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基于Linux操作系統的數字溫度傳感器DS18B20驅動程序設計方案

來源： elecfans

2021-11-17

類別：工業控制

拍明

原標題：采用Linux的溫度傳感器DS18B20驅動程序設計方案

基于Linux操作系統的DS18B20數字溫度傳感器驅動程序設計方案

在當今物聯網和嵌入式系統日益普及的時代，溫度測量作為環境監測和控制的關鍵參數，扮演著至關重要的角色。數字溫度傳感器，尤其是基于1-Wire總線的DS18B20，因其高精度、寬測量范圍、低功耗以及獨特的單總線通信方式，成為眾多應用場景中的優選。本設計方案將深入探討如何在Linux操作系統環境下，從硬件選型到軟件驅動實現，構建一套穩定可靠的DS18B20溫度采集系統。

1. DS18B20數字溫度傳感器概述

DS18B20是Maxim Integrated公司生產的一款可編程分辨率的數字溫度計，能夠直接輸出9到12位的數字溫度值。其最大的特點是采用Dallas半導體獨特的單總線（1-Wire）通信接口，僅需一根信號線（DQ）即可與微控制器進行雙向通信，極大地簡化了硬件連接。此外，DS18B20還支持寄生電源模式，即在沒有單獨電源線的情況下，通過數據線竊取電源，這在遠程或電源受限的應用中尤為有利。其測量范圍通常為-55°C至+125°C，精度在-10°C至+85°C范圍內可達$pm0.5^circ C$。每個DS18B20都具有一個唯一的64位ROM序列號，這使得在同一總線上可以連接多個DS18B20而不發生地址沖突，實現多點溫度監測。

2. 系統架構設計

基于Linux的DS18B20驅動系統通常采用分層設計，以提高模塊化、可移植性和可維護性。其核心思想是將硬件操作與上層應用邏輯分離。

應用層 (User Space Application): 負責數據的讀取、處理、顯示、存儲以及與用戶交互。可以通過標準文件操作接口（open、read、close）與驅動程序進行通信。
內核層 (Kernel Space Driver): 負責與DS18B20傳感器進行直接通信，包括1-Wire協議的實現、溫度數據的讀取和轉換、錯誤處理等。通常以字符設備驅動或平臺設備驅動的形式存在。
硬件層 (Hardware Interface): 包含DS18B20傳感器本身以及與Linux開發板GPIO引腳的連接。

3. 硬件選型與接口設計

成功的驅動程序離不開穩定可靠的硬件基礎。本節將詳細闡述DS18B20系統中的關鍵元器件選擇及其作用。

3.1 Linux開發板/微控制器

優選元器件型號: Raspberry Pi 4 Model B / BeagleBone Black / STM32MP1系列開發板

器件作用: 作為整個系統的核心控制器，提供運行Linux操作系統所需的計算能力、存儲和豐富的GPIO接口，用于與DS18B20傳感器進行通信。

選擇理由:

Raspberry Pi 4 Model B: 因其強大的計算能力、豐富的社區支持、易于獲取以及大量的GPIO引腳而廣受歡迎。其基于ARM Cortex-A72處理器，足以運行完整的Linux發行版，如Raspbian。內置Wi-Fi和藍牙也為數據上傳和遠程監控提供了便利。
BeagleBone Black: 另一個流行的開源嵌入式平臺，具有ARM Cortex-A8處理器和豐富的擴展接口。其優勢在于更低的功耗和更緊湊的尺寸，適合對功耗和尺寸有要求的應用。
STM32MP1系列開發板: 對于更專業的嵌入式應用，STMicroelectronics的STM32MP1系列微處理器提供了更強大的性能和更豐富的工業級接口。它們集成了ARM Cortex-A7和Cortex-M4雙核架構，可以在一個芯片上同時運行Linux和實時操作系統，適合復雜的溫度控制和數據采集系統。

功能:

處理器: 執行Linux內核和用戶應用程序代碼。
RAM: 提供程序運行所需的內存空間。
存儲: 用于存儲Linux操作系統、驅動程序和應用程序。
GPIO（通用輸入/輸出）: 提供可編程的數字I/O引腳，用于模擬1-Wire總線協議，與DS18B20進行數據交換。
外設接口: 例如USB、Ethernet等，可用于調試、數據傳輸和網絡連接。

