周光海,鄭日榮,張長春

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院,廣州 510006)

引 言

傳統(tǒng)的模擬溫度測量抗干擾能力差,放大電路零點漂移大,導(dǎo)致測量值誤差大,難以達(dá)到所需精度。在實際應(yīng)用中,采用抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)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(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器,具有體積小、適用電壓寬、經(jīng)濟(jì)靈活的特點。它內(nèi)部使用了onboard專利技術(shù),全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一個形如三極管的集成電路內(nèi)。DS18B20有電源線、地線及數(shù)據(jù)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(zhǔn)確的溫度測量是很多嵌入式系統(tǒng)中重要的一點。在Linux操作系統(tǒng)下使用數(shù)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(shè)備驅(qū)動程序

在Linux中,驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分,它屏蔽了硬件細(xì)節(jié),是整個操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)。驅(qū)動程序與Linux內(nèi)核結(jié)合有兩種方式：在編譯內(nèi)核時,靜態(tài)地鏈接進(jìn)內(nèi)核;在系統(tǒng)運行時,以模塊加載的方式加載進(jìn)內(nèi)核。

驅(qū)動的對象是存儲器和外設(shè)。Linux將存儲器和外設(shè)分為3個基礎(chǔ)類：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備是指必須以串行順序依次進(jìn)行訪問的設(shè)備,不需要經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩沖;而塊設(shè)備要經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩沖,可以任意順序進(jìn)行訪問,以塊為單位進(jìn)行操作。字符設(shè)備和塊設(shè)備并沒有嚴(yán)格的界限,有些設(shè)備(如Flash)既可看作字符設(shè)備,也可作為塊設(shè)備來訪問。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備面向數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送而設(shè)計,并不對應(yīng)于文件系統(tǒng)節(jié)點。內(nèi)核與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信方式完全不同于內(nèi)核與字符設(shè)備、塊設(shè)備的通信方式。

DS18B20是單總線溫度傳感器,主機(jī)只能以“位”為單位對其進(jìn)行訪問。因此,在Linux系統(tǒng)中,將DS18B20作為一種典型的字符設(shè)備來訪問。

2 DS18B20的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 DS18B20的內(nèi)外結(jié)構(gòu)

DS18B20的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,VDD為電源輸入端,DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端,GND為電源地。

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(fā)器TH和TL、配置寄存器,如圖2所示。

圖1 DS18B20外部結(jié)構(gòu)

圖2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

64位ROM中,在產(chǎn)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(qū)分每一個DS18B20,從而更好地實現(xiàn)對現(xiàn)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(jié)組成,各字節(jié)定義如表1所列。

表1 暫存器字節(jié)分配表

配置寄存器用于用戶設(shè)置溫度傳感器的轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)置溫度傳感器的轉(zhuǎn)換精度：00,分辨率為9位,轉(zhuǎn)換時間為93.75 ms;01,分辨率為10位,轉(zhuǎn)換時間為187.5 ms;10,分辨率為11位,轉(zhuǎn)換時間為375 ms;11,分辨為12位,轉(zhuǎn)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(jié)為16位轉(zhuǎn)換后的溫度二進(jìn)制值,其中前4位為符號位,其余12位為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)值取反加1后,再乘上0.062 5。第0和第1字節(jié)各位的二進(jìn)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(yīng)用電路結(jié)構(gòu)

按DS18B20的供電方式,其應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)可分為如下3種：寄生電源供電方式;寄生電源強(qiáng)上拉供電方式;外部電源供電方式。實際應(yīng)用中,以外部電源供電方式為主。其應(yīng)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(jù)DS18B20的通信協(xié)議,MCU對其操作主要有如下3個步驟：讀寫之前,對 DS18B20發(fā)送約500 μ s的低電平進(jìn)行復(fù)位;復(fù)位成功,發(fā)送ROM指令;發(fā)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(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

選取mini2440開發(fā)板為硬件平臺(主芯片為Samsung公司的S3C2440),選取Linux的最新內(nèi)核Linux2.6.29為軟件平臺。通過mini2440的擴(kuò)展接口引出GPIO口(GPB1)為數(shù)據(jù)線DQ。

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

3.1 復(fù)位程序

對DS18B20進(jìn)行讀寫之前要對其復(fù)位初始化,以檢測DS18B20的存在。復(fù)位要求MCU將數(shù)據(jù)線下拉480～960 μ s,再釋放數(shù)據(jù)線 ,等待約 60 μ s。若 MCU 接收到DS18B20發(fā)出的存在低電平,則表示復(fù)位成功。

下面是復(fù)位程序代碼：

3.2 寫1字節(jié)子程序

發(fā)送ROM和 RAM指令,需向DS18B20寫入數(shù)據(jù)。寫1字節(jié)子程序如下：

3.3 讀N字節(jié)子程序

當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換完畢,需從DS18B20的RAM中讀取第0和第1字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

讀1字節(jié)子程序如下：

編者注：完整的程序代碼見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

4 結(jié) 論

本文采用模塊加載的方法來調(diào)試DS18B20的驅(qū)動程序。調(diào)試結(jié)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(jié)果可知,DS18B20驅(qū)動成功加載進(jìn)了Linux2.6.29內(nèi)核,能實時顯示當(dāng)前的溫度值。

圖5 溫度調(diào)試結(jié)果

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

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[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.