數(shù)字溫度傳感器DS1621在Linux下的IIC接口驅(qū)動設(shè)計

朱瑜亮，黃曉革

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610054）

IIC總線作為一種串行傳輸總線，其使用連線少，結(jié)構(gòu)簡單，是一種應(yīng)用廣泛的高性能總線方式。而Linux作為一個源代碼公開、易于裁剪的操作系統(tǒng)，非常適合于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。Linux操作系統(tǒng)下的嵌入式設(shè)備驅(qū)動，通過IIC總線，實現(xiàn)ARM與外圍模塊間的協(xié)同工作，有著廣泛的應(yīng)用。

1 IIC總線協(xié)議以及選用芯片功能

1.1 IIC總線的特點以及工作協(xié)議

IIC串行總線由兩根信號線組成：一根雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線SDA；另一根是時鐘線SCL。IIC總線通過簡單的結(jié)構(gòu)即能實現(xiàn)半雙工的同步數(shù)據(jù)傳輸。

IIC總線采用一主多從的運行機制，在同一時間只能有一臺設(shè)備作為主設(shè)備，總線的運行由主設(shè)備控制，主設(shè)備控制數(shù)據(jù)的傳送起始信號、發(fā)出時鐘信號、從機地址信號、數(shù)據(jù)信號，由接收數(shù)據(jù)方在傳送結(jié)束時發(fā)出應(yīng)答信號，每個IIC總線上的設(shè)備都有一個唯一的地址，和主設(shè)備進行通信。

IIC總線時序[1]如圖1所示，在IIC總線使用過程中，傳輸開始和停止的條件如下：當(dāng)SCL持續(xù)為“1”而SDA從“1”變?yōu)椤?”時表示將要開始發(fā)送數(shù)據(jù)；而當(dāng) SCL持續(xù)為“1”而SDA從“0”變?yōu)椤?”表示停止發(fā)送數(shù)據(jù)。其中SDA線上的數(shù)據(jù)在時鐘線SCL為“1”期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)SCL線上的時鐘信號為低時數(shù)據(jù)線上的狀態(tài)才能改變。

圖1 IIC總線時序Fig.1 Sequence of IICbus

SDA線上的每個字節(jié)必須為8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)不限制，每發(fā)送1個字節(jié)都有1個ACK應(yīng)答位。

1.2 選用ARM9芯片功能介紹

MCU采用某公司的S3C2440芯片，S3C2440A是某公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備以及高性價比、低功耗的應(yīng)用，且集成了1個IIC總線控制器，能夠方便的與帶有IIC接口外設(shè)的通信。

1.3 數(shù)字溫度傳感器DS1621的芯片功能介紹

DS1621是DALLAS公司生產(chǎn)的一種功能強大的數(shù)字式溫度傳感器和恒溫控制器。接口與IIC總線兼容，一片控制器控制可控制多達8片的DS1621，工作電壓為2.7～5.5 V，適用于低功耗應(yīng)用系統(tǒng)。

DS1621可作為恒溫控制器單獨使用，也可通過2線接口在ARM的控制下完成溫度的測量及計算?？梢酝ㄟ^寄存器設(shè)置調(diào)整。DS1621無需外圍元件即可測量溫度，結(jié)果以9位數(shù)字量（兩字節(jié)）給出，測量范圍為－55～+155℃，精度為0.5℃；典型轉(zhuǎn)換時間為1 s。

2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計采用了S3C2440作為電路中的主設(shè)備，控制IIC總線上從器件，由主設(shè)備控制IIC總線上的時鐘信號以及各種數(shù)據(jù)信號。采用2片DS1621作為IIC總線上的從設(shè)備，由于DS1621具備IIC總線接口，可直接與S3C2440的SDA和SCL 腳相接，通過對 DS1621 的 A2、A1、A0 腳（5、6、7 腳）組合輸入不同的片選信號，可以確定其在IIC總線下工作的從機地址。因為IIC從設(shè)備一般都是MOS工藝，所以總線都有上拉電阻。工作時，通過IIC總線將DS1621設(shè)置為溫度傳感器功能和逐次獲取數(shù)據(jù)的工作方式，電路的原理圖設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件電路原理圖Fig.2 Schematic of hardware design

