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。