温湿度传感器si7020-a20 linux驱动编写

    温湿度传感器在工业当中运用的比较广泛，通常用于检测设备所处环境的温度和湿度，温度过高，设备就有可能自动关机来保证设备不被烧坏。
我所采用的温湿度传感器是si7020-a20的芯片，I2C接口，地址如图描述：

也就是说，作为从机，si7020地址是0x40。另外，cpu采用atml 9x35，内核2.6.39。知道0x40这个地址之后，就要在板级文件board-sam9x5ek中添加相应的代码。
找到ek_i2c_devices数组，在数组中添加如下代码：

{
	I2C_BOARD_INFO("si7020", 0x40)
},

    第一个是这个模块的名字，待会儿要和驱动中的.name 匹配。0x40是i2c地址。这个数组在ek_board_init函数中，通过i2c_register_board_info(0,ek_i2c_devices, ARRAY_SIZE(ek_i2c_devices)); 注册进内核。
    新建makefile：

obj-m := si7020.o
KDIR := ../linux-2.6.39
all:
        make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules CROSS_COMPILE=arm-linux- ARCH=arm
clean:
        rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers *.order

    然后新建驱动代码源文件si7020.c：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

struct si7020_data{
	struct i2c_client *client;
	struct mutex lock;
	int buf[2];
};

enum 
{
	humidity,
	temperature,
};

struct si7020_data *si7020;

static void get_humi_val()
{
	unsigned int ret = 0;
	char tmp[2] = {0};
	//printk(KERN_INFO "enter get_humi_val\n");

	i2c_smbus_write_byte(si7020->client, 0xf5);
	msleep(100);
	i2c_master_recv(si7020->client, tmp, 2);
	ret =((tmp[0]<<8)|tmp[1]);
	if(ret < 0)
		dev_err(&si7020->client->dev, "Read Error\n");
	
	//printk(KERN_INFO "humi ret %d\n",ret);
	si7020->buf[humidity] = 125*ret/65536 - 6;
	if(si7020->buf[humidity] < 1)
		si7020->buf[humidity] = 0;
	if(si7020->buf[humidity] > 99)
		si7020->buf[humidity] = 100;
	//printk("si7020->buf[humidity] : %d\n", si7020->buf[humidity]);
	//printk(KERN_INFO "exit get_humi_val\n");
}

static void get_temperature()
{
	unsigned int ret = 0;
	char tmp[2] = {0};
	//printk(KERN_INFO "enter get_temperature\n");

	i2c_smbus_write_byte(si7020->client, 0xf3);
	msleep(100);
	i2c_master_recv(si7020->client, tmp, 2);
	ret =((tmp[0]<<8)|tmp[1]);
	if(ret < 0)
		dev_err(&si7020->client->dev, "Read Error\n");
	
	//printk(KERN_INFO "temperature ret %d\n",ret);
	si7020->buf[temperature] = ret;
	//printk("si7020->buf[temperature] : %d\n", si7020->buf[temperature]);
	//printk(KERN_INFO "exit get_temperature\n");
}

static int si7020_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = si7020;
	nonseekable_open(inode, filp);//设置为不可随机读取。
	return 0;
}

static ssize_t si7020_write(struct file *filp, const char __user *buf,size_t size, loff_t *ppos)
{
	return 0;
}

static ssize_t si7020_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
	int missing;
	struct si7020_data *dev = filp->private_data;

	//printk(KERN_INFO "enter si7020_read\n");
	mutex_lock(&dev->lock);
	get_humi_val();
	msleep(100);
	get_temperature();
	missing = copy_to_user(buf, &dev->buf, 8);
	mutex_unlock(&dev->lock);
	return 8;
}

static long si7020_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long args)
{
	return 0;
}

static int si7020_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

struct file_operations si7020_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = si7020_open,
    .write = si7020_write,
    .read = si7020_read,
    .unlocked_ioctl = si7020_ioctl,
    .release = si7020_release,
};

struct miscdevice si7020_misc = {
	.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
	.name= "si7020",
	.fops = &si7020_fops,
}; 

static int __devinit si7020_probe(struct i2c_client*client, const struct i2c_device_id *id)
{
	int ret;
	
	si7020 = kzalloc(sizeof(*si7020), GFP_KERNEL);
	if (!si7020) {
		return -ENOMEM;
	}
	
	si7020->client = client;
	mutex_init(&si7020->lock);
	i2c_set_clientdata(client, si7020);
	ret = misc_register(&si7020_misc);
	if (ret != 0) {
		printk(KERN_INFO "cannot register miscdev err = %d\n", ret);
	}
	
	return 0;
}


static int __devexit si7020_remove(struct i2c_client *client)
{
	struct si7020_data *si7020;
	si7020 = i2c_get_clientdata(client);
	kfree(si7020);
	misc_deregister(&si7020_misc);
	return 0;
}


