ARM9和Linux的DS18B20驅動程序研究

廖建尚

（廣東交通職業技術學院，廣州 510520）

引 言

隨著嵌入式技術的發展，基于ARM和Linux的嵌入式產品越來越多，DS18B20溫度采集傳感器在工業和生活上應用廣泛，研究開發基于ARM9和Linux的DS18B20的驅動程序可以滿足大部分溫度采集平臺的應用。

1 Linux設備驅動的開發過程

Linux操作系統通過各種驅動程序來操作硬件設備，它屏蔽了各種設備，設備驅動程序是操作系統內核和硬件之間的接口。從應用程序來看，硬件只是一個設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣操作硬件設備[1]。

1.1 設備的分類

Linux看待設備可區分為3種基本設備類型，分別為字符設備、塊設備和網絡設備：[2－3]

① 字符設備：字符設備是一種可以當作一個字節流來存取的設備，相當于一個文件，字符設備驅動通常實現open、close、read和write系統調用；

② 塊設備：如同字符設備，塊設備通過位于／dev目錄的文件系統結點來存取，塊設備驅動程序主要通過傳輸固定大小的隨機數據來訪問設備，塊設備驅動程序是核心內存與其他存儲介質之間的管道；

③ 網絡設備：網絡接口和一個已經掛載的塊設備類似，網絡接口使用特定的內核數據結構注冊，與外界進行數據交換時調用，與塊設備只響應來自內核的請求不同，Linux內核的網絡子系統被設計成完全與協議無關，網絡驅動程序異步地接收來自外界的數據包。

1.2 字符設備開發過程[1－3]

本項目開發的驅動程序都是字符設備驅動程序，因此簡單介紹字符設備的開發過程。

1.2.1 重要的文件操作接口函數file＿operation

file＿operation是一個字符驅動如何建立底層驅動與應用程序連接的結構體，包含以下重要的函數接口：

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

②ssize＿t（＊read）（struct file＊，char＿＿user＊，size＿t，loff＿t＊）：從設備中獲取數據，非負返回值代表成功讀取的字節數。

③ssize＿t（＊write）（struct file＊，const char＿＿user＊，size＿t，loff＿t＊）：發送數據給設備，非負返回值代表成功寫入的字節數。

④int（＊ioctl）（struct inode＊，struct file＊，unsigned int，unsigned long）：系統調用提供了發出設備特定命令的方法。

1.2.2 設備打開與關閉

open方法在應用程序調用open（）系統調用時被調用，作用是打開設備；release方法在應用程序調用close（）系統調用時被調用，作用是關閉設備。

1.2.3 驅動程序與應用程序交換數據

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進行數據的交換：

unsigned long copy＿to＿user（void＿＿user＊to，const void＊from，unsigned long count）：從內核空間拷貝數據到用戶空間；

unsigned long copy＿from＿user（void＊to，const void＿＿user＊from，unsigned long count）：從用戶空間拷貝數據到內核空間；

1.2.4 設備控制ioctl

設備控制接口如下：

① 應用程序調用接口：int ioctl（int fd，unsigned long cmd，…）；

② 設備驅動的相應接口：int（＊ioctl）（struct inode＊inode，struct file＊filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）。

應用程序通過ioctl發送命令，從而調用驅動接口的ioctl。

因此，在Linux字符設備驅動程序中主要實現open、read、write和ioctl函數分別對應Linux系統調用的open、read、write和ioctl來完成數據交互和設備操作。

2 溫度傳感器驅動軟件設計

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

① 初始化；

② 發送ROM操作指令；

③ 發送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DS18B20的讀寫協議以及操作指令和功能指令，可以得出DS18B20的復位過程如圖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DS18B20復位、讀寫操作過程，利用Linux編寫DS18B20驅動程序。過程描述如下。

（1）復位操作流程

① 設總線為輸出模式；

② 向總線發送一個上升沿，保持高電平100ms；

③ 向總線發送一個下降沿，保持低電平800ms；

④ 向總線發送一個上升沿，延時100ms；

⑤ 設總線為輸入模式；

⑥ 判斷總線狀態，如果為低電平，則復位成功。

圖1 復位操作流程

（2）寫操作流程

① 設總線為輸出模式，并設置8次循環；

② 向總線發送一個下降沿，保持低電平；

③ 判斷寫入數據是0還是1，如果是1，則向總線發送一個上升沿，保持高電平；如果是0，則保持總線低電平不變；

④ 延時60ms，設總線為高電平，再延時15ms；

⑤ 循環操作步驟②～④；

⑥ 設總線為高電平。

圖2 寫操作流程

（3）讀操作流程

① 設循環次數為8；

② 設總線為輸出，向總線發送一個下降沿，保持低電平，并延時1ms；

③ 向總線發送一個上升沿，并設為輸入；

④ 讀總線狀態，并保存為1位，并延時60ms；

⑤ 循環操作步驟②～④，讀取1個字節數據。

圖3 讀操作流程

（4）溫度讀寫過程

① 循環判斷DS18B20直到復位，延時120ms；

② 寫入CCH命令，跳過讀序列號過程；

③ 寫入44H命令，開始溫度轉換，延時5ms；

④ 循環判斷DS18B20直到復位，延時200ms；

⑤ 寫入CCH命令，跳過讀序列號過程；

⑥ 寫入BEH命令，讀取寄存器；

⑦ 讀溫度整數部分；

⑧ 讀溫度小數部分。

（5）驅動程序編寫[5－6]

選定S3C2440一個GPIO引腳作為連接DS18B20的數據線，經過查電路圖和S3C2440的芯片手冊，選擇GPF3為連接引腳；

主要對GPF的控制寄存器GPFCON和數據寄存器GPFDAT進行操作，GPF3主要對應GPFCON第6位和第7位，以及GPFDAT的第3位進行操作；對GPFCON[7：6]設00為輸入，設01為輸出；GPFDAT[3]設為輸入時，相應的位即為引腳的狀態，設為輸出則可以對引腳進行置1和置0操作；

結合S3C2440的寄存器GPFCON和GPFDAT，以及DS18B20時序，可以利用C語言編寫Linux下驅動程序，本驅動程序采用實現read接口函數的字符設備驅動。

3 部分代碼

（1）復位代碼

（2）寫字節代碼

（3）讀字節代碼

（4）一次數據讀取過程

最后將data通過read接口函數發送到用戶層——copy＿to＿user（buf，data，2），即將8位整數和8位小數部分送到用戶層，完成一次數據讀取過程。

4 系統運行與測試

加載驅動后，通過用戶層調用驅動程序，圖4為通過串口調試測試結果。

圖4 串口調試測試結果

結 語

完成了基于ARM9和Linux2.6.30的DS18B20驅動程序編寫，實現了溫度數據的采集以及傳輸。以ARM9為平臺，基于Linux2.6.30開發DS18B20的驅動程序，以模塊的形式加載到內核，最后通過應用層調用驅動，獲得溫度數據。

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

[2] DanielP.Bovet.Understanding the Linux Kernel[M].北京：中國電力出版社，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.