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基于Linux操作系统的数字温度传感器DS18B20驱动程序设计方案

来源： elecfans

2021-11-17

类别：工业控制

拍明

原标题：采用Linux的温度传感器DS18B20驱动程序设计方案

基于Linux操作系统的DS18B20数字温度传感器驱动程序设计方案

在当今物联网和嵌入式系统日益普及的时代，温度测量作为环境监测和控制的关键参数，扮演着至关重要的角色。数字温度传感器，尤其是基于1-Wire总线的DS18B20，因其高精度、宽测量范围、低功耗以及独特的单总线通信方式，成为众多应用场景中的优选。本设计方案将深入探讨如何在Linux操作系统环境下，从硬件选型到软件驱动实现，构建一套稳定可靠的DS18B20温度采集系统。

1. DS18B20数字温度传感器概述

DS18B20是Maxim Integrated公司生产的一款可编程分辨率的数字温度计，能够直接输出9到12位的数字温度值。其最大的特点是采用Dallas半导体独特的单总线（1-Wire）通信接口，仅需一根信号线（DQ）即可与微控制器进行双向通信，极大地简化了硬件连接。此外，DS18B20还支持寄生电源模式，即在没有单独电源线的情况下，通过数据线窃取电源，这在远程或电源受限的应用中尤为有利。其测量范围通常为-55°C至+125°C，精度在-10°C至+85°C范围内可达$pm0.5^circ C$。每个DS18B20都具有一个唯一的64位ROM序列号，这使得在同一总线上可以连接多个DS18B20而不发生地址冲突，实现多点温度监测。

2. 系统架构设计

基于Linux的DS18B20驱动系统通常采用分层设计，以提高模块化、可移植性和可维护性。其核心思想是将硬件操作与上层应用逻辑分离。

应用层 (User Space Application): 负责数据的读取、处理、显示、存储以及与用户交互。可以通过标准文件操作接口（open、read、close）与驱动程序进行通信。
内核层 (Kernel Space Driver): 负责与DS18B20传感器进行直接通信，包括1-Wire协议的实现、温度数据的读取和转换、错误处理等。通常以字符设备驱动或平台设备驱动的形式存在。
硬件层 (Hardware Interface): 包含DS18B20传感器本身以及与Linux开发板GPIO引脚的连接。

3. 硬件选型与接口设计

成功的驱动程序离不开稳定可靠的硬件基础。本节将详细阐述DS18B20系统中的关键元器件选择及其作用。

3.1 Linux开发板/微控制器

优选元器件型号: Raspberry Pi 4 Model B / BeagleBone Black / STM32MP1系列开发板

器件作用: 作为整个系统的核心控制器，提供运行Linux操作系统所需的计算能力、存储和丰富的GPIO接口，用于与DS18B20传感器进行通信。

选择理由:

Raspberry Pi 4 Model B: 因其强大的计算能力、丰富的社区支持、易于获取以及大量的GPIO引脚而广受欢迎。其基于ARM Cortex-A72处理器，足以运行完整的Linux发行版，如Raspbian。内置Wi-Fi和蓝牙也为数据上传和远程监控提供了便利。
BeagleBone Black: 另一个流行的开源嵌入式平台，具有ARM Cortex-A8处理器和丰富的扩展接口。其优势在于更低的功耗和更紧凑的尺寸，适合对功耗和尺寸有要求的应用。
STM32MP1系列开发板: 对于更专业的嵌入式应用，STMicroelectronics的STM32MP1系列微处理器提供了更强大的性能和更丰富的工业级接口。它们集成了ARM Cortex-A7和Cortex-M4双核架构，可以在一个芯片上同时运行Linux和实时操作系统，适合复杂的温度控制和数据采集系统。

功能:

处理器: 执行Linux内核和用户应用程序代码。
RAM: 提供程序运行所需的内存空间。
存储: 用于存储Linux操作系统、驱动程序和应用程序。
GPIO（通用输入/输出）: 提供可编程的数字I/O引脚，用于模拟1-Wire总线协议，与DS18B20进行数据交换。
外设接口: 例如USB、Ethernet等，可用于调试、数据传输和网络连接。