3 驅(qū)動程序設(shè)計

在Linux下的驅(qū)動程序?qū)⑺性O(shè)備看作文件，驅(qū)動程序則為應(yīng)用程序和硬件設(shè)備之間提供了操作訪問的接口，使應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備操作訪問。Linux內(nèi)核把驅(qū)動程序劃分為3種類型[3-4]：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其中，字符設(shè)備和塊設(shè)備可以像文件一樣被訪問。DS1621的IIC驅(qū)動屬于字符設(shè)備。

開始工作時，DS1621的工作方式是由片上的設(shè)置／狀態(tài)寄存器來決定的：1）當(dāng)通過IIC總線向DS1621寫入讀寫設(shè)置命令A(yù)Ch之后ARM發(fā)出的一字節(jié)將設(shè)置DS1621的工作方式，然后發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令EEh，讀溫度命令A(yù)Ah；2）DONE比特位表示工作在測溫功能時，溫度數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)換完畢，保存在非易失性寄存器中；3）THF、TLF是DS1621作為恒溫器時的狀態(tài)標(biāo)識位，當(dāng)超過TH預(yù)置值或低于TL預(yù)置值時被置為1；4）1SHOT為一次模式位，該位為1時每次收到溫度轉(zhuǎn)換命令就執(zhí)行一次溫度轉(zhuǎn)換，為0時將執(zhí)行連續(xù)溫度轉(zhuǎn)換。DS1621寄存器配置如圖3所示。

圖3 DS1621寄存器配置Fig.3 Register configuration of DS1621

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，若使用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式時，在極少數(shù)情況下出現(xiàn)數(shù)據(jù)明顯不正確，故采用了逐次讀取數(shù)據(jù)模式，即逐次配置DS1621的溫度轉(zhuǎn)換，逐次獲取數(shù)據(jù)，并每次判斷DS1621工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)范圍和精度，從而獲得了更加穩(wěn)定、精確的實驗結(jié)果。

驅(qū)動程序的功能包括：初始化以及釋放硬件設(shè)備；S3C2440通過IIC總線對DS1621的控制寄存器進行配置；S3C2440讀取DS1621寄存器內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，通過接口函數(shù)，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間發(fā)送到用戶空間。驅(qū)動程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動程序設(shè)計Fig.4 Design of driver program

3.1 設(shè)備驅(qū)動的主要函數(shù)

對于字符設(shè)備，Linux內(nèi)核對這些操作進行了統(tǒng)一的抽象，把它們定義在結(jié)構(gòu)體file-operation中。通常，字符設(shè)備提供給應(yīng)用程序的是一個流控制接口[5]，主要包括open、release、read、ioctl等。

struct file_operations ds1621_fops={

……

read: ds1621_read，

open: ds1621_open，

release:ds1621_release，

};

3.2 從器件，設(shè)備DS1621的初始化代碼

static int__init ds1621_init（void）{

int result;

result = devfs_register_chrdev （ds1621_MAJOR，"ds1621"，&ds1621_fops）;//注冊設(shè)備 DS1621

……

devfs_ds1621 = devfs_register （NULL，"ds1621"，DEVFS_FL_DEFAULT， ds1621_major， 0， S_IFCHR |S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP， &ds1621_fops，NULL）;

……

}

3.3 IIC總線的初始化

對S3C2440的IIC控制器進行配置時需要用到的寄存器[2]有：IICCON、IICSTAT、IICDS、IICADD。

IICCON：IIC總線控制寄存器；IICSTAT：IIC總線控制狀態(tài)寄存器；IICDS：IIC總線接收/發(fā)送數(shù)據(jù)移位寄存器；IICADD：IIC總線地址寄存器。

1）S3C2440的GPE15為 IICSDA，是串行數(shù)據(jù)線端口，GPE14為IICSCL，是串行時鐘線；

2）將IICCON設(shè)置為：0xA7，表示傳輸過程中ACK應(yīng)答使能，IIC的工作時鐘為：IICCLK=fpclk/512，IIC總線中斷使能，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘為：Tx clock=IICCLK/（IICCON[3:0]+1），約為 400 k/s；

