1-Wireデバイスの活用

7.1. 1-Wireとは

1-Wireは主に機器内のセンサー等との通信に用いられる通信方式です。

一般的な接続方法を下図に示します。なお、Armadillo-640は、マスターとして別のデバイスと通信できます。

図7.1 1-Wireの接続方法

図7.2 複数のスレーブを接続する場合

1-Wireの主な特徴を以下に示します。

非同期式シリアル通信
デバイスはマスターとスレーブが存在
1つのバス上にマスターは1つ、スレーブは複数接続可能
信号線は1本のみ^[15]
信号線はオープンドレインなため、プルアップが必要
スレーブは製造時に与えられた64ビットの固有IDを持つ
通信は常にマスターが開始し、固有IDでスレーブを選択
約16.3kbps

固有IDはマスターがバスを起動した際、もしくはスレーブがバスに接続された際にマスターによって読み出され記憶されます。

1-Wireではクロック信号を別途設けず、Lowパルスの幅を用いてデータの転送をおこないます。 1ビットに対応する周期を「タイムスロット」といいます。

なお、タイムスロットにはスタンダード(1タイムスロット60μsec)とオーバードライブ(1タイムスロット8μsec)の二つがあります。以下の説明はスタンダードの場合のタイミングです。

マスターは1を送信する場合は、1μs以上かつ短いパルスを出力します。 0を送信する場合は、60~120μsのパルスを出力します。スレーブは立ち下がりエッジから15～60μsの間に信号線のサンプリングをおこないます。

図7.3 1-Wireプロトコル(書き込みスロット)

値を読み出す場合、まず、マスターが1μs以上かつ短いパルスを出力します。スレーブは1を送信したい場合は何もしません。 0を送信したい場合、立ち下がりエッジから15μs信号線をLレベルに保ちます。マスターはマスター自体が出力するパルス期間が終わったあと、立ち下がりエッジから15μs以内に信号線のサンプリングをおこないます。

図7.4 1-Wireプロトコル(読み出しスロット)

マスターとスレーブ間でのデータ転送は3つのシーケンスでおこないます。3つのシーケンスは、リセットシーケンス、ROMコマンドシーケンス、ファンクションシーケンスの順番に実行されます。

リセットシーケンスでは、まず、マスターがリセットパルスを出力します。 1-Wireバスにスレーブが接続されている場合、スレーブはプレゼンスパルスを出力します。

ROMコマンドシーケンスでは、マスターが8ビットのROMコマンドを出力した後、 64ビットのROM IDを出力します。ROM IDの先頭8ビットはデバイス種類を示すファミリーコードです。続く48ビットがシリアルナンバーになっています。最後の8ビットはCRC です。ROMコマンドには次のものがあります。

SEARCH ROM(0xF0): バスに接続されているスレーブデバイスのROM IDを得ることができます。1回のSEARCH ROMコマンドで1つのデバイスのROM IDを特定することができます。
READ ROM(0x33): バスに接続されているスレーブデバイスが一つだけの場合、 SEARCH ROMコマンドの代わりにREAD ROMコマンドを使用して、ROM IDを得ることができます。
MATCH ROM(0x55): MATCH ROMコマンドでマスターが出力したROM IDに一致したスレーブデバイスが、続くファンクションコマンドに応答します。それ以外のデバイスは、次のリセットシーケンスを待ちます。
SKIP ROM(0xcc): SKIP ROMコマンドに続いて送信されたファンクションコマンドは、バスに接続されているスレーブデバイス全てに同時に適用されます。

ファンクションシーケンスは、スレーブデバイスごとに異なります。基本的には、マスターが8ビットのフォワードコマンド出力した後、データの読み出しまたは書き込みをおこないます。

図7.5 1-Wireプロトコル

7.2. 温度センサー(DS18B20)を使用する

ここでは、1-Wireバスに温度センサーICを接続する方法を紹介します。

使用するデバイスは以下のとおりです。

DS18B20(Maxim Integrated製)

今回使用するDS18B20は、以下の特長を持ちます。

単電源動作(3.0～5.5V)
電源信号線供給・電源線供給
温度計測範囲 -55～125℃
分解能 9～12ビット(設定により可変)
変換時間(9ビット) 94msec
変換時間(12ビット) 750msec

7.2.1. 接続方法

Armadillo-640と温度センサーとの接続を示します。信号線は、CON9 2ピンに接続します。また、今回はVDDに+3.3Vを接続し電源は外部から供給します。

図7.6 1-Wire接続温度センサー回路図

7.2.2. 対応カーネルイメージの作成

1-Wireドライバ・DS18B20のドライバを有効にしたLinuxカーネルと、DTBを作成します。

標準状態のカーネルのソースコードを元に変更する手順は次の通りです。

Device Treeの集
カーネルコンフィギュレーションでの1-Wireの有効化
カーネルコンフィギュレーションでのデバイスドライバの有効化
カーネルとDTBをビルドしArmadilloに書き込み