3.2 DS18B20數字溫度傳感器

優選元器件型號: Maxim Integrated DS18B20 (TO-92封裝或防水封裝)

器件作用: 核心的溫度測量單元，將模擬溫度值轉換為數字信號。

選擇理由:

高精度: 在工業和消費級應用中，其$pm0.5^circ C$的精度通常能夠滿足要求。
單總線（1-Wire）通信: 極大地簡化了布線，只需一根數據線（DQ）、一根地線（GND），如果使用外部供電模式還需要一根電源線（VDD）。這種簡潔性在多點溫度測量時尤其有優勢。
寬溫度范圍: -55°C至+125°C的測量范圍使其適用于各種惡劣環境。
可編程分辨率: 用戶可以根據應用需求選擇9位到12位的分辨率，在測量速度和精度之間取得平衡。
唯一64位序列號: 允許多個DS18B20掛載在同一條總線上，通過ROM命令實現尋址。
寄生電源模式: 在某些應用中，可以僅通過數據線供電，進一步簡化了布線。
封裝多樣性: TO-92封裝適用于PCB焊接，而防水探頭封裝（如不銹鋼封裝）則適用于液體或潮濕環境的溫度測量。

功能:

溫度測量: 內置溫度傳感器和ADC，將環境溫度轉換為數字信號。
1-Wire接口: 支持單總線協議，實現與主控器的數據通信。
ROM: 存儲唯一的64位序列號和配置寄存器。
EEPROM: 存儲用戶配置數據，如高/低報警觸發點和分辨率設置。
存儲器: 包含溫度寄存器、配置寄存器、高/低溫度觸發寄存器和循環冗余校驗（CRC）寄存器。

3.3 上拉電阻

優選元器件型號: 4.7k$Omega$金屬膜電阻

器件作用: 在1-Wire總線上，上拉電阻是必不可少的。它將數據線（DQ）在空閑時拉高到電源電壓，確保總線的默認狀態為高電平。DS18B20和主控器通過拉低數據線來實現通信。

選擇理由:

協議要求: 1-Wire協議規定在通信期間，主設備或從設備通過將數據線拉低來實現信號傳輸，當總線空閑時，數據線必須由上拉電阻拉高。
阻值選擇: 4.7k$Omega$是一個經驗值，在大多數應用中表現良好。如果總線較長或連接的DS18B20數量較多，可能需要適當減小電阻值，以保證信號的上升時間足夠快，但同時也要避免過大的電流消耗。
材質: 金屬膜電阻具有更好的穩定性和精度。

功能:

總線空閑狀態保持: 確保1-Wire總線在沒有設備通信時處于高電平狀態。
信號完整性: 協助信號的上升沿，保證數據傳輸的可靠性。
電源供給 (寄生模式): 在寄生電源模式下，DS18B20在總線空閑時通過上拉電阻從數據線獲取能量。

3.4 電源濾波電容 (可選但推薦)

優選元器件型號: 100nF陶瓷電容 (并聯在DS18B20的VDD和GND之間)

器件作用: 濾除電源線上的高頻噪聲，為DS18B20提供更穩定的電源。尤其在寄生電源模式下，DS18B20在進行溫度轉換時需要較大的瞬時電流，一個合適的電容可以提供額外的能量緩沖，確保轉換成功。

選擇理由:

穩定性: 減少電源紋波和噪聲，提高DS18B20測量的準確性和穩定性。
瞬態電流支持: 在寄生電源模式下，DS18B20在溫度轉換時會消耗較大的瞬時電流。100nF的陶瓷電容可以提供快速的能量補充，防止因供電不足導致的測量失敗或錯誤。
可靠性: 良好的電源濾波能夠延長DS18B20的使用壽命。

功能:

高頻噪聲旁路: 提供低阻抗通路，將高頻噪聲引入地。
能量儲存: 短暫儲存能量，在DS18B20需要大電流時迅速釋放。

4. 硬件連接

DS18B20與Linux開發板的連接非常簡單。以下以Raspberry Pi為例：

DS18B20 VDD (如果使用外部供電): 連接到Raspberry Pi的3.3V或5V引腳（取決于DS18B20的額定電壓，DS18B20通常支持3.0V-5.5V）。
DS18B20 GND: 連接到Raspberry Pi的GND引腳。
DS18B20 DQ (數據線): 連接到Raspberry Pi的一個GPIO引腳（例如GPIO4，這是Raspberry Pi上1-Wire驅動默認使用的引腳）。
上拉電阻: 一個4.7k$Omega$電阻連接在DS18B20的DQ引腳和VCC（3.3V或5V）之間。

寄生電源模式下，DS18B20的VDD引腳需要連接到GND，數據線DQ通過上拉電阻連接到電源，同時DQ也連接到Raspberry Pi的GPIO。

5. Linux內核驅動程序設計

在Linux內核中實現DS18B20驅動程序主要有兩種方式：使用現有的1-Wire子系統或編寫獨立的字符設備驅動。考慮到DS18B20的特殊性以及Linux內核對1-Wire設備的支持，使用1-Wire子系統是更優的選擇，因為它提供了一套標準的API和數據結構，簡化了開發。

5.1 Linux 1-Wire子系統概述

Linux內核提供了一個專門的1-Wire子系統（drivers/w1），用于管理1-Wire總線和連接在其上的設備。該子系統抽象了底層的1-Wire協議細節，為上層驅動程序提供了統一的接口。其核心組成部分包括：

1-Wire總線主控制器驅動 (Bus Master Driver): 負責實現特定硬件平臺（如GPIO、SPI、I2C轉1-Wire等）上的1-Wire時序和通信協議。例如，對于基于GPIO實現的1-Wire，需要一個GPIO 1-Wire總線主控制器驅動。
1-Wire從設備驅動 (Slave Device Driver): 負責解析特定1-Wire設備的協議（如DS18B20的溫度讀取協議），并將數據暴露給用戶空間。

當1-Wire總線主控制器驅動加載并發現1-Wire總線上的設備時，它會通知1-Wire子系統。子系統會嘗試匹配相應的從設備驅動，如果匹配成功，則會創建設備節點（通常在/sys/bus/w1/devices/下）。

5.2 啟用1-Wire支持 (樹莓派為例)

在Raspberry Pi上，首先需要確保內核支持1-Wire總線。這通常通過修改/boot/config.txt文件來實現：

dtoverlay=w1-gpio

如果需要指定不同的GPIO引腳，可以添加gpiopin參數，例如：

dtoverlay=w1-gpio,gpiopin=4

保存并重啟Raspberry Pi后，內核應該會自動加載1-Wire總線主控制器驅動，并在/sys/bus/w1/devices/目錄下創建相應的設備目錄，其名稱通常是DS18B20的64位ROM序列號（例如28-00000xxxxxxx）。

5.3 DS18B20內核驅動 (w1_therm)

幸運的是，Linux內核已經內置了針對DS18B20的從設備驅動 w1_therm。這個驅動程序會自動識別DS18B20設備，并在其設備目錄下創建一個名為w1_slave的文件。用戶空間程序只需讀取這個文件即可獲取溫度數據。

驅動加載流程:

系統啟動或模塊加載: 1-Wire GPIO總線主控制器驅動（例如w1-gpio或w1_gpio_master）被加載。
總線掃描: 總線主控制器驅動執行總線復位和ROM搜索命令，發現連接到總線上的所有DS18B20設備。
設備注冊: 對于每個發現的DS18B20，總線主控制器驅動會向1-Wire子系統注冊一個新的從設備。
從設備驅動匹配: 1-Wire子系統會遍歷其已注冊的所有從設備驅動，嘗試與新注冊的DS18B20進行匹配。w1_therm驅動的ID表包含了DS18B20的家族碼（0x28），因此會成功匹配。
設備文件創建: 一旦w1_therm驅動與DS18B20匹配成功，它會在/sys/bus/w1/devices/目錄下創建一個以DS18B20的64位ROM序列號命名的子目錄，并在該子目錄下創建w1_slave文件。