3）將IICSTAT置為：0x10，即使用從器件接收數(shù)據(jù)模式，數(shù)據(jù)輸出/接收使能。

static void init_i2c_bus（void）{

……

ret= （1＜＜7） |（1＜＜6） |（1＜＜5） |（0x7）;

*（volatile unsigned*）（rIICCON）=ret;

*（volatile unsigned*）（rIICADD）=0x10;//設(shè)置 S3C2440從機地址

* （volatile unsigned*）（rIICSTAT）=0x10;//IIC 總線數(shù)據(jù)輸出使能

}

static int__init i2c_init（void）{

init_i2c_bus（）; //IIC 總線初始化

result=request_irq（IRQ_IIC，iic_handler， 0，"i2cdriver"，NULL）; //注冊 IIC 中斷

enable_irq（IRQ_IIC）; //IIC 中斷函數(shù)使能

……

}

3.4 主器件從IIC總線讀數(shù)據(jù)

對于DS1621的寄存器配置，當(dāng)通過IIC讀取從器件DS1621的數(shù)據(jù)時，需要切換數(shù)據(jù)收發(fā)的方向，S3C2440先在主機發(fā)送數(shù)據(jù)模式下，向從器件DS1621發(fā)送從地址、DS1621內(nèi)部寄存器的子地址和寫信號位，然后在主機接收數(shù)據(jù)模式下，再次向從器件發(fā)送從地址和讀信號位，并將子地址內(nèi)的數(shù)據(jù)讀回，其讀數(shù)據(jù)操作如圖5所示。

圖5 IIC總線讀數(shù)據(jù)操作Fig.5 Reading data operation of IICbus

其中S為發(fā)送開始標(biāo)志START，W為寫信號位，R為讀信號位，A為ACK應(yīng)答信號，RS為重復(fù)開始信號REPEATED START，NA為主機收回數(shù)據(jù)后發(fā)送的NACK信號，P為停止信號STOP。

static int read_one_byte（char*ch1，int slvAddr，int subAddr）{

……

_iicMode=SETRDADDR;//工作在設(shè)置地址模式下

_iicReadData[0]= （int）subAddr;//設(shè)置從機的子地址

……

*（volatile unsigned*）（rIICDS）=slvAddr；//寫從機地址

* （volatile unsigned*）（rIICSTAT）=0xf0;//主機開始發(fā)送從機地址

……

_iicMode =RDDATA;//設(shè)置IIC在讀數(shù)據(jù)模式下

_iicDataCount=1;//傳輸數(shù)據(jù)為1個字節(jié)

*（volatile unsigned*）（rIICDS）=（slvAddr+0x01）;

* （volatile unsigned*）（rIICSTAT）=0xb0;//主機開始接收從機數(shù)據(jù)

……

*ch1=_iicReadData[1];//保存讀回的從機數(shù)據(jù)

……

}

3.5 主器件向IIC總線寫數(shù)據(jù)

static int write_one_byte（char ch，int slvAddr）{

……

_iicMode=WRDATA; //IIC工作在寫模式下

*（volatile unsigned*）（rIICDS）=slvAddr;//從機地址放入IIC數(shù)據(jù)移位寄存器

* （volatile unsigned*）（rIICSTAT）=0xf0;//主機通過 IIC開始發(fā)送數(shù)據(jù)

