Linux驱动开发基础(DS18B20温度模块)

news2024/9/21 18:54:26

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目录

1.DS18B20 简介

2.硬件设计

3.软件设计

3.1 存储器介绍

3.2 通信时序

3.2.1 初始化时序

3.2.2 写时序

3.2.3 读时序

3.3 常用命令

4. 示例代码

4.1 驱动代码

4.2 应用代码

4.3 Makefile

4.4 实验效果

1.DS18B20 简介

DS18B20 温度传感器具有线路简单、体积小的特点，用来测量温度非常简单， 在一根通信线上可以挂载多个 DS18B20 温度传感器。用户可以通过编程实现 9~12 位的温度读数，每个DS18B20有唯一的64位序列号，保存在rom中，因 此一条总线上可以挂载多个DS18B20。

2.硬件设计

DS18B20 也使用的是“1-Wire单总线”，只通过一条数据线传输数据，既要控制器发送数据给芯片，又要通过芯片发送数据给控制器，是双向传输数据。

原理图如下：

3.软件设计

3.1 存储器介绍

DS18B20内部有个64位只读存储器（ROM）和 64位配置存储器（SCRATCHP）。 64 位只读存储器（ROM）包含序列号等，具体格式如下图：

低八位用于CRC校验，中间48位是DS18B20唯一序列号，高八位是该系列产品系列号(固定为28h)。因此，根据每个DS18B20 唯一的序列号，可以实现一条总线上可以挂载多个DS18B20时，获取指定DS18B20的温度信息。

64 位配置存储器（SCRATCHP）由9个Byte组成，包含温度数据、配置信息等，具体格式如下图：

Byte[0:1]：温度值。也就是当我们发出一个测量温度的命令之后，还需要发送一个读内存的命令才能把温度值读取出来。

Byte[2:3]：TL是低温阈值设置，TH是高温阈值设置。当温度低于/超过阈值，就会报警。 TL、TH存储在EEPROM中，数据在掉电时不会丢失；

Byte4：配置寄存器。用于配置温度精度为9、10、11或12位。配置寄存器也存储在EEPROM中，数据在掉电时不会丢失；

Byte[5:7]：厂商预留；

Byte[8]：CRC校验码。

3.2 通信时序

3.2.1 初始化时序

主机要跟DS18B20通信，首先需要发出一个开始信号。 深黑色线表示由主机驱动信号，浅灰色线表示由DS18B20驱动信号。 最开始时引脚是高电平，想要开始传输信号必须要拉低至少480us，这是复位信号； 然后拉高释放总线，等待15~60us之后，如果GPIO上连有DS18B20芯片，它会拉低60~240us。如果主机在最后检查到60～240us的低脉冲，则表示DS18B20初始化成功。

3.2.2 写时序

写0：拉低至少60us(写周期为60-120us)即可；

写1：先拉低至少1us，然后拉高，整个写周期至少为60us即可。

3.2.3 读时序

主机先拉低至少1us，随后读取电平，如果为0，即读到的数据是0，如果为1，即可读到的数据是1。

注意：整个过程必须在15us内完成，15us后引脚都会被拉高。

3.3 常用命令

DS18B20中有两类命令：ROM命令、功能命令

列表如下：

4. 示例代码

4.1 驱动代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/workqueue.h>
#include <asm/current.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/version.h>


static int major;
static struct class *ds18b20_class;
static struct gpio_desc *ds18b20_gpio_pin;

// 延时函数
void ds18b20_delay_us(int us)
{
	// 定义变量记录时间
	u64 pre, last;
// 根据版本不同调用不同的函数
#if LINUX_VERSION_CODE < KERNEL_VERSION(5,0,0)
	pre = ktime_get_boot_ns(); 
	while(1)
	{
		last = ktime_get_boot_ns();
		if(last - pre >= us * 1000)
			break;
	}
#else
	pre = ktime_get_boottime_ns();
	while(1)
	{
		last = ktime_get_boottime_ns();
		if(last - pre >= us * 1000)
			break;
	}
#endif
}