はじめにDevice Treeを作成します。ファイル名は arch/arm/boot/dts/armadillo-640-w1.dtsiです(「サンプルソースコード」のページからダウンロードできます)。

&iomuxc {
        pinctrl_w1: w1grp {
                fsl,pins= <
                        MX6UL_PAD_LCD_DATA18__GPIO3_IO23 0x40010808
                >;
        };
};

/{
        onewire@0 {
                compatible = "w1-gpio";
                gpios = <&gpio3 23 GPIO_ACTIVE_LOW>;
                pinctrl-names = "default";
                pinctrl-0 = <&pinctrl_w1>;
                status="okay";
        };
};

図7.7 armadillo-640-w1.dtsi

さきほどのファイルへのincludeをarch/arm/boot/dts/armadillo-640.dtsに追加してください。

#include "armadillo-640-lcd70ext-l00.dtsi"
#endif
#include "armadillo-640-w1.dtsi"        //追加行

/ {
        model = "Atmark Techno Armadillo-640";

図7.8 armadillo-640.dts

続いて「イメージをカスタマイズする」と同様にmenuconfigを使用してカーネルコンフィギュレーションを変更します。

[ATDE ~/linux-4.14-at[version]]$ make ARCH=arm menuconfig

図7.9 menuconfigの実行

Device Drivers  --->
  [*] Dallas's 1-wire support  --->                     ← 有効にする
     1-wire Bus Masters  --->
        [*] GPIO 1-wire busmaster                       ← 有効にする
     1-wire Slaves  --->
        [*] Thermal family implementation               ← 有効にする
   [*] Hardware Monitoring support  --->                ← 有効にする

図7.10 menuconfig

変更を加え、カーネルコンフィギュレーションを確定してください。

以上の変更後、「イメージをカスタマイズする」と同様にカーネルとDTBをビルドし、Armadilloに書き込んでください。

7.2.3. 使用例

実際に、DS18B20から値の取得をおこなう手順を説明します。

[armadillo ~]# cat /sys/bus/w1/devices/28-000002219791/w1_slave
ae 01 4b 46 7f ff 02 10 aa : crc=aa YES
ae 01 4b 46 7f ff 02 10 aa t=26875
[armadillo ~]# cat /sys/bus/w1/devices/28-000002219791/w1_slave
ad 01 4b 46 7f ff 03 10 ab : crc=ab YES
ad 01 4b 46 7f ff 03 10 ab t=26812

図7.11 コマンド実行例

Hardware Monitoringデバイスとしてアクセスする場合は以下のようにします。温度(1/1000℃)が求められます。

[armadillo ~]# cat /sys/class/hwmon/hwmon0/temp1_input
26875
[armadillo ~]# cat /sys/class/hwmon/hwmon0/temp1_input
26812

図7.12 コマンド実行例(Hardware Monitoring)

7.2.4. プロトコル

DS18B20のファンクションコマンドには以下のものがあります。

CONVERT T(0x44): このコマンドにより、温度変換がおこなわれます。変換結果は、DS18B20の内蔵2バイトレジスタに格納されます。
WRITE SCRATCHPAD(0x48): DS18B20の内蔵メモリに書き込みをおこないます。書き込むデータは3バイト長で、T_H、T_L、Configuration Registerの順番に送信します。
READ SCRATCHPAD(0xbe): DS18B20の内蔵メモリを読み出します。読み出すデータのバイト数は最大9バイトです。途中で、マスターからリセットパルスを送信することで、データの読み出しを中断できます。

DS18B20内蔵レジスタは次のようになっています。

表7.1 DS18B20内蔵レジスタ

バイト	内容
0	Temperature Register LSB
1	Temperature Register MSB
2	T_H or User Byte 1
3	T_L or User Byte 2
4	Configuration Register
5	Reserved (0xff)
6	Reserved
7	Reserved (0x10)
8	CRC

DS18B20の温度センサー分解能は、Configuration Registerの5ビット目と6ビット目で決まります。それ以外のConfiguration Registerのビットは内部的に使用され、上書きすることはできません。

表7.2 DS18B20温度センサー分解能

BIT 6	BIT 5	分解能
0	0	9 ビット
0	1	10 ビット
1	0	11 ビット
1	1	12 ビット(デフォルト)

Temperature Registerのフォーマットは次のようになっています。温度は摂氏で格納されています。12ビット分解能の場合は、BIT10～BIT0全てのビットが有効です。11ビット分解能の場合、BIT0が不定となります。10ビット、9ビット分解能の場合も同様です。BIT15～BIT11は、温度が正の場合0、負の場合1となります。

図7.13 DS18B20 Temperature Registerフォーマット

^[15]通信線で電源供給も行う場合もあります。


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