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        數(shù)字溫度傳感器DS1621在Linux下的IIC接口驅(qū)動設計

        2011-02-15 03:29:16朱瑜亮黃曉革
        電子設計工程 2011年2期
        關鍵詞:驅(qū)動程序溫度傳感器內(nèi)核

        朱瑜亮,黃曉革

        (電子科技大學 電子工程學院,四川 成都 610054)

        IIC總線作為一種串行傳輸總線,其使用連線少,結構簡單,是一種應用廣泛的高性能總線方式。而Linux作為一個源代碼公開、易于裁剪的操作系統(tǒng),非常適合于嵌入式系統(tǒng)的應用。Linux操作系統(tǒng)下的嵌入式設備驅(qū)動,通過IIC總線,實現(xiàn)ARM與外圍模塊間的協(xié)同工作,有著廣泛的應用。

        1 IIC總線協(xié)議以及選用芯片功能

        1.1 IIC總線的特點以及工作協(xié)議

        IIC串行總線由兩根信號線組成:一根雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線SDA;另一根是時鐘線SCL。IIC總線通過簡單的結構即能實現(xiàn)半雙工的同步數(shù)據(jù)傳輸。

        IIC總線采用一主多從的運行機制,在同一時間只能有一臺設備作為主設備,總線的運行由主設備控制,主設備控制數(shù)據(jù)的傳送起始信號、發(fā)出時鐘信號、從機地址信號、數(shù)據(jù)信號,由接收數(shù)據(jù)方在傳送結束時發(fā)出應答信號,每個IIC總線上的設備都有一個唯一的地址,和主設備進行通信。

        IIC總線時序[1]如圖1所示,在IIC總線使用過程中,傳輸開始和停止的條件如下:當SCL持續(xù)為“1”而SDA從“1”變?yōu)椤?”時表示將要開始發(fā)送數(shù)據(jù);而當 SCL持續(xù)為“1”而SDA從“0”變?yōu)椤?”表示停止發(fā)送數(shù)據(jù)。其中SDA線上的數(shù)據(jù)在時鐘線SCL為“1”期間必須是穩(wěn)定的,只有當SCL線上的時鐘信號為低時數(shù)據(jù)線上的狀態(tài)才能改變。

        圖1 IIC總線時序Fig.1 Sequence of IICbus

        SDA線上的每個字節(jié)必須為8位,每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)不限制,每發(fā)送1個字節(jié)都有1個ACK應答位。

        1.2 選用ARM9芯片功能介紹

        MCU采用某公司的S3C2440芯片,S3C2440A是某公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器,主要面向手持設備以及高性價比、低功耗的應用,且集成了1個IIC總線控制器,能夠方便的與帶有IIC接口外設的通信。

        1.3 數(shù)字溫度傳感器DS1621的芯片功能介紹

        DS1621是DALLAS公司生產(chǎn)的一種功能強大的數(shù)字式溫度傳感器和恒溫控制器。接口與IIC總線兼容,一片控制器控制可控制多達8片的DS1621,工作電壓為2.7~5.5 V,適用于低功耗應用系統(tǒng)。

        DS1621可作為恒溫控制器單獨使用,也可通過2線接口在ARM的控制下完成溫度的測量及計算??梢酝ㄟ^寄存器設置調(diào)整。DS1621無需外圍元件即可測量溫度,結果以9位數(shù)字量(兩字節(jié))給出,測量范圍為-55~+155℃,精度為0.5℃;典型轉(zhuǎn)換時間為1 s。

        2 電路結構設計

        設計采用了S3C2440作為電路中的主設備,控制IIC總線上從器件,由主設備控制IIC總線上的時鐘信號以及各種數(shù)據(jù)信號。采用2片DS1621作為IIC總線上的從設備,由于DS1621具備IIC總線接口,可直接與S3C2440的SDA和SCL 腳相接,通過對 DS1621 的 A2、A1、A0 腳(5、6、7 腳)組合輸入不同的片選信號,可以確定其在IIC總線下工作的從機地址。因為IIC從設備一般都是MOS工藝,所以總線都有上拉電阻。工作時,通過IIC總線將DS1621設置為溫度傳感器功能和逐次獲取數(shù)據(jù)的工作方式,電路的原理圖設計如圖2所示。