5.4 DS18B20驅動的內部機制 (w1_therm)

w1_therm驅動的核心是實現DS18B20的通信協議來讀取溫度。當用戶讀取/sys/bus/w1/devices/XXXX/w1_slave文件時，w1_therm驅動會執行以下步驟：

發送“跳過ROM”命令 (0xCC) 或“匹配ROM”命令 (0x55 + 64位ROM地址): 通常使用“跳過ROM”命令，除非總線上有多個DS18B20需要單獨尋址。
發送“溫度轉換”命令 (0x44): 啟動DS18B20內部的溫度測量和ADC轉換過程。
延時等待轉換完成: DS18B20的溫度轉換需要一定時間，具體取決于分辨率（例如，12位分辨率需要約750ms）。驅動程序會通過適當的延時或輪詢DS18B20的狀態來等待轉換完成。
發送“讀暫存器”命令 (0xBE): 從DS18B20的暫存器中讀取9個字節的數據。這些數據包含了溫度值、配置字節、高/低報警觸發值以及CRC校驗和。
CRC校驗: 驅動程序會計算接收到的數據的CRC校驗和，并與DS18B20提供的CRC值進行比較。如果校驗失敗，則說明數據傳輸有誤，驅動程序會返回錯誤或無效數據。
解析溫度值: 如果CRC校驗通過，驅動程序會從接收到的數據中提取出原始溫度值（16位有符號整數）。
溫度單位轉換和格式化: 將原始溫度值根據DS18B20的數據格式進行轉換（通常是16位補碼形式，最低有效位代表0.0625攝氏度），并將其格式化為可讀的字符串（例如“t=25125”表示25.125攝氏度），最后輸出到w1_slave文件。

5.5 自定義內核模塊 (如果w1_therm不滿足需求)

在極少數情況下，如果w1_therm驅動無法滿足特定需求（例如需要更精細的控制，或者在不支持設備樹的舊內核版本上），開發者可能需要編寫自己的DS18B20字符設備驅動。

驅動程序結構:

模塊初始化與退出: module_init() 和 module_exit() 函數。
字符設備注冊: 使用cdev_init()、cdev_add()注冊字符設備。
文件操作集: 實現file_operations結構體，包括open、release、read、write等函數。
1-Wire總線操作: 在read函數中實現1-Wire時序的位操作，包括復位脈沖、存在脈沖、讀寫位等。這需要直接操作GPIO引腳，設置為輸入/輸出模式并控制高低電平。
DS18B20命令實現: 封裝DS18B20的命令序列（如溫度轉換、讀暫存器）。
數據解析與CRC校驗: 解析讀取到的原始數據并進行CRC校驗。
錯誤處理: 完善的錯誤處理機制。

實現GPIO 1-Wire總線操作的關鍵函數（偽代碼）：

// 初始化GPIO引腳
void gpio_init_1wire(int gpio_pin) {
    // 設置GPIO為輸出模式
    // 設置GPIO為高電平
}

// 1-Wire復位和存在脈沖
int w1_reset_and_presence(int gpio_pin) {
    // 拉低GPIO 480us
    // 拉高GPIO 60us (釋放總線)
    // 讀GPIO，如果檢測到低電平則有設備響應
    // 延時420us
    return presence_detected;
}

// 1-Wire寫位
void w1_write_bit(int gpio_pin, int bit) {
    if (bit) {
        // 拉低GPIO 1us
        // 拉高GPIO 60us
    } else {
        // 拉低GPIO 60us
        // 拉高GPIO 1us
    }
    // 延時以滿足時序要求
}

// 1-Wire讀位
int w1_read_bit(int gpio_pin) {
    int bit_value;
    // 拉低GPIO 1us
    // 拉高GPIO
    // 延時15us
    // 讀GPIO
    // 延時45us
    return bit_value;
}

// 1-Wire寫字節
void w1_write_byte(int gpio_pin, unsigned char byte) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        w1_write_bit(gpio_pin, (byte >> i) & 0x01);
    }
}

// 1-Wire讀字節
unsigned char w1_read_byte(int gpio_pin) {
    unsigned char byte = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        if (w1_read_bit(gpio_pin)) {
            byte |= (1 << i);
        }
    }
    return byte;
}

