采用Linux的溫度傳感器DS18B20驅動程序設計

　引言
　傳統的模擬溫度測量抗干擾能力差，放大電路零點漂移大，導致測量值誤差大，難以達到所需精度。在實際應用中，采用抗干擾能力強的數字溫度傳感器是解決上述問題的有效辦法。

　　DS18B20是Dallas公司生產的數字溫度傳感器，具有體積小、適用電壓寬、經濟靈活的特點。它內部使用了onboard專利技術，全部傳感元件及轉換電路集成在一個形如三極管的集成電路內。DS18B20有電源線、地線及數據線3根引腳線，工作電壓范圍為3～5.5 V，支持單總線接口。

　　準確的溫度測量是很多嵌入式系統中重要的一點。在Linux操作系統下使用數字溫度傳感器DS18B20，不僅可以得到高精度的溫度測量值，而且硬件簡單可靠。

　　1Linux的設備驅動程序

　　在Linux中，驅動程序是內核的一部分，它屏蔽了硬件細節，是整個操作系統的基礎。驅動程序與Linux內核結合有兩種方式：在編譯內核時，靜態地鏈接進內核；在系統運行時，以模塊加載的方式加載進內核。

　　驅動的對象是存儲器和外設。Linux將存儲器和外設分為3個基礎類：字符設備、塊設備、網絡設備。字符設備是指必須以串行順序依次進行訪問的設備，不需要經過系統的快速緩沖；而塊設備要經過系統的快速緩沖，可以任意順序進行訪問，以塊為單位進行操作。字符設備和塊設備并沒有嚴格的界限，有些設備(如Flash)既可看作字符設備，也可作為塊設備來訪問。網絡設備面向數據包的接收和發送而設計，并不對應于文件系統節點。內核與網絡設備的通信方式完全不同于內核與字符設備、塊設備的通信方式。

　　DS18B20是單總線溫度傳感器，主機只能以“位”為單位對其進行訪問。因此，在Linux系統中，將DS18B20作為一種典型的字符設備來訪問。

　　2 DS18B20的結構和工作原理

　　2.1DS18B20的內外結構

　　DS18B20的外部結構如圖1所示。其中，VDD為電源輸入端，DQ為數字信號輸入／輸出端，GND為電源地。

　　DS18B20內部結構主要包括4部分：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器，如圖2所示。

　　64位ROM中，在產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，用來區分每一個DS18B20，從而更好地實現對現場溫度的多點測量。

　　圖2中的暫存器是DS18B20中最重要的寄存器。暫存器由9個字節組成，各字節定義如表1所列。

　　配置寄存器用于用戶設置溫度傳感器的轉換精度，其各位定義如下：

　　TM位是測試模式位，用于設置DS18B20是工作模式(0)還是測試模式(1)，其出廠值為0。R1、R0用于設置溫度傳感器的轉換精度：00，分辨率為9位，轉換時間為93.75ms；01，分辨率為10位，轉換時間為187.5 ms；10，分辨率為11位，轉換時間為375 ms；11，分辨為12位，轉換時間為750 ms。R1、R0的出廠值為11。其余5位值始終為1。

　　第0和第1字節為16位轉換后的溫度二進制值，其中前4位為符號位，其余12位為轉換后的數據位(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，需將測得的數值取反加1后，再乘上0.062 5。第0和第1字節各位的二進制值如下：

　　2.2 DS18B20的應用電路結構

　　按DS18B20的供電方式，其應用電路結構可分為如下3種：寄生電源供電方式；寄生電源強上拉供電方式；外部電源供電方式。實際應用中，以外部電源供電方式為主。其應用原理圖如圖3所示。

　　2.3DS18B20的工作原理

　　根據DS18B20的通信協議，MCU對其操作主要有如下3個步驟：讀寫之前，對DS18B20發送約500 μs的低電平進行復位；復位成功，發送ROM指令；發送RAM指令。MCU對DS18B20的具體操作流程如圖4所示。

　　3Linux的DS18B20驅動程序實現

　　選取mini2440開發板為硬件平臺(主芯片為Samsung公司的S3C2440)，選取Linux的最新內核Linux2.6.29為軟件平臺。通過mini2440的擴展接口引出GPIO口(GPBl)為數據線DQ。

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

　　3.1復位程序

　　對DS18B20進行讀寫之前要對其復位初始化，以檢測DS18B20的存在。復位要求MCU將數據線下拉480～960 μs，再釋放數據線，等待約60 μs。若MCU接收到DS18B20發出的存在低電平，則表示復位成功。

　　下面是復位程序代碼：

　3.2寫1字節子程序

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　　發送ROM和RAM指令，需向DS18B20寫入數據。寫1字節子程序如下：

　　3.3讀N字節子程序

　　當溫度轉換完畢，需從DS18B20的RAM中讀取第0和第1字節的二進制數據。

　　讀1字節子程序如下：

　　讀N字節子程序如下：

　　4結論

　　本文采用模塊加載的方法來調試DS18B20的驅動程序。調試結果如圖5所示。

　　圖5顯示的是手離開DS18B20后溫度值不斷降低的情況。由顯示結果可知，DS18B20驅動成功加載進了Linux2.6.29內核，能實時顯示當前的溫度值。