        圖2 硬件電路原理圖Fig.2 Schematic of hardware design

        3 驅(qū)動程序設計

        在Linux下的驅(qū)動程序?qū)⑺性O備看作文件,驅(qū)動程序則為應用程序和硬件設備之間提供了操作訪問的接口,使應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備操作訪問。Linux內(nèi)核把驅(qū)動程序劃分為3種類型[3-4]:字符設備、塊設備和網(wǎng)絡設備。其中,字符設備和塊設備可以像文件一樣被訪問。DS1621的IIC驅(qū)動屬于字符設備。

        開始工作時,DS1621的工作方式是由片上的設置/狀態(tài)寄存器來決定的:1)當通過IIC總線向DS1621寫入讀寫設置命令ACh之后ARM發(fā)出的一字節(jié)將設置DS1621的工作方式,然后發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令EEh,讀溫度命令AAh;2)DONE比特位表示工作在測溫功能時,溫度數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)換完畢,保存在非易失性寄存器中;3)THF、TLF是DS1621作為恒溫器時的狀態(tài)標識位,當超過TH預置值或低于TL預置值時被置為1;4)1SHOT為一次模式位,該位為1時每次收到溫度轉(zhuǎn)換命令就執(zhí)行一次溫度轉(zhuǎn)換,為0時將執(zhí)行連續(xù)溫度轉(zhuǎn)換。DS1621寄存器配置如圖3所示。

        圖3 DS1621寄存器配置Fig.3 Register configuration of DS1621

        在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn),若使用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式時,在極少數(shù)情況下出現(xiàn)數(shù)據(jù)明顯不正確,故采用了逐次讀取數(shù)據(jù)模式,即逐次配置DS1621的溫度轉(zhuǎn)換,逐次獲取數(shù)據(jù),并每次判斷DS1621工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)范圍和精度,從而獲得了更加穩(wěn)定、精確的實驗結果。

        驅(qū)動程序的功能包括:初始化以及釋放硬件設備;S3C2440通過IIC總線對DS1621的控制寄存器進行配置;S3C2440讀取DS1621寄存器內(nèi)的溫度數(shù)據(jù),通過接口函數(shù),將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間發(fā)送到用戶空間。驅(qū)動程序設計流程圖如圖4所示。

        圖4 驅(qū)動程序設計Fig.4 Design of driver program

        3.1 設備驅(qū)動的主要函數(shù)

        對于字符設備,Linux內(nèi)核對這些操作進行了統(tǒng)一的抽象,把它們定義在結構體file-operation中。通常,字符設備提供給應用程序的是一個流控制接口[5],主要包括open、release、read、ioctl等。

        struct file_operations ds1621_fops={

        ……

        read: ds1621_read,

        open: ds1621_open,

        release:ds1621_release,

        };

        3.2 從器件,設備DS1621的初始化代碼

        static int__init ds1621_init(void){

        int result;

        result = devfs_register_chrdev (ds1621_MAJOR,"ds1621",&ds1621_fops);//注冊設備 DS1621

        ……

        devfs_ds1621 = devfs_register (NULL,"ds1621",DEVFS_FL_DEFAULT, ds1621_major, 0, S_IFCHR |S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP, &ds1621_fops,NULL);

        ……

        }

        3.3 IIC總線的初始化

        對S3C2440的IIC控制器進行配置時需要用到的寄存器[2]有:IICCON、IICSTAT、IICDS、IICADD。

        IICCON:IIC總線控制寄存器;IICSTAT:IIC總線控制狀態(tài)寄存器;IICDS:IIC總線接收/發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器;IICADD:IIC總線地址寄存器。

        1)S3C2440的GPE15為 IICSDA,是串行數(shù)據(jù)線端口,GPE14為IICSCL,是串行時鐘線;