// 响应信号 
// 确认ds18b20设备的存在 先拉高后拉低 表示可以接收信号
int ds18b20_wait_for_ack(void)
{
	
	int timeout_count = 500;
	while(gpiod_get_value(ds18b20_gpio_pin) && timeout_count)
	{
		udelay(1);
		timeout_count--;
	}
	if(!timeout_count)
	{
		return -1;
	}
	
	timeout_count = 500;
	while(!gpiod_get_value(ds18b20_gpio_pin) && timeout_count)
	{
		udelay(1);
		timeout_count--;
	}
	if(!timeout_count)
	{
		return -1;
	}
	return 0;
	
}

// 复位信号
static int ds18b20_reset(void)
{

	int ret;
	// 拉低480us,这是复位信号
	gpiod_direction_output(ds18b20_gpio_pin, 0);
	ds18b20_delay_us(480);
	// 设置引脚为输入模式
	ret = gpiod_direction_input(ds18b20_gpio_pin);
	if(ds18b20_wait_for_ack())
		return -1;
	else
		return 0;
}

// 写字节
static void ds18b20_write_byte(unsigned char data)
{
	int i;
	for(i = 0; i < 8; i++)
	{
		if(data & (1 << i))
		{
			// 输出1 
			gpiod_direction_output(ds18b20_gpio_pin, 0);
			ds18b20_delay_us(2);

			gpiod_direction_input(ds18b20_gpio_pin);
			ds18b20_delay_us(60);
		}else{
			// 输出0
			gpiod_direction_output(ds18b20_gpio_pin, 0);
			ds18b20_delay_us(60);

			gpiod_direction_input(ds18b20_gpio_pin);
			ds18b20_delay_us(2);
		}

	}

}
// 读字节
unsigned char ds18b20_read_byte(void)
{
	unsigned char data = 0;
	int i;

	for(i = 0; i < 8; i++)
	{
		gpiod_direction_output(ds18b20_gpio_pin, 0);
		ds18b20_delay_us(2);
		/* 设置为输入 */
		gpiod_direction_input(ds18b20_gpio_pin);
		/* 7us之后读引脚 */
		ds18b20_delay_us(7);
		if (gpiod_get_value(ds18b20_gpio_pin))
			data |= (1<<i);

		/* 读到数据后, 等待足够60us */
		ds18b20_delay_us(60);				
	}
	return data;
}

static ssize_t ds18b20_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	unsigned long flags;
	unsigned char tempL=0,tempH=0;
	unsigned int integer;
	unsigned char decimal1,decimal2,decimal;
	int err;
	if (size != 5)
		return -EINVAL;

	local_irq_save(flags);	  // 关中断

	if (ds18b20_reset())
	{
		gpiod_direction_output(ds18b20_gpio_pin, 1);
		
		local_irq_restore(flags); // 恢复中断
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		return -ENODEV;
	}

	ds18b20_write_byte(0xcc); //忽略rom指令，直接使用功能指令
	ds18b20_write_byte(0x44); //温度转换指令

	/* 不能省略！ */
	gpiod_direction_output(ds18b20_gpio_pin, 1);

	local_irq_restore(flags); // 恢复中断

	//转换需要时间，延时1s
	set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
	schedule_timeout(HZ); 

	local_irq_save(flags);	  // 关中断
	if (ds18b20_reset())
	{		
		gpiod_direction_output(ds18b20_gpio_pin, 1);
		local_irq_restore(flags); // 恢复中断
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		return -ENODEV;
	}
	