……

* （volatile unsigned*）（rIICSTAT） =0xd0;//停止主機發(fā)送數(shù)據(jù)模式

……

}

3.6 S3C2440從DS1621獲得溫度數(shù)據(jù)，保存在內(nèi)核空間并傳送到用戶空間

static ssize_t ds1621_read （struct file*filp， char*buf，size_t count， loff_t*f_pos）{

ds1621_config（）; //配置1621為逐次讀取溫度模式

read_one_byte （&temp1 [0]， ds1621_NO3，ds1621_CONFIG）; //查看1621寄存器狀態(tài)

copy_to_user（buf，temp1，1）;//查看標(biāo)志位，是否已經(jīng)獲得了溫度數(shù)據(jù)值

read_two_byte （&temp1 [0]，&temp1[1]，ds1621_NO3，RD_TEMP）; //讀取 1621溫度寄存器

copy_to_user（buf+1，temp1，2）; //將 溫 度 數(shù) 據(jù) 傳 給 應(yīng)用程序

……

}

4 驅(qū)動的加載以及測試

應(yīng)用程序?qū)Ⅱ?qū)動從內(nèi)核空間獲得的數(shù)據(jù)保存下來，首先根據(jù)傳回的DONE比特位判斷溫度傳感器是否正在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中，如果是，則拋棄該數(shù)據(jù)，并打印數(shù)據(jù)不可用的信息；如果否，則接下來根據(jù)精度位判斷小數(shù)點后的數(shù)據(jù)值，并將結(jié)果打印出來。

int main（）

{

……

fd=open（"/dev/ds1621"，O_RDWR）;

if（fd＜0）

{

printf（"can't open device "）;

exit（0）;

}

while（1）{

ioctl（fd，1，&arg）;

ret=read（fd，temp，6）;//將數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)讀回用戶態(tài)

if（（temp[0]&0x80）!=0）//判斷溫度傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化是

否完成

{

if（（temp[2]&0x80）!=0） //判斷數(shù)據(jù)的精度位printf（" temp_no3=%d.5C "，temp[1]）;

else printf（" temp_no3=%d.0C "，temp[1]）;

}

else

printf（"No.3 not converted yet! "）;

……

}

close（fd）;

}

最后將驅(qū)動程序編譯成模塊，可以動態(tài)地加載、卸載設(shè)備驅(qū)動[6]，不用重新啟動系統(tǒng)就能查看驅(qū)動程序結(jié)果，方便了驅(qū)動的編寫與調(diào)試工作。

經(jīng)過動態(tài)編譯后，得到目標(biāo)文件iic.o、1621.o以及應(yīng)用程序1621_iic_test，將文件下載到S3C2440中，通過 #insmod iic.o、#insmod 1621.o加載模塊，#./1621_iic_test運行測試程序，如圖6所示。

圖6 運行測試程序并打印信息Fig.6 Running the test program and printing the information

5 結(jié) 論

本文以ARM920T內(nèi)核的S3C2440為MCU與數(shù)字溫度傳感器模塊DS1621搭建成多點數(shù)字測溫電路。MCU通過IIC總線與DS1621進行通信，通過編寫linux2.4版本下的IIC驅(qū)動程序，完成了S3C2440與帶有IIC接口的外圍芯片的通信，并實現(xiàn)了DS1621的配置和測溫工作，正常工作中DS1621的典型溫度轉(zhuǎn)化時間為1 s，數(shù)據(jù)精度為0.5℃，典型的工作電壓和電流值僅為3 V、10μA，具備較高的精度，且自身工作功耗小。通過增加DS1621的使用片數(shù)，還可擴展為一個低電壓、低功耗的多點數(shù)字測溫系統(tǒng)，可以廣泛地應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中。驅(qū)動程序可使用于其他具有IIC接口的外圍芯片的工作，也可將驅(qū)動應(yīng)用于其他具有IIC接口的外圍設(shè)備通信。

[1]劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計與Linux驅(qū)動程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]Samsung Electronics Integrated Products.S3C2440A 32－Bit Risc Microprocessor User’s Manual Preliminary Revision 0.14 [EB/OL]. （2004 －06 －30）.http://www.armkits.com/download/s3c2440.pdf.

[3]于明，范書瑞.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)教程[M].北京電子工業(yè)出版社，2006.

[4]田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[5]孫天澤，袁文菊.嵌入式設(shè)計及Linux驅(qū)動開發(fā)指南－基于ARM9處理器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6]Corbet J， Rubini A， Kroah-Hartman G.Linux Device Drivers[M].3th 0’Reilly，2005:46－67.