周光海,郑日荣,张长春

(广东工业大学 自动化学院,广州 510006)

引 言

传统的模拟温度测量抗干扰能力差,放大电路零点漂移大,导致测量值误差大,难以达到所需精度。在实际应用中,采用抗干扰能力强的数字温度传感器是解决上述问题的有效办法。

DS18B20是Dallas公司生产的数字温度传感器,具有体积小、适用电压宽、经济灵活的特点。它内部使用了onboard专利技术,全部传感元件及转换电路集成在一个形如三极管的集成电路内。DS18B20有电源线、地线及数据线3根引脚线,工作电压范围为 3～5.5 V,支持单总线接口。

准确的温度测量是很多嵌入式系统中重要的一点。在Linux操作系统下使用数字温度传感器DS18B20,不仅可以得到高精度的温度测量值,而且硬件简单可靠。

1 Linux的设备驱动程序

在Linux中,驱动程序是内核的一部分,它屏蔽了硬件细节,是整个操作系统的基础。驱动程序与Linux内核结合有两种方式：在编译内核时,静态地链接进内核;在系统运行时,以模块加载的方式加载进内核。

驱动的对象是存储器和外设。Linux将存储器和外设分为3个基础类：字符设备、块设备、网络设备。字符设备是指必须以串行顺序依次进行访问的设备,不需要经过系统的快速缓冲;而块设备要经过系统的快速缓冲,可以任意顺序进行访问,以块为单位进行操作。字符设备和块设备并没有严格的界限,有些设备(如Flash)既可看作字符设备,也可作为块设备来访问。网络设备面向数据包的接收和发送而设计,并不对应于文件系统节点。内核与网络设备的通信方式完全不同于内核与字符设备、块设备的通信方式。

DS18B20是单总线温度传感器,主机只能以“位”为单位对其进行访问。因此,在Linux系统中,将DS18B20作为一种典型的字符设备来访问。

2 DS18B20的结构和工作原理

2.1 DS18B20的内外结构

DS18B20的外部结构如图1所示。其中,VDD为电源输入端,DQ为数字信号输入/输出端,GND为电源地。

DS18B20内部结构主要包括4部分：64位光刻 ROM 、温度传感器、非易失的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器,如图2所示。

图1 DS18B20外部结构

图2 DS18B20内部结构

64位ROM中,在产品出厂前就被厂家通过光刻刻录好了64位序列号。该序列号可以看作是DS18B20的地址序列码,用来区分每一个DS18B20,从而更好地实现对现场温度的多点测量。

图2中的暂存器是DS18B20中最重要的寄存器。暂存器由9个字节组成,各字节定义如表1所列。

表1 暂存器字节分配表

配置寄存器用于用户设置温度传感器的转换精度,其各位定义如下：

T M R1 R0 1 1 1 1 1

TM位是测试模式位,用于设置DS18B20是工作模式(0)还是测试模式(1),其出厂值为0。R1、R0用于设置温度传感器的转换精度：00,分辨率为9位,转换时间为93.75 ms;01,分辨率为10位,转换时间为187.5 ms;10,分辨率为11位,转换时间为375 ms;11,分辨为12位,转换时间为750 ms。R1、R0的出厂值为11。其余5位值始终为1。

第0和第1字节为16位转换后的温度二进制值,其中前4位为符号位,其余12位为转换后的数据位(分辨率为12位)。如果温度大于0,则前4位值为0,只要将测到的数值乘上0.062 5即可得到实际温度值;如果温度小于0,则前4位为1,需将测得的数值取反加1后,再乘上0.062 5。第0和第1字节各位的二进制值如下：

LSB(0) 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 HSB(1) S S S S 27 26 25 24

2.2 DS18B20的应用电路结构

按DS18B20的供电方式,其应用电路结构可分为如下3种：寄生电源供电方式;寄生电源强上拉供电方式;外部电源供电方式。实际应用中,以外部电源供电方式为主。其应用原理图如图3所示。

图3 外部电源供电原理图

2.3 DS18B20的工作原理

根据DS18B20的通信协议,MCU对其操作主要有如下3个步骤：读写之前,对 DS18B20发送约500 μ s的低电平进行复位;复位成功,发送ROM指令;发送RAM 指令。MCU对DS18B20的具体操作流程如图4所示。

图4 DS18B20操作流程

3 Linux的DS18B20驱动程序实现

选取mini2440开发板为硬件平台(主芯片为Samsung公司的S3C2440),选取Linux的最新内核Linux2.6.29为软件平台。通过mini2440的扩展接口引出GPIO口(GPB1)为数据线DQ。

DS18B20为单总线器件,因此对其操作的时序比较严格。DS18B20驱动最终能否得以正常运行,获得实时温度值,关键在于能否正确地编写复位程序、位写程序和位读程序。

3.1 复位程序

对DS18B20进行读写之前要对其复位初始化,以检测DS18B20的存在。复位要求MCU将数据线下拉480～960 μ s,再释放数据线 ,等待约 60 μ s。若 MCU 接收到DS18B20发出的存在低电平,则表示复位成功。

下面是复位程序代码：

3.2 写1字节子程序

发送ROM和 RAM指令,需向DS18B20写入数据。写1字节子程序如下：

3.3 读N字节子程序

当温度转换完毕,需从DS18B20的RAM中读取第0和第1字节的二进制数据。

读1字节子程序如下：

编者注：完整的程序代码见本刊网站www.mesnet.com.cn。

4 结 论

本文采用模块加载的方法来调试DS18B20的驱动程序。调试结果如图5所示。

图5显示的是手离开DS18B20后温度值不断降低的情况。由显示结果可知,DS18B20驱动成功加载进了Linux2.6.29内核,能实时显示当前的温度值。

图5 温度调试结果

[1]Corbet Jonathan,Rubini Alessandro,Kroah-Hartman Greg.Linux设备驱动程序[M].3版.魏永明,译.北京：中国电力出版社,2006.

[2]宋宝华.Linux设备驱动开发详解[M].北京：人民邮电出版社,2008.

[3]孙琼.嵌入式Linux应用程序开发详解[M].北京：人民邮电出版社,2006.

[4]邵自然,吕格莉.基于嵌入式Linux的SD卡驱动程序的设计与实现[J].计算机时代 2006(8)：37-39.

[5]Dallas Semiconductor.DS18B20 datasheet[OL].[2009-09].http：//www.dalsemi.com.

[6]电子驿站[OL].[2009-09].http：//www.ourmpu.com/index.htm.