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

IIC總線作為一種申行傳輸總線，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(shí)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(diǎn)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(shí)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(yùn)行機(jī)制，在同一時間只能有一臺設(shè)備作為主設(shè)備，總線的運(yùn)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(jī)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(jìn)行通信。
    IIC總線時序如圖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)?ldquo;0”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)?ldquo;1”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。

    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(qiáng)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(dá)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(dú)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(jì)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(jì)
    設(shè)計(jì)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DS16 21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(jī)地址。因?yàn)镮IC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(jì)如圖2所示。

3 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)
    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：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。

    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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jì)流程圖如圖4所示。

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(jìn)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，主要包括open、release、read、ioctl等。
   
3．2 從器件，設(shè)備DS1621的初始化代碼

3．3 IIC總線的初始化
    對S3C2440的IIC控制器進(jìn)行配置時需要用到的寄存器有：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；HCDS：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HCSDA，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：HCCLK=fpclk／512，IlC總線中斷使能，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘為：Tx clock=IICCLK／(IICCON[3：O]+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。

   
3．4 主器件從HC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(jī)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(jī)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。

    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(jī)收回數(shù)據(jù)后發(fā)送的NACK信號，P為停止信號STOP。

3．5 主器件向IIC總線寫數(shù)據(jù)

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


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(diǎn)后的數(shù)據(jù)值，并將結(jié)果打印出來。

  
    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，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#insmodiic．o、#insmod 1621．o加載模塊，#．／1621_iic_test運(yùn)行測試程序，如圖6所示。

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(diǎn)數(shù)字測溫電路。MCU通過IIC總線與DS1621進(jìn)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(shí)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(kuò)展為一個低電壓、低功耗的多點(diǎn)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IlC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。