ARM9和Linux的DS18B20驱动程序研究

廖建尚

（广东交通职业技术学院，广州 510520）

引 言

随着嵌入式技术的发展，基于ARM和Linux的嵌入式产品越来越多，DS18B20温度采集传感器在工业和生活上应用广泛，研究开发基于ARM9和Linux的DS18B20的驱动程序可以满足大部分温度采集平台的应用。

1 Linux设备驱动的开发过程

Linux操作系统通过各种驱动程序来操作硬件设备，它屏蔽了各种设备，设备驱动程序是操作系统内核和硬件之间的接口。从应用程序来看，硬件只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样操作硬件设备[1]。

1.1 设备的分类

Linux看待设备可区分为3种基本设备类型，分别为字符设备、块设备和网络设备：[2－3]

① 字符设备：字符设备是一种可以当作一个字节流来存取的设备，相当于一个文件，字符设备驱动通常实现open、close、read和write系统调用；

② 块设备：如同字符设备，块设备通过位于／dev目录的文件系统结点来存取，块设备驱动程序主要通过传输固定大小的随机数据来访问设备，块设备驱动程序是核心内存与其他存储介质之间的管道；

③ 网络设备：网络接口和一个已经挂载的块设备类似，网络接口使用特定的内核数据结构注册，与外界进行数据交换时调用，与块设备只响应来自内核的请求不同，Linux内核的网络子系统被设计成完全与协议无关，网络驱动程序异步地接收来自外界的数据包。

1.2 字符设备开发过程[1－3]

本项目开发的驱动程序都是字符设备驱动程序，因此简单介绍字符设备的开发过程。

1.2.1 重要的文件操作接口函数file＿operation

file＿operation是一个字符驱动如何建立底层驱动与应用程序连接的结构体，包含以下重要的函数接口：

①int（＊open）（struct inode＊，struct file＊）：打开设备操作。

②ssize＿t（＊read）（struct file＊，char＿＿user＊，size＿t，loff＿t＊）：从设备中获取数据，非负返回值代表成功读取的字节数。

③ssize＿t（＊write）（struct file＊，const char＿＿user＊，size＿t，loff＿t＊）：发送数据给设备，非负返回值代表成功写入的字节数。

④int（＊ioctl）（struct inode＊，struct file＊，unsigned int，unsigned long）：系统调用提供了发出设备特定命令的方法。

1.2.2 设备打开与关闭

open方法在应用程序调用open（）系统调用时被调用，作用是打开设备；release方法在应用程序调用close（）系统调用时被调用，作用是关闭设备。

1.2.3 驱动程序与应用程序交换数据

交换的方式最直接的方法是在struct file＿operation中的read／write方法中与用户空间的buffer进行数据的交换：

unsigned long copy＿to＿user（void＿＿user＊to，const void＊from，unsigned long count）：从内核空间拷贝数据到用户空间；

unsigned long copy＿from＿user（void＊to，const void＿＿user＊from，unsigned long count）：从用户空间拷贝数据到内核空间；

1.2.4 设备控制ioctl

设备控制接口如下：

① 应用程序调用接口：int ioctl（int fd，unsigned long cmd，…）；

② 设备驱动的相应接口：int（＊ioctl）（struct inode＊inode，struct file＊filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）。

应用程序通过ioctl发送命令，从而调用驱动接口的ioctl。

因此，在Linux字符设备驱动程序中主要实现open、read、write和ioctl函数分别对应Linux系统调用的open、read、write和ioctl来完成数据交互和设备操作。

2 温度传感器驱动软件设计

DS18B20采用独特的单总线接口方式，每只DS18B20都有一个唯一存储在ROM中的64位编码。最前面8位是单线系列编码：28H，接着的48位是一个唯一的序列号，最后8位是以上56位的CRC编码。通过单线总线端口访问DS18B20的协议如下[4]：

① 初始化；

② 发送ROM操作指令；

③ 发送DS18B20功能指令。

主要功能指令，如表1所列。

表1 DS18B20功能指令

根据DS18B20的读写协议以及操作指令和功能指令，可以得出DS18B20的复位过程如图1所示，写操作流程如图2所示，读操作流程如图3所示。

根据DS18B20复位、读写操作过程，利用Linux编写DS18B20驱动程序。过程描述如下。

（1）复位操作流程

① 设总线为输出模式；

② 向总线发送一个上升沿，保持高电平100ms；

③ 向总线发送一个下降沿，保持低电平800ms；

④ 向总线发送一个上升沿，延时100ms；

⑤ 设总线为输入模式；

⑥ 判断总线状态，如果为低电平，则复位成功。

图1 复位操作流程

（2）写操作流程

① 设总线为输出模式，并设置8次循环；

② 向总线发送一个下降沿，保持低电平；

③ 判断写入数据是0还是1，如果是1，则向总线发送一个上升沿，保持高电平；如果是0，则保持总线低电平不变；

④ 延时60ms，设总线为高电平，再延时15ms；

⑤ 循环操作步骤②～④；

⑥ 设总线为高电平。

图2 写操作流程

（3）读操作流程

① 设循环次数为8；

② 设总线为输出，向总线发送一个下降沿，保持低电平，并延时1ms；

③ 向总线发送一个上升沿，并设为输入；

④ 读总线状态，并保存为1位，并延时60ms；

⑤ 循环操作步骤②～④，读取1个字节数据。

图3 读操作流程

（4）温度读写过程

① 循环判断DS18B20直到复位，延时120ms；

② 写入CCH命令，跳过读序列号过程；

③ 写入44H命令，开始温度转换，延时5ms；

④ 循环判断DS18B20直到复位，延时200ms；

⑤ 写入CCH命令，跳过读序列号过程；

⑥ 写入BEH命令，读取寄存器；

⑦ 读温度整数部分；

⑧ 读温度小数部分。

（5）驱动程序编写[5－6]

选定S3C2440一个GPIO引脚作为连接DS18B20的数据线，经过查电路图和S3C2440的芯片手册，选择GPF3为连接引脚；

主要对GPF的控制寄存器GPFCON和数据寄存器GPFDAT进行操作，GPF3主要对应GPFCON第6位和第7位，以及GPFDAT的第3位进行操作；对GPFCON[7：6]设00为输入，设01为输出；GPFDAT[3]设为输入时，相应的位即为引脚的状态，设为输出则可以对引脚进行置1和置0操作；

结合S3C2440的寄存器GPFCON和GPFDAT，以及DS18B20时序，可以利用C语言编写Linux下驱动程序，本驱动程序采用实现read接口函数的字符设备驱动。

3 部分代码

（1）复位代码

（2）写字节代码

（3）读字节代码

（4）一次数据读取过程

最后将data通过read接口函数发送到用户层——copy＿to＿user（buf，data，2），即将8位整数和8位小数部分送到用户层，完成一次数据读取过程。

4 系统运行与测试

加载驱动后，通过用户层调用驱动程序，图4为通过串口调试测试结果。

图4 串口调试测试结果

结 语

完成了基于ARM9和Linux2.6.30的DS18B20驱动程序编写，实现了温度数据的采集以及传输。以ARM9为平台，基于Linux2.6.30开发DS18B20的驱动程序，以模块的形式加载到内核，最后通过应用层调用驱动，获得温度数据。

[1] Jonahan Corbet.Linux Device Drivers[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2] DanielP.Bovet.Understanding the Linux Kernel[M].北京：中国电力出版社，2007：354－669.

[3] W Richard Stevens.Advanced Progamming in the UNIX Environment Fourth Edition[M].北京：人民邮电出版社，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处理 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.