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。

1Linux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

2.1DS18B20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。


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。


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：



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93.75ms；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：



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。


2.3DS18B20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 μs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。


3Linux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(GPBl)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 μs，再释放数据线，等待约60 μs。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：


读N字节子程序如下：


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。