位整數(shù)和8位小數(shù)部分送到用戶層，完成一次數(shù)據(jù)讀取過(guò)程。

4 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

加載驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)用戶層調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，圖4為通過(guò)串口調(diào)試測(cè)試結(jié)果。

圖4 串口調(diào)試測(cè)試結(jié)果

結(jié) 語(yǔ)

完成了基于ARM9和Linux2.6.30的DS18B20驅(qū)動(dòng)程序編寫，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的采集以及傳輸。以ARM9為平臺(tái)，基于Linux2.6.30開發(fā)DS18B20的驅(qū)動(dòng)程序，以模塊的形式加載到內(nèi)核，最后通過(guò)應(yīng)用層調(diào)用驅(qū)動(dòng)，獲得溫度數(shù)據(jù)。

[1] Jonahan Corbet.Linux Device Drivers[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.

[2] DanielP.Bovet.Understanding the Linux Kernel[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007：354－669.

[3] W Richard Stevens.Advanced Progamming in the UNIX Environment Fourth Edition[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4] Maxim Integrated.DS18B20－Programmable Resolution 1－Wire Digital Thermometer[EB／OL].[2012－12－17].http：／／www.alldatasheet.com／datasheet－pdf／pdf／58557／DALLAS／DS18B20.html.

[5] ARM9處理 器系列[EB／OL].[2012－12－17].http：／／www.arm.com／zh／products／processors／classic／arm9／index.php.

[6] S3C2440 32－BIT RISC MICROPROCESSOR USER'S MANUAL，2004.