3.2 DS18B20数字温度传感器

优选元器件型号: Maxim Integrated DS18B20 (TO-92封装或防水封装)

器件作用: 核心的温度测量单元，将模拟温度值转换为数字信号。

选择理由:

高精度: 在工业和消费级应用中，其$pm0.5^circ C$的精度通常能够满足要求。
单总线（1-Wire）通信: 极大地简化了布线，只需一根数据线（DQ）、一根地线（GND），如果使用外部供电模式还需要一根电源线（VDD）。这种简洁性在多点温度测量时尤其有优势。
宽温度范围: -55°C至+125°C的测量范围使其适用于各种恶劣环境。
可编程分辨率: 用户可以根据应用需求选择9位到12位的分辨率，在测量速度和精度之间取得平衡。
唯一64位序列号: 允许多个DS18B20挂载在同一条总线上，通过ROM命令实现寻址。
寄生电源模式: 在某些应用中，可以仅通过数据线供电，进一步简化了布线。
封装多样性: TO-92封装适用于PCB焊接，而防水探头封装（如不锈钢封装）则适用于液体或潮湿环境的温度测量。

功能:

温度测量: 内置温度传感器和ADC，将环境温度转换为数字信号。
1-Wire接口: 支持单总线协议，实现与主控器的数据通信。
ROM: 存储唯一的64位序列号和配置寄存器。
EEPROM: 存储用户配置数据，如高/低报警触发点和分辨率设置。
存储器: 包含温度寄存器、配置寄存器、高/低温度触发寄存器和循环冗余校验（CRC）寄存器。

3.3 上拉电阻

优选元器件型号: 4.7k$Omega$金属膜电阻

器件作用: 在1-Wire总线上，上拉电阻是必不可少的。它将数据线（DQ）在空闲时拉高到电源电压，确保总线的默认状态为高电平。DS18B20和主控器通过拉低数据线来实现通信。

选择理由:

协议要求: 1-Wire协议规定在通信期间，主设备或从设备通过将数据线拉低来实现信号传输，当总线空闲时，数据线必须由上拉电阻拉高。
阻值选择: 4.7k$Omega$是一个经验值，在大多数应用中表现良好。如果总线较长或连接的DS18B20数量较多，可能需要适当减小电阻值，以保证信号的上升时间足够快，但同时也要避免过大的电流消耗。
材质: 金属膜电阻具有更好的稳定性和精度。

功能:

总线空闲状态保持: 确保1-Wire总线在没有设备通信时处于高电平状态。
信号完整性: 协助信号的上升沿，保证数据传输的可靠性。
电源供给 (寄生模式): 在寄生电源模式下，DS18B20在总线空闲时通过上拉电阻从数据线获取能量。

3.4 电源滤波电容 (可选但推荐)

优选元器件型号: 100nF陶瓷电容 (并联在DS18B20的VDD和GND之间)

器件作用: 滤除电源线上的高频噪声，为DS18B20提供更稳定的电源。尤其在寄生电源模式下，DS18B20在进行温度转换时需要较大的瞬时电流，一个合适的电容可以提供额外的能量缓冲，确保转换成功。

选择理由:

稳定性: 减少电源纹波和噪声，提高DS18B20测量的准确性和稳定性。
瞬态电流支持: 在寄生电源模式下，DS18B20在温度转换时会消耗较大的瞬时电流。100nF的陶瓷电容可以提供快速的能量补充，防止因供电不足导致的测量失败或错误。
可靠性: 良好的电源滤波能够延长DS18B20的使用寿命。

功能:

高频噪声旁路: 提供低阻抗通路，将高频噪声引入地。
能量储存: 短暂储存能量，在DS18B20需要大电流时迅速释放。

4. 硬件连接

DS18B20与Linux开发板的连接非常简单。以下以Raspberry Pi为例：

DS18B20 VDD (如果使用外部供电): 连接到Raspberry Pi的3.3V或5V引脚（取决于DS18B20的额定电压，DS18B20通常支持3.0V-5.5V）。
DS18B20 GND: 连接到Raspberry Pi的GND引脚。
DS18B20 DQ (数据线): 连接到Raspberry Pi的一个GPIO引脚（例如GPIO4，这是Raspberry Pi上1-Wire驱动默认使用的引脚）。
上拉电阻: 一个4.7k$Omega$电阻连接在DS18B20的DQ引脚和VCC（3.3V或5V）之间。