這些底層的位操作需要精確的時序控制，通常會使用內核提供的udelay()或ndelay()函數來實現微秒級的延時。同時，需要禁用中斷以確保時序的準確性。

6. 用戶空間應用程序設計

用戶空間應用程序負責與內核驅動程序交互，獲取溫度數據，并進行后續處理。

6.1 讀取DS18B20溫度 (使用sysfs)

當1-Wire子系統和w1_therm驅動正確加載后，DS18B20的溫度數據可以通過讀取/sys/bus/w1/devices/XXXX/w1_slave文件來獲取。

C語言示例:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define MAX_BUF_SIZE 256

int main() {
    char w1_device_path[MAX_BUF_SIZE];
    char buf[MAX_BUF_SIZE];
    ssize_t bytes_read;
    FILE *fp;
    long temperature_raw;
    float temperature_celsius;

    // 查找DS18B20設備，通常以"28-"開頭
    // 實際應用中可能需要更健壯的設備查找邏輯
    // 這里假設只有一個DS18B20，并且其設備目錄已經存在
    // 建議：可以使用opendir和readdir遍歷/sys/bus/w1/devices/目錄
    snprintf(w1_device_path, sizeof(w1_device_path), "/sys/bus/w1/devices/%s/
    w1_slave", "28-00000xxxxxxx"); // 替換為你的DS18B20實際ROM ID

    fp = fopen(w1_device_path, "r");
    if (fp == NULL) {
        perror("Failed to open w1_slave file");
        return 1;
    }

    // 讀取兩行數據，第一行是CRC校驗結果，第二行是溫度數據
    if (fgets(buf, sizeof(buf), fp) == NULL) {
        perror("Failed to read first line from w1_slave");
        fclose(fp);
        return 1;
    }
    if (fgets(buf, sizeof(buf), fp) == NULL) {
        perror("Failed to read second line from w1_slave");
        fclose(fp);
        return 1;
    }

    fclose(fp);

    // 解析溫度數據
    // 查找"t="的起始位置
    char *temp_str = strstr(buf, "t=");
    if (temp_str != NULL) {
        // 跳過"t="
        temp_str += 2;
        temperature_raw = atol(temp_str);
        temperature_celsius = (float)temperature_raw / 1000.0f;
        printf("Temperature: %.2f C
", temperature_celsius);
    } else {
        fprintf(stderr, "Could not find 't=' in w1_slave data.
");
        return 1;
    }

    return 0;
}

編譯命令: gcc -o read_temp read_temp.c

運行: ./read_temp

6.2 用戶空間GPIO位操作 (如果不用內核1-Wire子系統)

如果選擇在用戶空間直接操作GPIO模擬1-Wire協議（例如，在資源非常有限的系統或為了快速原型開發），可以使用sysfs接口或libgpiod庫。

Sysfs GPIO操作示例 (不推薦用于精確時序，因為用戶空間切換和調度可能導致時序不準):

// 導出GPIO
echo 4 > /sys/class/gpio/export
// 設置為輸出
echo out > /sys/class/gpio/gpio4/direction
// 設置為高電平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio4/value
// 設置為輸入
echo in > /sys/class/gpio/gpio4/direction
// 讀取值
cat /sys/class/gpio/gpio4/value
// 卸載GPIO
echo 4 > /sys/class/gpio/unexport

Libgpiod庫 (推薦用于用戶空間GPIO操作，因為它提供了更強大的功能和更好的性能):

libgpiod是一個新的Linux GPIO庫，旨在替代傳統的sysfs GPIO接口，提供更穩定和高效的GPIO控制。

#include <gpiod.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> // For usleep

#define GPIO_CHIP_NAME "gpiochip0" // 通常是gpiochip0或gpiochip1
#define GPIO_PIN 4                 // 你的DS18B20連接的GPIO引腳號

// ... (省略1-Wire協議實現，這里僅展示libgpiod的基本用法)

int main() {
    struct gpiod_chip *chip;
    struct gpiod_line *line;
    int ret;

    chip = gpiod_chip_open_by_name(GPIO_CHIP_NAME);
    if (!chip) {
        perror("Open chip failed");
        return 1;
    }

    line = gpiod_chip_get_line(chip, GPIO_PIN);
    if (!line) {
        perror("Get line failed");
        gpiod_chip_close(chip);
        return 1;
    }

