数字温度传感器DS1621在Linux下的IIC接口驱动设计

IIC总线作为一种申行传输总线，其使用连线少，结构简单，是一种应用广泛的高性能总线方式。而Linux作为一个源代码公开、易于裁剪的操作系统，非常适合于嵌入式系统的应用。Linux操作系统下的嵌入式设备驱动，通过IIC总线，实现ARM与外围模块间的协同工作，有着广泛的应用。

1 IIC总线协议以及选用芯片功能
1．1 IIC总线的特点以及工作协议
    IIC串行总线由两根信号线组成：一根双向传输的数据线SDA；另一根是时钟线SCL。IIC总线通过简单的结构即能实现半双工的同步数据传输。
    IIC总线采用一主多从的运行机制，在同一时间只能有一台设备作为主设备，总线的运行由主设备控制，主设备控制数据的传送起始信号、发出时钟信号、从机地址信号、数据信号，由接收数据方在传送结束时发出应答信号，每个IIC总线上的设备都有一个唯一的地址，和主设备进行通信。
    IIC总线时序如图1所示，在IIC总线使用过程中，传输开始和停止的条件如下：当SCL持续为“1”而SDA从“1”变为“0”时表示将要开始发送数据；而当SCL持续为“1”而SDA从“0”变为“1”表示停止发送数据。其中SDA线上的数据在时钟线SCL为“1”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时数据线上的状态才能改变。

    SDA线上的每个字节必须为8位，每次传输的字节数不限制，每发送1个字节都有1个ACK应答位。
1．2 选用ARM9芯片功能介绍
    MCU采用某公司的S3C2440芯片，S3C2440A是某公司的一款基于ARM920T内核的16／32位RISC嵌入式微处理器，主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用，且集成了1个IIC总线控制器，能够方便的与带有IIC接口外设的通信。
1．3 数字温度传感器DS1621的芯片功能介绍
    DS1621是DALLAS公司生产的一种功能强大的数字式温度传感器和恒温控制器。接口与IIC总线兼容，一片控制器控制可控制多达8片的DS1621，工作电压为2．7～5．5 V，适用于低功耗应用系统。
    DS1621可作为恒温控制器单独使用，也可通过2线接口在ARM的控制下完成温度的测量及计算。可以通过寄存器设置调整。DS1621无需外围元件即可测量温度，结果以9位数字量(两字节)给出，测量范围为-55～+155℃，精度为0．5℃：典型转换时间为1 s。

2 电路结构设计
    设计采用了S3C2440作为电路中的主设备，控制IIC总线上从器件，由主设备控制IIC总线上的时钟信号以及各种数据信号。采用2片DS16 21作为IIC总线上的从设备，由于DS1621具备IIC总线接口，可直接与S3C2440的SDA和SCL脚相接，通过对DS1621的A2、A1、A0脚(5、6、7脚)组合输入不同的片选信号，可以确定其在IIC总线下工作的从机地址。因为IIC从设备一般都是MOS工艺，所以总线都有上拉电阻。工作时，通过IIC总线将DS1621设置为温度传感器功能和逐次获取数据的工作方式，电路的原理图设计如图2所示。

3 驱动程序设计
    在Linux下的驱动程序将所有设备看作文件，驱动程序则为应用程序和硬件设备之间提供了操作访问的接口，使应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备操作访问。Linux内核把驱动程序划分为3种类型：字符设备、块设备和网络设备。其中，字符设备和块设备可以像文件一样被访问。DS1621的IIC驱动属于字符设备。
    开始工作时，DS1621的工作方式是由片上的设置／状态寄存器来决定的：1)当通过IIC总线向DS1621写入读写设置命令ACh之后ARM发出的一字节将设置DS1621的工作方式，然后发出温度转换命令EEh，读温度命令AAh；2)DONE比特位表示工作在测温功能时，温度数据已转换完毕，保存在非易失性寄存器中；3)THF、TLF是DS1621作为恒温器时的状态标识位，当超过TH预置值或低于TL预置值时被置为1；4)1SHOT为一次模式位，该位为1时每次收到温度转换命令就执行一次温度转换，为0时将执行连续温度转换。DS1621寄存器配置如图3所示。