        2)將IICCON設置為:0xA7,表示傳輸過程中ACK應答使能,IIC的工作時鐘為:IICCLK=fpclk/512,IIC總線中斷使能,數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘為:Tx clock=IICCLK/(IICCON[3:0]+1),約為 400 k/s;

        3)將IICSTAT置為:0x10,即使用從器件接收數(shù)據(jù)模式,數(shù)據(jù)輸出/接收使能。

        static void init_i2c_bus(void){

        ……

        ret= (1<<7) |(1<<6) |(1<<5) |(0x7);

        *(volatile unsigned*)(rIICCON)=ret;

        *(volatile unsigned*)(rIICADD)=0x10;//設置 S3C2440從機地址

        * (volatile unsigned*)(rIICSTAT)=0x10;//IIC 總線數(shù)據(jù)輸出使能

        }

        static int__init i2c_init(void){

        init_i2c_bus(); //IIC 總線初始化

        result=request_irq(IRQ_IIC,iic_handler, 0,"i2cdriver",NULL); //注冊 IIC 中斷

        enable_irq(IRQ_IIC); //IIC 中斷函數(shù)使能

        ……

        }

        3.4 主器件從IIC總線讀數(shù)據(jù)

        對于DS1621的寄存器配置,當通過IIC讀取從器件DS1621的數(shù)據(jù)時,需要切換數(shù)據(jù)收發(fā)的方向,S3C2440先在主機發(fā)送數(shù)據(jù)模式下,向從器件DS1621發(fā)送從地址、DS1621內(nèi)部寄存器的子地址和寫信號位,然后在主機接收數(shù)據(jù)模式下,再次向從器件發(fā)送從地址和讀信號位,并將子地址內(nèi)的數(shù)據(jù)讀回,其讀數(shù)據(jù)操作如圖5所示。

        圖5 IIC總線讀數(shù)據(jù)操作Fig.5 Reading data operation of IICbus

        其中S為發(fā)送開始標志START,W為寫信號位,R為讀信號位,A為ACK應答信號,RS為重復開始信號REPEATED START,NA為主機收回數(shù)據(jù)后發(fā)送的NACK信號,P為停止信號STOP。

        static int read_one_byte(char*ch1,int slvAddr,int subAddr){

        ……

        _iicMode=SETRDADDR;//工作在設置地址模式下

        _iicReadData[0]= (int)subAddr;//設置從機的子地址

        ……

        *(volatile unsigned*)(rIICDS)=slvAddr;//寫從機地址

        * (volatile unsigned*)(rIICSTAT)=0xf0;//主機開始發(fā)送從機地址

        ……

        _iicMode =RDDATA;//設置IIC在讀數(shù)據(jù)模式下

        _iicDataCount=1;//傳輸數(shù)據(jù)為1個字節(jié)

        *(volatile unsigned*)(rIICDS)=(slvAddr+0x01);

        * (volatile unsigned*)(rIICSTAT)=0xb0;//主機開始接收從機數(shù)據(jù)

        ……

        *ch1=_iicReadData[1];//保存讀回的從機數(shù)據(jù)

        ……

        }

        3.5 主器件向IIC總線寫數(shù)據(jù)

        static int write_one_byte(char ch,int slvAddr){

        ……

        _iicMode=WRDATA; //IIC工作在寫模式下

        *(volatile unsigned*)(rIICDS)=slvAddr;//從機地址放入IIC數(shù)據(jù)移位寄存器

        * (volatile unsigned*)(rIICSTAT)=0xf0;//主機通過 IIC開始發(fā)送數(shù)據(jù)

