利用與硬件無關的方法簡化嵌入式系統(tǒng)設計:驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)
摘要
本文探討如何在項目中實現(xiàn)與硬件無關的驅(qū)動程序。即插即用的設計理念能夠顯著降低嵌入式軟件或固件設計的復雜性,無論設計者的經(jīng)驗水平如何,都能從中受益。如果您想了解驅(qū)動程序的基本函數(shù)和嵌入式系統(tǒng)的軟件架構,請參見文章“利用與硬件無關的方法簡化嵌入式系統(tǒng)設計:基本知識”。
簡介
在嵌入式系統(tǒng)設計中,設計人員通常要編寫驅(qū)動程序和固件的代碼,確保所選傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)其所需的基本功能。這一過程往往耗時且繁瑣。為解決這一難題,可以通過結合硬件、軟件和固件的方式,采用即插即用的設計思路,從而簡化傳感器的選擇和系統(tǒng)集成。與硬件無關的驅(qū)動程序不僅能夠讓傳感器集成變得更加高效,還可以作為一種通用解決方案,便于在未來的設計中重復使用。本文將以慣性測量單元(IMU)傳感器為例,說明如何實現(xiàn)與硬件無關的驅(qū)動程序,不過,這種方法同樣適用于其他類型的傳感器和器件。驅(qū)動程序采用C語言編寫,并在一款通用微控制器上進行了測試。
驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)
附錄中包含提及的所有圖片和代碼,可供讀者查閱。
adis16500_rd_error_flag
附錄中的圖10展示了該函數(shù)的實現(xiàn)。該函數(shù)讀取ADIS16500_REG_DIAG_STAT寄存器中包含的錯誤標志,如果未發(fā)生錯誤,所有位都為0??赡艿腻e誤有10個,因此,該函數(shù)會返回一個ADIS16500_ERROR_FLAGS結構,其中包含10個布爾字段,每個字段代表一個錯誤。該函數(shù)只讀取ADIS16500_REG_ DIAG_STAT寄存器,并使用特定錯誤掩碼檢查該寄存器的各個位,發(fā)現(xiàn)邏輯1時,該結構的相應字段就會設置為true。
adis16500_rd_temp
這是一個溫度讀取函數(shù),其實現(xiàn)方法與加速度和陀螺儀相同(詳情請見本系列第一篇文章)。讀取的值用℃為單位表示。其二進制值包含在16位寄存器ADIS16500_REG_TEMP_OUT中。之后,數(shù)據(jù)將經(jīng)過二進制轉二進制補碼的轉換。得到的二進制補碼值將乘以溫度比例因子(單位為℃/LSB),最終得出以℃為單位的數(shù)值,并記錄在作為輸入傳遞的指針中。該函數(shù)實現(xiàn)可參見附錄中的圖9。
adis16500_get_ts_usec
該函數(shù)用于獲取IMU的時間戳,單位為μs。其實現(xiàn)方法與adis16500_rd_temp函數(shù)完全相同。具體可參見附錄中的圖9。
adis16500_rd_data_cntr
該程序讀取已輸出的數(shù)據(jù)數(shù)量。實際上,只需讀取名為ADIS16500_REG_DATA_CNTR的寄存器即可實現(xiàn)。當該寄存器達到最大值時,將從0重新開始。該函數(shù)的實現(xiàn)方式可參見附錄中的圖9。
adis16500_wr_acc_calib
該函數(shù)用于執(zhí)行自定義偏移校準。設計人員通過調(diào)用該函數(shù),可將偏移值添加到從輸出數(shù)據(jù)寄存器讀取的值中,從而將x、y、z校準值添加到x、y、z加速度數(shù)據(jù)中。該函數(shù)的輸入是指向ADIS16500_XL_OUT類型結構的指針,該結構包含x、y和z浮點類型字段。該函數(shù)的目標是從浮點值轉換為二進制補碼值,再從二進制補碼值轉換為二進制值。所有步驟可參見附錄中的圖11。接下來,需要將二進制值寫入偏置寄存器,例如,對于x軸,需要寫入兩個寄存器:ADIS16500_REG_X_ACCEL_BIAS_L(低16位)和ADIS16500_REG_X_ACCEL_BIAS_H(高16位)。y軸和z軸也是如此,各自有相應的偏置寄存器。為了檢查該程序是否正確執(zhí)行,放置IMU傳感器時,確保z軸垂直指向天空。在這種情況下,x軸和y軸的加速度值接近0,z軸的加速度值接近–9.81 m/s2 (–g)。調(diào)用校準函數(shù)并傳遞一個校準結構,其中x、y和z字段均等于–9.81 m/s2,校準后的讀取結果為x = –9.81;y = –9.81;z = 0,即表明校準偏移函數(shù)正常工作。