寄生电源模式下，DS18B20的VDD引脚需要连接到GND，数据线DQ通过上拉电阻连接到电源，同时DQ也连接到Raspberry Pi的GPIO。

5. Linux内核驱动程序设计

在Linux内核中实现DS18B20驱动程序主要有两种方式：使用现有的1-Wire子系统或编写独立的字符设备驱动。考虑到DS18B20的特殊性以及Linux内核对1-Wire设备的支持，使用1-Wire子系统是更优的选择，因为它提供了一套标准的API和数据结构，简化了开发。

5.1 Linux 1-Wire子系统概述

Linux内核提供了一个专门的1-Wire子系统（drivers/w1），用于管理1-Wire总线和连接在其上的设备。该子系统抽象了底层的1-Wire协议细节，为上层驱动程序提供了统一的接口。其核心组成部分包括：

1-Wire总线主控制器驱动 (Bus Master Driver): 负责实现特定硬件平台（如GPIO、SPI、I2C转1-Wire等）上的1-Wire时序和通信协议。例如，对于基于GPIO实现的1-Wire，需要一个GPIO 1-Wire总线主控制器驱动。
1-Wire从设备驱动 (Slave Device Driver): 负责解析特定1-Wire设备的协议（如DS18B20的温度读取协议），并将数据暴露给用户空间。

当1-Wire总线主控制器驱动加载并发现1-Wire总线上的设备时，它会通知1-Wire子系统。子系统会尝试匹配相应的从设备驱动，如果匹配成功，则会创建设备节点（通常在/sys/bus/w1/devices/下）。

5.2 启用1-Wire支持 (树莓派为例)

在Raspberry Pi上，首先需要确保内核支持1-Wire总线。这通常通过修改/boot/config.txt文件来实现：

dtoverlay=w1-gpio

如果需要指定不同的GPIO引脚，可以添加gpiopin参数，例如：

dtoverlay=w1-gpio,gpiopin=4

保存并重启Raspberry Pi后，内核应该会自动加载1-Wire总线主控制器驱动，并在/sys/bus/w1/devices/目录下创建相应的设备目录，其名称通常是DS18B20的64位ROM序列号（例如28-00000xxxxxxx）。

5.3 DS18B20内核驱动 (w1_therm)

幸运的是，Linux内核已经内置了针对DS18B20的从设备驱动 w1_therm。这个驱动程序会自动识别DS18B20设备，并在其设备目录下创建一个名为w1_slave的文件。用户空间程序只需读取这个文件即可获取温度数据。

驱动加载流程:

系统启动或模块加载: 1-Wire GPIO总线主控制器驱动（例如w1-gpio或w1_gpio_master）被加载。
总线扫描: 总线主控制器驱动执行总线复位和ROM搜索命令，发现连接到总线上的所有DS18B20设备。
设备注册: 对于每个发现的DS18B20，总线主控制器驱动会向1-Wire子系统注册一个新的从设备。
从设备驱动匹配: 1-Wire子系统会遍历其已注册的所有从设备驱动，尝试与新注册的DS18B20进行匹配。w1_therm驱动的ID表包含了DS18B20的家族码（0x28），因此会成功匹配。
设备文件创建: 一旦w1_therm驱动与DS18B20匹配成功，它会在/sys/bus/w1/devices/目录下创建一个以DS18B20的64位ROM序列号命名的子目录，并在该子目录下创建w1_slave文件。

5.4 DS18B20驱动的内部机制 (w1_therm)

w1_therm驱动的核心是实现DS18B20的通信协议来读取温度。当用户读取/sys/bus/w1/devices/XXXX/w1_slave文件时，w1_therm驱动会执行以下步骤：

