作者:李春光 赵月 王旭春 
 
    摘要：嵌入式系统中,三星S3C2410处理器与数字温度传感器TC77 之间的通信由于受到数据宽度的限制,采用现有接口难以实现。本文采用虚拟SPI时序实现了TC77与S3C2410的正常通信,并给出了连接图和相应的驱动程序。该方法对嵌入式系统开发中类似的问题提供了较好的解决方案。
关键词：数字温度传感器,嵌入式Linux,虚拟SPI时序

    1 引言

    串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种通用串行接口。它是一种三线同步总线,硬件功能很强。但是在数字温度传感器TC77与三星S3C2410处理器的通信中,由于受到数据宽度的限制,采用S3C2410现有SPI接口难以实现,为满足嵌入式温度采集系统的实际功能需求,设计了一种新的实现方法——嵌入式系统虚拟SPI时序技术,与外围设备进行SPI通信。实践证明,虚拟SPI时序技术实现的通信具有稳定、正确、健壮、易用的特点,其系统功能实现的可靠性以及成本、功耗等方面都符合了实际要求。

    2 数字温度传感器TC77

    TC77是Microchip公司生产的串联可访问数字温度传感器,特别适合于廉价、小尺寸应用中。温度数据从内部温度敏感元件转换而来,随时都可以转化成13位有效数字。TC77在+25°C到 +65°C范围内,可以精确到±1.0°C。工作电流仅250 μA。如采用外部配置电阻,可以进入低功耗的关机（Shutdown）模式,电流仅0.1 μA。TC77作为从设备、运行在持续转换温度模式下时,通过其SPI接口可与微处理器进行实时通信。其引脚如图1,各引脚的功能见表1。

    图1  TC77引脚

    表1  TC77引脚功能

引脚   引脚功能
 
SI/O   串行数据输入/输出
 
SCK    串行时钟信号
 
Vss    地
 
/CS    片选（低电平有效）
 
VDD    电源输入（2.7V至5.5V有效）
 
    由于采用虚拟SPI时序进行通信,在实现通信过程中,必须了解TC77传感器数据输入输出的时序参数,否则无法实现正常通信,也就不能实现TC77与S3C2410的正确数据收发。TC77数据输出时序见图2,数据输出时序参数见表2。

    图2   TC77数据输出时序

    表2  TC77数据输出时序参数

 参数                                  最小值         最大值          单位
 
fclk（时钟频率）                        —             7.0            MHz
tcs-sck（片选信号下跳沿到第一个SCK上升沿100             —            ns
tcs-SI/O（片选信号低到数据输出延迟）    —             70             ns
tDO（SCK下跳沿到数据输出的延迟）        —             100            ns
tDIS（片选信号高电平到数据输出三态）    —             200            ns

    3 基于S3C2410嵌入式硬件平台简介

    S3C2410处理器是三星公司基于ARM公司的ARM920T处理器核,采用0.18微米制造工艺的微处理器,具有16KB指令和16KB数据Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的Timer、I/O口、RTC、8路10位ADC、Touch Screen接口、IIC-BUS接口、IIＳ-BUS接口、２个USB主机、１个USB设备、SD和MMC接口和2路SPI。S3C2410处理器最高可运新在268MHz。

    4 虚拟SPI时序在通信接口中的设计与实现

    虽然S3C2410本身具有SPI接口,但它与外部设备通信一次只能收发8位数据。而TC77输出与温度相关的数据有16位,数据宽度不一致。本系统采用虚拟SPI时序的方法,将S3C2410中的通用接口的某些引脚与TC77相连,如图3所示,TC77中的电源线和地线直接与开发板的电源线与地线连接,片选信号/CS、SC、SI/O分别与通用端口中的E13、E12、E11连接。