/*-------------------------------------------------------------------------*/

static const struct i2c_device_id si7020_id[]= {
	{"si7020",0},
};

static struct i2c_driver si7020_driver = {
	.driver = {
		.name = "si7020",
		.owner = THIS_MODULE,
	},
	.probe = si7020_probe,
	.remove = __devexit_p(si7020_remove),
	.id_table = si7020_id,
}
;

static int __init si7020_init(void)
{
	printk(KERN_INFO "enter si7020_init\n");	
	return i2c_add_driver(&si7020_driver);
}

module_init(si7020_init);

static void __exit si7020_exit(void)
{
	printk(KERN_INFO "exit si7020\n");
	i2c_del_driver(&si7020_driver);
}
module_exit(si7020_exit);

MODULE_DESCRIPTION("Driver for SPI SC16IS752");
MODULE_AUTHOR("tianyu");
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_ALIAS("sct");

    通过i2c_add_driver向内核注册了一个i2c驱动，名字为si7020，通过这个名字匹配到板级文件，匹配成功之后，驱动就有了spi控制器的权限，然后会调用probe函数。整体的思路就是，分配一个si7020_data空间，将获取的struct i2c_client（配成功后，自动会通过probe参数传入进来）传给si7020_data中的client成员变量。
    下面分段介绍代码。

struct si7020_data{
	struct i2c_client *client;
	struct mutex lock;
	int buf[2];
};

    client成员用于保存从probe传入的client指针，lock成员用于读取数据时加锁，buf用来保存温度和湿度的数据，buf[0]保存湿度，buf[1]保存温度。

static int __devinit si7020_probe(struct i2c_client*client, const struct i2c_device_id *id)
{
	int ret;
	
	si7020 = kzalloc(sizeof(*si7020), GFP_KERNEL);
	if (!si7020) {
		return -ENOMEM;
	}
	
	si7020->client = client;
	mutex_init(&si7020->lock);
	i2c_set_clientdata(client, si7020);
	ret = misc_register(&si7020_misc);
	if (ret != 0) {
		printk(KERN_INFO "cannot register miscdev err = %d\n", ret);
	}
	
	return 0;
}

    probe函数非常简单，使用kzalloc分配一个si7020_data空间，然后初始化si7020，初始化锁，注册一个混杂设备驱动。

    接下来主要讲讲open、read、函数。因为这个设备比较简单，不需要向此设备写入数据，也不需要设置模式，并且该设备的寄存器一般用不上。为了简单起见，不需要写太多的冗余代码。

static int si7020_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = si7020;
	nonseekable_open(inode, filp);//设置为不可随机读取。
	return 0;
}

    open中，就是将si7020_data传给该驱动的私有数据，然后设置为该设备不可随机读取。

static ssize_t si7020_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
	int missing;
	struct si7020_data *dev = filp->private_data;

	//printk(KERN_INFO "enter si7020_read\n");
	mutex_lock(&dev->lock);
	get_humi_val();
	msleep(100);
	get_temperature();
	missing = copy_to_user(buf, &dev->buf, 8);
	mutex_unlock(&dev->lock);
	return 8;
}

    read中调用了get_humi_val函数获取湿度，并放到si7020->buf[0]中。调用get_temperature获取温度，并放到si7020->buf[1]中，通过copy_to_user将buf数组拷贝到应用空间。

    get_humi_val函数和get_temperature函数比较类似，分析一种就可以了，以分析get_humi_val为例：

static void get_humi_val()
{
	unsigned int ret = 0;
	char tmp[2] = {0};
	//printk(KERN_INFO "enter get_humi_val\n");

	i2c_smbus_write_byte(si7020->client, 0xf5);
	msleep(100);
	i2c_master_recv(si7020->client, tmp, 2);
	ret =((tmp[0]<<8)|tmp[1]);
	if(ret < 0)
		dev_err(&si7020->client->dev, "Read Error\n");
	
	//printk(KERN_INFO "humi ret %d\n",ret);
	si7020->buf[humidity] = 125*ret/65536 - 6;
	if(si7020->buf[humidity] < 1)
		si7020->buf[humidity] = 0;
	if(si7020->buf[humidity] > 99)
		si7020->buf[humidity] = 100;
	//printk("si7020->buf[humidity] : %d\n", si7020->buf[humidity]);
	//printk(KERN_INFO "exit get_humi_val\n");
}

    函数首先调用i2c_smbus_write_byte，向设备写一个0xf5命令，该命令是向si7020芯片发送测量湿度指令，并设置为非主机模式，也就是从机模式。然后调用i2c_master_recv函数，接收2byte的数据。下图是芯片指令说明，芯片读写协议。