发送“跳过ROM”命令 (0xCC) 或“匹配ROM”命令 (0x55 + 64位ROM地址): 通常使用“跳过ROM”命令，除非总线上有多个DS18B20需要单独寻址。
发送“温度转换”命令 (0x44): 启动DS18B20内部的温度测量和ADC转换过程。
延时等待转换完成: DS18B20的温度转换需要一定时间，具体取决于分辨率（例如，12位分辨率需要约750ms）。驱动程序会通过适当的延时或轮询DS18B20的状态来等待转换完成。
发送“读暂存器”命令 (0xBE): 从DS18B20的暂存器中读取9个字节的数据。这些数据包含了温度值、配置字节、高/低报警触发值以及CRC校验和。
CRC校验: 驱动程序会计算接收到的数据的CRC校验和，并与DS18B20提供的CRC值进行比较。如果校验失败，则说明数据传输有误，驱动程序会返回错误或无效数据。
解析温度值: 如果CRC校验通过，驱动程序会从接收到的数据中提取出原始温度值（16位有符号整数）。
温度单位转换和格式化: 将原始温度值根据DS18B20的数据格式进行转换（通常是16位补码形式，最低有效位代表0.0625摄氏度），并将其格式化为可读的字符串（例如“t=25125”表示25.125摄氏度），最后输出到w1_slave文件。

5.5 自定义内核模块 (如果w1_therm不满足需求)

在极少数情况下，如果w1_therm驱动无法满足特定需求（例如需要更精细的控制，或者在不支持设备树的旧内核版本上），开发者可能需要编写自己的DS18B20字符设备驱动。

驱动程序结构:

模块初始化与退出: module_init() 和 module_exit() 函数。
字符设备注册: 使用cdev_init()、cdev_add()注册字符设备。
文件操作集: 实现file_operations结构体，包括open、release、read、write等函数。
1-Wire总线操作: 在read函数中实现1-Wire时序的位操作，包括复位脉冲、存在脉冲、读写位等。这需要直接操作GPIO引脚，设置为输入/输出模式并控制高低电平。
DS18B20命令实现: 封装DS18B20的命令序列（如温度转换、读暂存器）。
数据解析与CRC校验: 解析读取到的原始数据并进行CRC校验。
错误处理: 完善的错误处理机制。

实现GPIO 1-Wire总线操作的关键函数（伪代码）：

// 初始化GPIO引脚
void gpio_init_1wire(int gpio_pin) {
    // 设置GPIO为输出模式
    // 设置GPIO为高电平
}

// 1-Wire复位和存在脉冲
int w1_reset_and_presence(int gpio_pin) {
    // 拉低GPIO 480us
    // 拉高GPIO 60us (释放总线)
    // 读GPIO，如果检测到低电平则有设备响应
    // 延时420us
    return presence_detected;
}

// 1-Wire写位
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
    }
    // 延时以满足时序要求
}

// 1-Wire读位
int w1_read_bit(int gpio_pin) {
    int bit_value;
    // 拉低GPIO 1us
    // 拉高GPIO
    // 延时15us
    // 读GPIO
    // 延时45us
    return bit_value;
}

// 1-Wire写字节
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读字节
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;
}

这些底层的位操作需要精确的时序控制，通常会使用内核提供的udelay()或ndelay()函数来实现微秒级的延时。同时，需要禁用中断以确保时序的准确性。

6. 用户空间应用程序设计

用户空间应用程序负责与内核驱动程序交互，获取温度数据，并进行后续处理。

6.1 读取DS18B20温度 (使用sysfs)

当1-Wire子系统和w1_therm驱动正确加载后，DS18B20的温度数据可以通过读取/sys/bus/w1/devices/XXXX/w1_slave文件来获取。

C语言示例:

#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设备，通常以"28-"开头
    // 实际应用中可能需要更健壮的设备查找逻辑
    // 这里假设只有一个DS18B20，并且其设备目录已经存在
    // 建议：可以使用opendir和readdir遍历/sys/bus/w1/devices/目录
    snprintf(w1_device_path, sizeof(w1_device_path), "/sys/bus/w1/devices/%s/
    w1_slave", "28-00000xxxxxxx"); // 替换为你的DS18B20实际ROM ID

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

    // 读取两行数据，第一行是CRC校验结果，第二行是温度数据
    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);

    // 解析温度数据
    // 查找"t="的起始位置
    char *temp_str = strstr(buf, "t=");
    if (temp_str != NULL) {
        // 跳过"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;
}

编译命令: gcc -o read_temp read_temp.c

运行: ./read_temp

6.2 用户空间GPIO位操作 (如果不用内核1-Wire子系统)

