引言

隨著嵌入式技術(shù)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(yīng)用廣泛，研究開發(fā)基于ARM9和Linux的DS18B20的驅(qū)動程序可以滿足大部分溫度采集平臺的應(yīng)用。

1 Linux設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)過程

Linux操作系統(tǒng)通過各種驅(qū)動程序來操作硬件設(shè)備，它屏蔽了各種設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口。從應(yīng)用程序來看，硬件只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣操作硬件設(shè)備。

1.1 設(shè)備的分類

Linux看待設(shè)備可區(qū)分為3種基本設(shè)備類型，分別為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：

①字符設(shè)備：字符設(shè)備是一種可以當作一個字節(jié)流來存取的設(shè)備，相當于一個文件，字符設(shè)備驅(qū)動通常實現(xiàn)open、close、read和write系統(tǒng)調(diào)用;

②塊設(shè)備：如同字符設(shè)備，塊設(shè)備通過位于/dev目錄的文件系統(tǒng)結(jié)點來存取，塊設(shè)備驅(qū)動程序主要通過傳輸固定大小的隨機數(shù)據(jù)來訪問設(shè)備，塊設(shè)備驅(qū)動程序是核心內(nèi)存與其他存儲介質(zhì)之間的管道;

③網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)接口和一個已經(jīng)掛載的塊設(shè)備類似，網(wǎng)絡(luò)接口使用特定的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)注冊，與外界進行數(shù)據(jù)交換時調(diào)用，與塊設(shè)備只響應(yīng)來自內(nèi)核的請求不同，Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)被設(shè)計成完全與協(xié)議無關(guān)，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序異步地接收來自外界的數(shù)據(jù)包。

1.2 字符設(shè)備開發(fā)過程

本項目開發(fā)的驅(qū)動程序都是字符設(shè)備驅(qū)動程序，因此簡單介紹字符設(shè)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(qū)動如何建立底層驅(qū)動與應(yīng)用程序連接的結(jié)構(gòu)體，包含以下重要的函數(shù)接口：

①int(*open)(struct inode*，struct file*)：打開設(shè)備操作。

②ssize_t(*read)(struct file*，char__user*，size_t，loff_t*)：從設(shè)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(shè)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(diào)用提供了發(fā)出設(shè)備特定命令的方法。

1.2.2 設(shè)備打開與關(guān)閉

open方法在應(yīng)用程序調(diào)用open()系統(tǒng)調(diào)用時被調(diào)用，作用是打開設(shè)備;release方法在應(yīng)用程序調(diào)用close()系統(tǒng)調(diào)用時被調(diào)用，作用是關(guān)閉設(shè)備。

1.2.3 驅(qū)動程序與應(yīng)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(shè)備控制ioctl

設(shè)備控制接口如下：

①應(yīng)用程序調(diào)用接口：int ioctl(int fd，unsigned longcmd，…)：

②設(shè)備驅(qū)動的相應(yīng)接口：int(*ioctl)(struct inode*inode，struct file*filp，unsigned int cmd，unsigned long arg)。

應(yīng)用程序通過ioctl發(fā)送命令，從而調(diào)用驅(qū)動接口的ioctl。

因此，在Linux字符設(shè)備驅(qū)動程序中主要實現(xiàn)open、read、write和ioctl函數(shù)分別對應(yīng)Linux系統(tǒng)調(diào)用的open、read、write和ioctl來完成數(shù)據(jù)交互和設(shè)備操作。

2 溫度傳感器驅(qū)動軟件設(shè)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：

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。

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(fù)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(fù)位、讀寫操作過程，利用Linux編寫DS18B20驅(qū)動程序。過程描述如下。

(1)復(fù)位操作流程

①設(shè)總線為輸出模式;

②向總線發(fā)送一個上升沿，保持高電平100 ms;

③向總線發(fā)送一個下降沿，保持低電平800 ms;

④向總線發(fā)送一個上升沿，延時100 ms;

⑤設(shè)總線為輸入模式;

⑥判斷總線狀態(tài)，如果為低電平，則復(fù)位成功。

(2)寫操作流程

①設(shè)總線為輸出模式，并設(shè)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60 ms，設(shè)總線為高電平，再延時15 ms;

⑤循環(huán)操作步驟②～④;

⑥設(shè)總線為高電平。

(3)讀操作流程

①設(shè)循環(huán)次數(shù)為8;

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

③向總線發(fā)送一個上升沿，并設(shè)為輸入;

④讀總線狀態(tài)，并保存為1位，并延時60 ms;

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