    // 設置為輸出模式并初始為高電平
    ret = gpiod_line_request_output(line, "ds18b20_driver", 1);
    if (ret < 0) {
        perror("Request line as output failed");
        gpiod_chip_close(chip);
        return 1;
    }

    // 示例：拉低GPIO 500us (1-Wire復位脈沖的一部分)
    gpiod_line_set_value(line, 0); // 拉低
    usleep(500); // 延時500微秒
    gpiod_line_set_value(line, 1); // 拉高
    usleep(60); // 延時60微秒

    // 切換為輸入模式讀取
    ret = gpiod_line_request_input(line, "ds18b20_driver");
    if (ret < 0) {
        perror("Request line as input failed");
        gpiod_chip_close(chip);
        return 1;
    }

    int value = gpiod_line_get_value(line);
    printf("GPIO %d value: %d
", GPIO_PIN, value);

    gpiod_line_release(line);
    gpiod_chip_close(chip);

    return 0;
}

6.3 數據處理與展示

獲取到溫度數據后，用戶空間應用程序可以：

數據平滑處理: 對連續采集的溫度數據進行平均或濾波，消除瞬時波動。
溫度報警: 設置溫度閾值，當溫度超出范圍時觸發報警（如郵件、短信、蜂鳴器）。
數據可視化: 使用圖表庫（如gnuplot、matplotlib通過Python）將溫度變化趨勢可視化。
數據存儲: 將溫度數據記錄到文件、數據庫（如SQLite、InfluxDB）或上傳到云平臺（如MQTT、HTTP POST）。
網絡發布: 通過MQTT、HTTP或WebSocket協議將溫度數據發布到局域網或互聯網，實現遠程監控。

7. 調試與故障排除

在開發和部署DS18B20驅動程序時，可能會遇到各種問題。以下是一些常見的調試技巧和故障排除方法：

檢查硬件連接: 仔細檢查DS18B20與Linux開發板之間的所有連接，特別是數據線、地線和上拉電阻。確保上拉電阻值正確，并且DS18B20的供電電壓在允許范圍內。
確認1-Wire DTOVERLAY加載: 檢查/boot/config.txt是否正確配置了dtoverlay=w1-gpio，并重啟系統。
檢查內核日志: 使用dmesg命令查看內核日志，搜索與1-Wire子系統或DS18B20相關的錯誤或警告信息。例如，dmesg | grep w1。
檢查sysfs設備節點: 確認/sys/bus/w1/devices/目錄下是否存在DS18B20的設備目錄（以28-開頭）。如果沒有，說明內核驅動可能沒有成功識別設備，或者硬件連接存在問題。
CRC校驗失敗: 如果讀取w1_slave文件時看到CRC校驗失敗的錯誤信息，通常是由于硬件連接不良、總線干擾、上拉電阻值不合適或電源問題導致數據傳輸錯誤。嘗試更換上拉電阻，檢查線纜質量，或者增加電源濾波電容。
權限問題: 確保用戶空間程序有權限讀取/sys/bus/w1/devices/XXXX/w1_slave文件。通常，以root用戶或將用戶添加到gpio或i2c組可以解決權限問題。
多傳感器尋址: 如果總線上連接了多個DS18B20，確保在用戶空間程序中能夠正確地根據ROM ID訪問每個傳感器。
時序問題 (自定義驅動): 如果自己編寫內核模塊或用戶空間GPIO驅動，時序是關鍵。使用示波器檢查GPIO引腳的波形，確保復位脈沖、存在脈沖和數據位的時序符合DS18B20數據手冊的要求。特別是udelay()或ndelay()的精度，以及中斷對時序的影響。
寄生電源模式: 在寄生電源模式下，DS18B20在溫度轉換期間需要較大的電流。如果供電不足，可能會導致轉換失敗或讀數不準確。確保上拉電阻能夠提供足夠的電流，并且在DQ線和GND之間并聯一個100nF的電容可以改善穩定性。