數(shù)字溫度傳感器DS1621在Linux下的IIC接口驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)，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(hào)線組成：一根雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線SDA；另一根是時(shí)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(shí)間只能有一臺(tái)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(hào)、發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)、從機(jī)地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)，由接收數(shù)據(jù)方在傳送結(jié)束時(shí)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，每個(gè)IIC總線上的設(shè)備都有一個(gè)唯一的地址，和主設(shè)備進(jìn)行通信。
IIC總線時(shí)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)椤?”時(shí)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(shí)鐘線SCL為“1”期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)數(shù)據(jù)線上的狀態(tài)才能改變。

SDA線上的每個(gè)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(gè)字節(jié)都有1個(gè)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(jià)比、低功耗的應(yīng)用，且集成了1個(gè)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(cè)量及計(jì)算。可以通過寄存器設(shè)置調(diào)整。DS1621無需外圍元件即可測(cè)量溫度，結(jié)果以9位數(shù)字量(兩字節(jié))給出，測(cè)量范圍為-55～+155℃，精度為0．5℃：典型轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)鐘信號(hào)以及各種數(shù)據(jù)信號(hào)。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(duì)DS1621的A2、A1、A0腳(5、6、7腳)組合輸入不同的片選信號(hào)，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(shí)，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(dòng)程序設(shè)計(jì)
在Linux下的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑺性O(shè)備看作文件，驅(qū)動(dòng)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(duì)硬件設(shè)備操作訪問。Linux內(nèi)核把驅(qū)動(dòng)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(dòng)屬于字符設(shè)備。
開始工作時(shí)，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(cè)溫功能時(shí)，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(shí)的狀態(tài)標(biāo)識(shí)位，當(dāng)超過TH預(yù)置值或低于TL預(yù)置值時(shí)被置為1；4)1SHOT為一次模式位，該位為1時(shí)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(shí)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(shí)，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(dòng)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(duì)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(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

3．1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的主要函數(shù)
對(duì)于字符設(shè)備，Linux內(nèi)核對(duì)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(gè)流控制接口，主要包括open、release、read、ioctl等。