    图３　　采用SPI虚拟时序法、TC77与S3C2410的连接图

    根据TC77数据输出时序及相关参数,一次数据输出的虚拟SPI时序步骤如下：

1．将SC和/CS置高,初始化通信,将/CS置低,延迟,进入开始接受数据状态。

2．将SC置低,延迟,将SC置高。

3．采样SI/O信号线上的数据,延迟。

4．转入步骤2,循环直至收到16位数据。

5．通过将/CS置高结束通信,进入停止状态。

   虚拟SPI时序在通信接口中的实现如下：

    （1）设备的初始化及卸载

   当设备驱动程序通过insmod程序插入到核心时,内核调用模块的init函数,该函数名通过一个名为module-init的宏定义声明,比如：module-init(init-temperature),

  Static int_ _init  inti-temperature(void)

{…

   temperature-file=create-proc-entry(“tem”,044,NULL);//建立/proc/tem文件

   temperature-fileàdata=NULL;//无需参数

temperature-file àread-proc=&proc_read;//指向回调函数指针,该函数会在文件读操作时执行

temperature-file àwrite-proc=NULL;//无需写文件

temperature-file àowner=THIS_MODULE;//该文件为本模块使用

gpbase=ioremap_nicache(0x56000000,0x80);//映射E端口虚地址

spi_con=readl(gpbase+0x40) ;//取出E端口控制字寄存器值

spi_dat=readl(gpbase+0x44);// 取出E端口数据寄存器值

writel(spi_con&0xf03fffff|0x05000000,gpbase+0x40) ;//E端口中E12、E13管脚设为输出

//模式,E11设定为输入模式

     …

}

模块卸载时通过用module_exit(cleanup-temperature)宏定义声明卸载函数。、

Static void_ _ exit cleanup-temperature(void)

{ …

  writel(gpbase+0x40,spi_con);//恢复E端口控制字

  writel(gpbase+0x44,spi_dat);//恢复E端口控制字寄存器值

  iounmap(gpbase);//取消虚地址映射

}

（2） 温度采集函数

Static int proc_read (char *page, char **start,off_t off, int count, int *eof, void *data)

{ 

int len,temperature,i;

 Writel(spi_dat&0xdfff,gpbase+0x44);// E13管脚设为低电平,发出选通信号

udelay(100);

Temperature=0;

For(i=0;i<16;i++){

writel(spi_dat&0xefff,gpbase+0x44)// E12引脚设为低,即时钟线变为低

 Udelay(100);

writel(spi_dat|0x1000,gpbase+0x44);// E12引脚设为高,即时钟线变为高

 Udelay(100);

temperature=((temperature<<1|(readl(gpbase+0x44)&(0x0800= =0x0800))//读取E11引脚状态

}

writel(spi_dat|0x02000,gpbase+0x44);// E13管脚设为高电平,取消选通状态

temperature/=128;

len=sprintf(page,”%+d”,temperature);

Return len;

}

(3)温度数据的读取

  在用户程序中,对设备文件/proc/temp读取采集到的温度值。

main()

{

   …

   Int fd=open(“/proc/temperature”,O_RDONLY );

   read(fd,buffer,buffer_length);

   close(fd);

   …

}

    5 结论

   SPI总线现已广泛应用于各种数字电路中,能够与各种微处理器相连。尤其是在没有设置SPI专用接口的场合,采用虚拟SPI的方法是一种简便易行的解决方案。实践证明,虚拟SPI时序技术实现的通信具有稳定、正确、健壮、易用的特点,其系统功能实现的可靠性以及成本、功耗等方面也都能满足相关的需求。由于Linux操作系统源码开放、成熟、性能稳定,越来越多的开发人员将其作为首要的开发平台,本系统中数字温度传感器TC77与S3C2410的通信实例为Linux环境下嵌入式系统开发中遇到类似问题的解决提供了有力的参考。 

    参考文献：

[1]Samsung Electronics Limited. User’s Manual of S3C2410.

[2]Microchip Technology Inc. User’s Manual of TC77.

[3]Karim Yaghmour. Building Embedded Linux Systems [M]. Publisher: O’Relly&Associates, 2003