    在调试过程中发现，若使用连续转换模式时，在极少数情况下出现数据明显不正确，故采用了逐次读取数据模式，即逐次配置DS1621的温度转换，逐次获取数据，并每次判断DS1621工作状态、数据范围和精度，从而获得了更加稳定、精确的实验结果。
    驱动程序的功能包括：初始化以及释放硬件设备；S3C2440通过IIC总线对DS1621的控制寄存器进行配置；S3C2440读取DS1621寄存器内的温度数据，通过接口函数，将数据从内核空间发送到用户空间。驱动程序设计流程图如图4所示。

3．1 设备驱动的主要函数
    对于字符设备，Linux内核对这些操作进行了统一的抽象，把它们定义在结构体file-operation中。通常，字符设备提供给应用程序的是一个流控制接口，主要包括open、release、read、ioctl等。
   

3．2 从器件，设备DS1621的初始化代码

3．3 IIC总线的初始化
    对S3C2440的IIC控制器进行配置时需要用到的寄存器有：IICCON、IICSTAT、IICDS、IICADD。
    IICCON：IIC总线控制寄存器；IICSTAT：IIC总线控制状态寄存器；HCDS：IIC总线接收／发送数据移位寄存器；IICADD：IIC总线地址寄存器。
    1)S3C2440的GPE15为HCSDA，是串行数据线端口，GPE14为IICSCL，是串行时钟线；
    2)将IICCON设置为：0xA7，表示传输过程中ACK应答使能，IIC的工作时钟为：HCCLK=fpclk／512，IlC总线中断使能，数据传输的时钟为：Tx clock=IICCLK／(IICCON[3：O]+1)，约为400 k／s；
    3)将IICSTAT置为：0x10，即使用从器件接收数据模式，数据输出／接收使能。

   

3．4 主器件从HC总线读数据
    对于DS1621的寄存器配置，当通过IIC读取从器件DS1621的数据时，需要切换数据收发的方向，S3C2440先在主机发送数据模式下，向从器件DS1621发送从地址、DS1621内部寄存器的子地址和写信号位，然后在主机接收数据模式下，再次向从器件发送从地址和读信号位，并将子地址内的数据读回，其读数据操作如图5所示。

    其中S为发送开始标志START，W为写信号位，R为读信号位，A为ACK应答信号，RS为重复开始信号REPEATED START，NA为主机收回数据后发送的NACK信号，P为停止信号STOP。

3．5 主器件向IIC总线写数据

3．6 S3C2440从DS1621获得温度数据，保存在内核空间并传送到用户空间

4 驱动的加载以及测试
    应用程序将驱动从内核空间获得的数据保存下来，首先根据传回的DONE比特位判断温度传感器是否正在数据转换的过程中，如果是，则抛弃该数据，并打印数据不可用的信息；如果否，则接下来根据精度位判断小数点后的数据值，并将结果打印出来。

  

    最后将驱动程序编译成模块，可以动态地加载、卸载设备驱动，不用重新启动系统就能查看驱动程序结果，方便了驱动的编写与调试工作。
    经过动态编译后，得到目标文件iic．o、1621．o以及应用程序1621_iic_test，将文件下载到S3C2440中，通过#insmodiic．o、#insmod 1621．o加载模块，#．／1621_iic_test运行测试程序，如图6所示。

5 结论
    本文以ARM920T内核的S3C2440为MCU与数字温度传感器模块DS1621搭建成多点数字测温电路。MCU通过IIC总线与DS1621进行通信，通过编写linux2.4版本下的IIC驱动程序，完成了S3C2440与带有IIC接口的外围芯片的通信，并实现了DS1621的配置和测温工作，正常工作中DS1621的典型温度转化时间为1 s，数据精度为0．5℃，典型的工作电压和电流值仅为3 V、10μA，具备较高的精度，且自身工作功耗小。通过增加DS1621的使用片数，还可扩展为一个低电压、低功耗的多点数字测温系统，可以广泛地应用在各种嵌入式系统中。驱动程序可使用于其他具有IlC接口的外围芯片的工作，也可将驱动应用于其他具有IIC接口的外围设备通信。