        ……

        * (volatile unsigned*)(rIICSTAT) =0xd0;//停止主機發(fā)送數(shù)據(jù)模式

        ……

        }

        3.6 S3C2440從DS1621獲得溫度數(shù)據(jù),保存在內(nèi)核空間并傳送到用戶空間

        static ssize_t ds1621_read (struct file*filp, char*buf,size_t count, loff_t*f_pos){

        ds1621_config(); //配置1621為逐次讀取溫度模式

        read_one_byte (&temp1 [0], ds1621_NO3,ds1621_CONFIG); //查看1621寄存器狀態(tài)

        copy_to_user(buf,temp1,1);//查看標志位,是否已經(jīng)獲得了溫度數(shù)據(jù)值

        read_two_byte (&temp1 [0],&temp1[1],ds1621_NO3,RD_TEMP); //讀取 1621溫度寄存器

        copy_to_user(buf+1,temp1,2); //將 溫 度 數(shù) 據(jù) 傳 給 應用程序

        ……

        }

        4 驅(qū)動的加載以及測試

        應用程序?qū)Ⅱ?qū)動從內(nèi)核空間獲得的數(shù)據(jù)保存下來,首先根據(jù)傳回的DONE比特位判斷溫度傳感器是否正在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中,如果是,則拋棄該數(shù)據(jù),并打印數(shù)據(jù)不可用的信息;如果否,則接下來根據(jù)精度位判斷小數(shù)點后的數(shù)據(jù)值,并將結果打印出來。

        int main()

        {

        ……

        fd=open("/dev/ds1621",O_RDWR);

        if(fd<0)

        {

        printf("can't open device ");

        exit(0);

        }

        while(1){

        ioctl(fd,1,&arg);

        ret=read(fd,temp,6);//將數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)讀回用戶態(tài)

        if((temp[0]&0x80)!=0)//判斷溫度傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化是

        否完成

        {

        if((temp[2]&0x80)!=0) //判斷數(shù)據(jù)的精度位printf(" temp_no3=%d.5C ",temp[1]);

        else printf(" temp_no3=%d.0C ",temp[1]);

        }

        else

        printf("No.3 not converted yet! ");

        ……

        }

        close(fd);

        }

        最后將驅(qū)動程序編譯成模塊,可以動態(tài)地加載、卸載設備驅(qū)動[6],不用重新啟動系統(tǒng)就能查看驅(qū)動程序結果,方便了驅(qū)動的編寫與調(diào)試工作。

        經(jīng)過動態(tài)編譯后,得到目標文件iic.o、1621.o以及應用程序1621_iic_test,將文件下載到S3C2440中,通過 #insmod iic.o、#insmod 1621.o加載模塊,#./1621_iic_test運行測試程序,如圖6所示。

        圖6 運行測試程序并打印信息Fig.6 Running the test program and printing the information

        5 結 論

        本文以ARM920T內(nèi)核的S3C2440為MCU與數(shù)字溫度傳感器模塊DS1621搭建成多點數(shù)字測溫電路。MCU通過IIC總線與DS1621進行通信,通過編寫linux2.4版本下的IIC驅(qū)動程序,完成了S3C2440與帶有IIC接口的外圍芯片的通信,并實現(xiàn)了DS1621的配置和測溫工作,正常工作中DS1621的典型溫度轉(zhuǎn)化時間為1 s,數(shù)據(jù)精度為0.5℃,典型的工作電壓和電流值僅為3 V、10μA,具備較高的精度,且自身工作功耗小。通過增加DS1621的使用片數(shù),還可擴展為一個低電壓、低功耗的多點數(shù)字測溫系統(tǒng),可以廣泛地應用在各種嵌入式系統(tǒng)中。驅(qū)動程序可使用于其他具有IIC接口的外圍芯片的工作,也可將驅(qū)動應用于其他具有IIC接口的外圍設備通信。

        [1]劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設計與Linux驅(qū)動程序開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

        [2]Samsung Electronics Integrated Products.S3C2440A 32-Bit Risc Microprocessor User’s Manual Preliminary Revision 0.14 [EB/OL]. (2004 -06 -30).http://www.armkits.com/download/s3c2440.pdf.

        [3]于明,范書瑞.ARM9嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)教程[M].北京電子工業(yè)出版社,2006.

        [4]田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

        [5]孫天澤,袁文菊.嵌入式設計及Linux驅(qū)動開發(fā)指南-基于ARM9處理器[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

        [6]Corbet J, Rubini A, Kroah-Hartman G.Linux Device Drivers[M].3th 0’Reilly,2005:46-67.

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