基于Linux的溫度傳感器DS18B20驅動程序設計※

周光海,鄭日榮,張長春

(廣東工業大學 自動化學院,廣州 510006)

引 言

傳統的模擬溫度測量抗干擾能力差,放大電路零點漂移大,導致測量值誤差大,難以達到所需精度。在實際應用中,采用抗干擾能力強的數字溫度傳感器是解決上述問題的有效辦法。

DS18B20是Dallas公司生產的數字溫度傳感器,具有體積小、適用電壓寬、經濟靈活的特點。它內部使用了onboard專利技術,全部傳感元件及轉換電路集成在一個形如三極管的集成電路內。DS18B20有電源線、地線及數據線3根引腳線,工作電壓范圍為 3～5.5 V,支持單總線接口。

準確的溫度測量是很多嵌入式系統中重要的一點。在Linux操作系統下使用數字溫度傳感器DS18B20,不僅可以得到高精度的溫度測量值,而且硬件簡單可靠。

1 Linux的設備驅動程序

在Linux中,驅動程序是內核的一部分,它屏蔽了硬件細節,是整個操作系統的基礎。驅動程序與Linux內核結合有兩種方式：在編譯內核時,靜態地鏈接進內核;在系統運行時,以模塊加載的方式加載進內核。

驅動的對象是存儲器和外設。Linux將存儲器和外設分為3個基礎類：字符設備、塊設備、網絡設備。字符設備是指必須以串行順序依次進行訪問的設備,不需要經過系統的快速緩沖;而塊設備要經過系統的快速緩沖,可以任意順序進行訪問,以塊為單位進行操作。字符設備和塊設備并沒有嚴格的界限,有些設備(如Flash)既可看作字符設備,也可作為塊設備來訪問。網絡設備面向數據包的接收和發送而設計,并不對應于文件系統節點。內核與網絡設備的通信方式完全不同于內核與字符設備、塊設備的通信方式。

DS18B20是單總線溫度傳感器,主機只能以“位”為單位對其進行訪問。因此,在Linux系統中,將DS18B20作為一種典型的字符設備來訪問。

2 DS18B20的結構和工作原理

2.1 DS18B20的內外結構

DS18B20的外部結構如圖1所示。其中,VDD為電源輸入端,DQ為數字信號輸入/輸出端,GND為電源地。

DS18B20內部結構主要包括4部分：64位光刻 ROM 、溫度傳感器、非易失的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器,如圖2所示。

圖1 DS18B20外部結構

圖2 DS18B20內部結構

64位ROM中,在產品出廠前就被廠家通過光刻刻錄好了64位序列號。該序列號可以看作是DS18B20的地址序列碼,用來區分每一個DS18B20,從而更好地實現對現場溫度的多點測量。

圖2中的暫存器是DS18B20中最重要的寄存器。暫存器由9個字節組成,各字節定義如表1所列。

表1 暫存器字節分配表

配置寄存器用于用戶設置溫度傳感器的轉換精度,其各位定義如下：

T M R1 R0 1 1 1 1 1

TM位是測試模式位,用于設置DS18B20是工作模式(0)還是測試模式(1),其出廠值為0。R1、R0用于設置溫度傳感器的轉換精度：00,分辨率為9位,轉換時間為93.75 ms;01,分辨率為10位,轉換時間為187.5 ms;10,分辨率為11位,轉換時間為375 ms;11,分辨為12位,轉換時間為750 ms。R1、R0的出廠值為11。其余5位值始終為1。

第0和第1字節為16位轉換后的溫度二進制值,其中前4位為符號位,其余12位為轉換后的數據位(分辨率為12位)。如果溫度大于0,則前4位值為0,只要將測到的數值乘上0.062 5即可得到實際溫度值;如果溫度小于0,則前4位為1,需將測得的數值取反加1后,再乘上0.062 5。第0和第1字節各位的二進制值如下：

LSB(0) 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 HSB(1) S S S S 27 26 25 24

2.2 DS18B20的應用電路結構

按DS18B20的供電方式,其應用電路結構可分為如下3種：寄生電源供電方式;寄生電源強上拉供電方式;外部電源供電方式。實際應用中,以外部電源供電方式為主。其應用原理圖如圖3所示。

圖3 外部電源供電原理圖

2.3 DS18B20的工作原理

根據DS18B20的通信協議,MCU對其操作主要有如下3個步驟：讀寫之前,對 DS18B20發送約500 μ s的低電平進行復位;復位成功,發送ROM指令;發送RAM 指令。MCU對DS18B20的具體操作流程如圖4所示。

圖4 DS18B20操作流程

3 Linux的DS18B20驅動程序實現

選取mini2440開發板為硬件平臺(主芯片為Samsung公司的S3C2440),選取Linux的最新內核Linux2.6.29為軟件平臺。通過mini2440的擴展接口引出GPIO口(GPB1)為數據線DQ。

DS18B20為單總線器件,因此對其操作的時序比較嚴格。DS18B20驅動最終能否得以正常運行,獲得實時溫度值,關鍵在于能否正確地編寫復位程序、位寫程序和位讀程序。

3.1 復位程序

對DS18B20進行讀寫之前要對其復位初始化,以檢測DS18B20的存在。復位要求MCU將數據線下拉480～960 μ s,再釋放數據線 ,等待約 60 μ s。若 MCU 接收到DS18B20發出的存在低電平,則表示復位成功。

下面是復位程序代碼：

3.2 寫1字節子程序

發送ROM和 RAM指令,需向DS18B20寫入數據。寫1字節子程序如下：

3.3 讀N字節子程序

當溫度轉換完畢,需從DS18B20的RAM中讀取第0和第1字節的二進制數據。

讀1字節子程序如下：

編者注：完整的程序代碼見本刊網站www.mesnet.com.cn。

4 結 論

本文采用模塊加載的方法來調試DS18B20的驅動程序。調試結果如圖5所示。

圖5顯示的是手離開DS18B20后溫度值不斷降低的情況。由顯示結果可知,DS18B20驅動成功加載進了Linux2.6.29內核,能實時顯示當前的溫度值。

圖5 溫度調試結果

[1]Corbet Jonathan,Rubini Alessandro,Kroah-Hartman Greg.Linux設備驅動程序[M].3版.魏永明,譯.北京：中國電力出版社,2006.

[2]宋寶華.Linux設備驅動開發詳解[M].北京：人民郵電出版社,2008.

[3]孫瓊.嵌入式Linux應用程序開發詳解[M].北京：人民郵電出版社,2006.

[4]邵自然,呂格莉.基于嵌入式Linux的SD卡驅動程序的設計與實現[J].計算機時代 2006(8)：37-39.

[5]Dallas Semiconductor.DS18B20 datasheet[OL].[2009-09].http：//www.dalsemi.com.

[6]電子驛站[OL].[2009-09].http：//www.ourmpu.com/index.htm.