adis16500_wr_gyro_calib
這是與陀螺儀有關的偏移校準函數(shù),其實現(xiàn)方法與加速度校準函數(shù)完全相同。區(qū)別在于,陀螺儀的校準需要按照數(shù)據(jù)手冊中的說明,使用對應的陀螺儀偏移寄存器來完成。
本文著重介紹IMU傳感器驅(qū)動程序,但其軟件/固件結構可用于任何類型的傳感器。因此,要實現(xiàn)對所有傳感器的通用支持,只需根據(jù)傳感器與微控制器之間的通信協(xié)議(如 SPI、I2C、UART 等)進行調(diào)整。傳感器的初始化方式仍然有效,因為初始化階段記錄了通過通信協(xié)議進行收發(fā)的函數(shù)。
如何在項目中引入和使用驅(qū)動程序
除了關于傳感器和微控制器單元(MCU)間硬件連接的基本說明外,本文還提供了相關指南,從軟件和固件的角度介紹如何引入驅(qū)動程序。
圖1.項目文件夾結構。
傳感器驅(qū)動程序沒有通用的組織結構。圖1所示為建議的文件夾結構。userlib文件夾中包含所有傳感器驅(qū)動程序。在本示例中,只有IMU傳感器驅(qū)動程序,但如果項目包含更多傳感器,組織方式基本相同。userlib中有兩個文件夾,分別是include和src。include文件夾包含驅(qū)動程序的標頭文件,即本例中的adis16500.h,而src中包含源文件,即adis16500.c。userlib中還有一個指定include指令的makefile,如圖2所示。
圖2.userlib makefile。
圖3.主makefile。
圖3所示為主makefile。它位于應用層,靠近main.c。該makefile包含user.mk,如圖3中紅色下劃線所示(代碼第115行)。
借助makefile (.mk),設計人員可以在應用層(比如在main.c內(nèi))引入驅(qū)動程序的接口,并且可以調(diào)用傳感器驅(qū)動程序的所有公共函數(shù)。這樣,應用層和傳感器驅(qū)動層之間就會建立起鏈接。在應用層可以得知傳感器的驅(qū)動程序接口(adis16500.h)。因此,在應用層,將通過上文討論的初始化程序建立傳感器驅(qū)動層和外設驅(qū)動層之間的鏈接。在IMU傳感器的具體用例中,發(fā)送器、接收器SPI函數(shù)和系統(tǒng)延遲函數(shù)將在main.c文件中定義,如附錄中的圖2所示。這三個函數(shù)完全遵循驅(qū)動程序頭文件中的原型,即附錄中圖3頂部所示的原型。這三個函數(shù)內(nèi)部是外設驅(qū)動層提供的函數(shù),如spiSelect、spiSend、spiReceive、spiUnselect和chThdSleepMicroseconds。因此,SPI接收器、發(fā)送器和系統(tǒng)延遲函數(shù)代表外設驅(qū)動層和傳感器驅(qū)動層之間的鏈接,這些函數(shù)將分配到初始化結構中,如附錄中的圖2所示。以上就是在項目中引入驅(qū)動程序的整個過程。
如果要從傳感器獲取輸出,設計人員可以使用adis16500_rd_acc和adis16500_rd_gyro部分介紹的函數(shù)。傳感器讀取并沒有完全通用的方法,圖4僅提供一個示例。
圖4.傳感器輸出讀取示例。
在此示例中,main.c中有一個無限循環(huán),始終檢查名為_adis16500_data_ready的布爾靜態(tài)變量。該變量與回調(diào)函數(shù)相關,當DR引腳變?yōu)楦唠娖綍r,它將切換到TRUE,這意味著已有新數(shù)據(jù)可用。在這種情況下,主函數(shù)將調(diào)用adis16500_rd_acc和adis16500_rd_gyro函數(shù)。通過全速運行IMU傳感器,設計人員將能夠以2 kHz的輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)獲取數(shù)據(jù)。
結論
本文介紹了驅(qū)動程序功能,以及如何通過與硬件無關的方法簡化傳感器集成。與硬件無關的驅(qū)動程序可以作為一種通用解決方案,在未來的設計中重復使用。