                                                                        si7020指令说明

                                                      读写协议

    细心的人可能会发现，为啥接收使用i2c_master_recv来接收，而不使用i2c_smbus_read_xxx类型的函数来接收。下面表格是i2c_smbus系列读写函数说明。

函数	作用
i2c_smbus_read_byte()	从设备读取一个字节（不定义位置偏移，使用以前发起的命令的偏移）
i2c_smbus_write_byte()	从设备写入一个字节（使用以前发起的命令的偏移）
i2c_smbus_write_quick()	向设备发送一个比特 ( 取代清单 8.1 中的 Rd/Wr 位 ).
i2c_smbus_read_byte_data()	从设备指定偏移处读取一个字节
i2c_smbus_write_byte_data()	向设备指定偏移处写入一个字节
i2c_smbus_read_word_data()	从设备指定偏移处读取二个字节
i2c_smbus_write_word_data()	向设备指定偏移处写入二个字节
i2c_smbus_read_block_data()	从设备指定偏移处读取一块数据 .
i2c_smbus_write_block_data()	向设备指定偏移处写入一块数据 . (<= 32 字节 )

     传感器发送过来的i2c数据是16bit的，有人会问，可以用 i2c_smbus_read_byte读取两次，不就把数据读取出来了吗？一个i2c_smbus_read_byte结束后，会产生stop位。连续读取2byte时，第一个byte结束后，应该是一个ACK应答位，cpu虽然接收到了应答位，但是一个i2c_smbus_read_byte结束后，cpu的I2C控制器就停止接收ACK了，意味着我现在只是接收一byte数据。根据实测，两次i2c_smbus_read_byte读取出来的数据是一样的，并且是温度传感器发送的16bit数据的高8位，而低8位丢弃了。所以采用i2c_master_recv函数，来接收连续的两字节数据。

   在写入0xf5之前，要让模块等一会儿，也就是执行msleep(100)，若立即读取数据则会返回-6，说明设备正忙，得不到数据。

    温湿度传感器传入的数据先是发送高字节，然后发送低字节，所以，定义了一个 char tmp[2]数组，tmp[0]存放的是数据高字节，tmp[1]存放的是数据低字节，所以，在进行取数据的时候，要用ret =((tmp[0]<<8)|tmp[1]);代码进行转换。

    下图是温湿度计算公式。

    在内核中应该尽量避免使用浮点运算，所以传上去的温度值还需要在用户空间处理才能得到正确值，儿湿度没有浮点运算，因此在内核空间就计算好了，便传到用户空间。

    下面是测试代码:

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

enum
{
	humidity,
	temperature,
};

int main()
{
	/*
	内核空间传到应用空间是大小为 2 的int型数组。
	buf用来存放内核空间传上来的值。
	buf[0]存放湿度，湿度已经计算好了。
	buf[1]存放温度。温度没有计算好，因为内核尽量避免使用浮点运算。
	温度计算公式为：175.72*buf[temperature]/65536-46.85;
	*/
	int buf[2] = {0};
	int fd;
	int humi;
	float temper;
	fd = open("/dev/si7020", O_RDWR);
	while(1)
	{
		read(fd, buf, sizeof(buf));
		humi = buf[humidity];
		printf("humidity is: %d\n",buf[humidity]);
		temper = 175.72*buf[temperature]/65536-46.85;
		printf("temperature is %.2f\n",temper);
		sleep(2);
	}
	close(fd);
	return 0;	
}

    测试结果如图：

在未编写驱动之前，可以先使用i2c-tools来测试i2c硬件是否已经通了。首先检查系统有几组i2c总线。

命令：i2cdetect -l

这说明只有一组i2c。

然后查看i2c-0总线挂载的i2c设备。

命令：i2cdetect -y 0

可以知道，i2c-0总线上有0x1a，0x40，和0x51这三个设备，其中UU表示已经有驱动程序为这个设备服务。0x40正是我们的温湿度传感器，现在是没有驱动为温湿度传感器服务的，待会加载了驱动之后，就会变为UU。

寄存器写入格式：如果向I2C设备中写入某字节，可输入指令i2cset -y 1 0x50 0x00 0x13

    -y        代表曲线用户交互过程，直接执行指令

    1         代表I2C总线编号

    0x50    代表I2C设备地址，此处选择AT24C04的低256字节内容

    0x00    代表存储器地址

    0x13    代表存储器地址中的具体内容

我们这个温湿度传感器不需要使用寄存器，直接写入指令。例如写入测量湿度的指令。

命令：i2cset -y 0 0x40 0xF5

  然后再获取数据：i2cget -y 0 0x40

  这个数据是只读取了一个字节哦，数据的低字节被丢弃了。但是这也说明了我们的硬件是没有问题的。

  当insmod si7020.ko之后，0x40那儿就变成了UU。