如果选择在用户空间直接操作GPIO模拟1-Wire协议（例如，在资源非常有限的系统或为了快速原型开发），可以使用sysfs接口或libgpiod库。

Sysfs GPIO操作示例 (不推荐用于精确时序，因为用户空间切换和调度可能导致时序不准):

// 导出GPIO
echo 4 > /sys/class/gpio/export
// 设置为输出
echo out > /sys/class/gpio/gpio4/direction
// 设置为高电平
echo 1 > /sys/class/gpio/gpio4/value
// 设置为输入
echo in > /sys/class/gpio/gpio4/direction
// 读取值
cat /sys/class/gpio/gpio4/value
// 卸载GPIO
echo 4 > /sys/class/gpio/unexport

Libgpiod库 (推荐用于用户空间GPIO操作，因为它提供了更强大的功能和更好的性能):

libgpiod是一个新的Linux GPIO库，旨在替代传统的sysfs GPIO接口，提供更稳定和高效的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连接的GPIO引脚号

// ... (省略1-Wire协议实现，这里仅展示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;
    }

    // 设置为输出模式并初始为高电平
    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复位脉冲的一部分)
    gpiod_line_set_value(line, 0); // 拉低
    usleep(500); // 延时500微秒
    gpiod_line_set_value(line, 1); // 拉高
    usleep(60); // 延时60微秒

    // 切换为输入模式读取
    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 数据处理与展示

获取到温度数据后，用户空间应用程序可以：

数据平滑处理: 对连续采集的温度数据进行平均或滤波，消除瞬时波动。
温度报警: 设置温度阈值，当温度超出范围时触发报警（如邮件、短信、蜂鸣器）。
数据可视化: 使用图表库（如gnuplot、matplotlib通过Python）将温度变化趋势可视化。
数据存储: 将温度数据记录到文件、数据库（如SQLite、InfluxDB）或上传到云平台（如MQTT、HTTP POST）。
网络发布: 通过MQTT、HTTP或WebSocket协议将温度数据发布到局域网或互联网，实现远程监控。

7. 调试与故障排除

在开发和部署DS18B20驱动程序时，可能会遇到各种问题。以下是一些常见的调试技巧和故障排除方法：

检查硬件连接: 仔细检查DS18B20与Linux开发板之间的所有连接，特别是数据线、地线和上拉电阻。确保上拉电阻值正确，并且DS18B20的供电电压在允许范围内。
确认1-Wire DTOVERLAY加载: 检查/boot/config.txt是否正确配置了dtoverlay=w1-gpio，并重启系统。
检查内核日志: 使用dmesg命令查看内核日志，搜索与1-Wire子系统或DS18B20相关的错误或警告信息。例如，dmesg | grep w1。
检查sysfs设备节点: 确认/sys/bus/w1/devices/目录下是否存在DS18B20的设备目录（以28-开头）。如果没有，说明内核驱动可能没有成功识别设备，或者硬件连接存在问题。
CRC校验失败: 如果读取w1_slave文件时看到CRC校验失败的错误信息，通常是由于硬件连接不良、总线干扰、上拉电阻值不合适或电源问题导致数据传输错误。尝试更换上拉电阻，检查线缆质量，或者增加电源滤波电容。
权限问题: 确保用户空间程序有权限读取/sys/bus/w1/devices/XXXX/w1_slave文件。通常，以root用户或将用户添加到gpio或i2c组可以解决权限问题。
多传感器寻址: 如果总线上连接了多个DS18B20，确保在用户空间程序中能够正确地根据ROM ID访问每个传感器。
时序问题 (自定义驱动): 如果自己编写内核模块或用户空间GPIO驱动，时序是关键。使用示波器检查GPIO引脚的波形，确保复位脉冲、存在脉冲和数据位的时序符合DS18B20数据手册的要求。特别是udelay()或ndelay()的精度，以及中断对时序的影响。
寄生电源模式: 在寄生电源模式下，DS18B20在温度转换期间需要较大的电流。如果供电不足，可能会导致转换失败或读数不准确。确保上拉电阻能够提供足够的电流，并且在DQ线和GND之间并联一个100nF的电容可以改善稳定性。