	ds18b20_write_byte(0xcc); //忽略rom指令，直接使用功能指令
	ds18b20_write_byte(0xbe); //读暂存器指令

	tempL = ds18b20_read_byte(); //读温度低8位
	tempH = ds18b20_read_byte(); //读温度高8位
	if (tempH > 0x7f)      							//最高位为1时温度是负
	{
		tempL    = ~tempL;         				    //补码转换，取反加一
		tempH    = ~tempH+1;      
		integer  = tempL/16+tempH*16;      			//整数部分
		decimal1 = (tempL&0x0f)*10/16; 			//小数第一位
		decimal2 = (tempL&0x0f)*100/16%10;			//小数第二位
		decimal  = decimal1*10+decimal2; 			//小数两位
	}
	else
	{
		integer  = tempL/16+tempH*16;      				//整数部分
		decimal1 = (tempL&0x0f)*10/16; 					//小数第一位
		decimal2 = (tempL&0x0f)*100/16%10;				//小数第二位
		decimal  = decimal1*10+decimal2; 				//小数两位
	}
		
	local_irq_restore(flags); // 恢复中断
	
	gpiod_direction_output(ds18b20_gpio_pin, 1);

	err = copy_to_user(buf, &integer, 4);
	err = copy_to_user(buf+4, &decimal, 1);

	return 5;
	
	

}
static unsigned int ds18b20_poll (struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
{

	return 0;
}

static struct file_operations ds18b20_opes = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.read = ds18b20_read,
	.poll = ds18b20_poll,
};

int ds18b20_probe(struct platform_device *pdev)
{
	ds18b20_gpio_pin = gpiod_get(&pdev->dev, NULL, GPIOD_OUT_HIGH);

	device_create(ds18b20_class,  NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "myds18b20");
	return 0;
}
int ds18b20_remove(struct platform_device *pdev)
{
	device_destroy(ds18b20_class, MKDEV(major, 0));
	gpiod_put(ds18b20_gpio_pin);
	return 0;
}

static const struct of_device_id ask100_ds18b20[] = {
	{ .compatible = "100ask,ds18b20" },
	{},

};

static struct platform_driver ds18b20_dri = {
	.probe = ds18b20_probe,
	.remove = ds18b20_remove,
	.driver = {
		.name = "100ask_ds18b20",
		.of_match_table = ask100_ds18b20,
	},

};

static int __init ds18b20_init(void)
{
	int err;
	major =	register_chrdev(0, "ds18b20", &ds18b20_opes);
	ds18b20_class = class_create(THIS_MODULE, "ds18b20_class");

	err = platform_driver_register(&ds18b20_dri);
	return err;
}

static void __exit ds18b20_exit(void)
{
	unregister_chrdev(major,"ds18b20");
	class_destroy(ds18b20_class);

	platform_driver_unregister(&ds18b20_dri);
	
}


module_init(ds18b20_init);
module_exit(ds18b20_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

4.2 应用代码


#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>


/*
 * ./ds18b20_test /dev/myds18b20
 *
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	unsigned char data[5];
	unsigned int integer;
	unsigned char decimal;

	int i;
	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc != 2) 
	{
		printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
		return -1;
	}


	/* 2. 打开文件 */
//	fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);
	fd = open(argv[1], O_RDWR);
	if (fd == -1)
	{
		printf("can not open file %s\n", argv[1]);
		return -1;
	}


	while (1)
	{
		if (read(fd, data, 5) == 5)
		{
			integer = data[0] | (data[1]<<8) | (data[2]<<16) | (data[3]<<24);
			decimal = data[4];
			
			printf("get temprature: %d.%d\n", integer, decimal);
		}
		else 
		{
			printf("get temprature: -1\n");
		}
		sleep(1);
	}
	
	close(fd);
	
	return 0;
}

4.3 Makefile


# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册

#KERN_DIR =  /home/book/100ask_stm32mp157_pro-sdk/Linux-5.4
KERN_DIR =  /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
	$(CROSS_COMPILE)gcc -o ds18b20_test ds18b20_test.c
clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order  ds18b20_test

# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o



obj-m += ds18b20_drv.o

4.4 实验效果

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