基于ARM9+Linux的DS18B20驱动程序设计

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 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：

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

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 longcmd，…)：

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：

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。

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100 ms;

③向总线发送一个下降沿，保持低电平800 ms;

④向总线发送一个上升沿，延时100 ms;

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。

(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60 ms，设总线为高电平，再延时15 ms;

⑤循环操作步骤②～④;

⑥设总线为高电平。

(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1 ms;

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60 ms;

⑤循环操作步骤②～④，读取1个字节数据。