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        ARM9和Linux的DS18B20驅動程序研究

        2013-09-21 10:44:20廖建尚
        關鍵詞:設備

        廖建尚

        (廣東交通職業(yè)技術學院,廣州 510520)

        引 言

        隨著嵌入式技術的發(fā)展,基于ARM和Linux的嵌入式產(chǎn)品越來越多,DS18B20溫度采集傳感器在工業(yè)和生活上應用廣泛,研究開發(fā)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(fā)過程

        Linux操作系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)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(qū)分為3種基本設備類型,分別為字符設備、塊設備和網(wǎng)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(jié)流來存取的設備,相當于一個文件,字符設備驅動通常實現(xiàn)open、close、read和write系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)來訪問設備,塊設備驅動程序是核心內(nèi)存與其他存儲介質之間的管道;

        ③ 網(wǎng)絡設備:網(wǎng)絡接口和一個已經(jīng)掛載的塊設備類似,網(wǎng)絡接口使用特定的內(nèi)核數(shù)據(jù)結構注冊,與外界進行數(shù)據(jù)交換時調用,與塊設備只響應來自內(nèi)核的請求不同,Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡子系統(tǒng)被設計成完全與協(xié)議無關,網(wǎng)絡驅動程序異步地接收來自外界的數(shù)據(jù)包。

        1.2 字符設備開發(fā)過程[1-3]

        本項目開發(fā)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(fā)過程。

        1.2.1 重要的文件操作接口函數(shù)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(shù)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(shù)據(jù),非負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)給設備,非負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)調用提供了發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(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(fā)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(xiàn)open、read、write和ioctl函數(shù)分別對應Linux系統(tǒng)調用的open、read、write和ioctl來完成數(shù)據(jù)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(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(jù)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(fā)送一個上升沿,保持高電平100ms;

        ③ 向總線發(fā)送一個下降沿,保持低電平800ms;

        ④ 向總線發(fā)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(tài),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(huán);

        ② 向總線發(fā)送一個下降沿,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(huán)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(huán)次數(shù)為8;

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

        ③ 向總線發(fā)送一個上升沿,并設為輸入;

        ④ 讀總線狀態(tài),并保存為1位,并延時60ms;

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

        圖3 讀操作流程

        (4)溫度讀寫過程

        ① 循環(huán)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(huán)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(shù)部分;

        ⑧ 讀溫度小數(shù)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(shù)據(jù)線,經(jīng)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(shù)據(jù)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(tài),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(xiàn)read接口函數(shù)的字符設備驅動。

        3 部分代碼

        (1)復位代碼

        (2)寫字節(jié)代碼

        (3)讀字節(jié)代碼

        (4)一次數(shù)據(jù)讀取過程

        最后將data通過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)讀取過程。

        4 系統(tǒng)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(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的采集以及傳輸。以ARM9為平臺,基于Linux2.6.30開發(fā)DS18B20的驅動程序,以模塊的形式加載到內(nèi)核,最后通過應用層調用驅動,獲得溫度數(shù)據(jù)。

        [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.

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