摘要

本文探討如何在項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)與硬件無(wú)關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。即插即用的設(shè)計(jì)理念能夠顯著降低嵌入式軟件或固件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，無(wú)論設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)水平如何，都能從中受益。如果您想了解驅(qū)動(dòng)程序的基本函數(shù)和嵌入式系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，請(qǐng)參見文章“利用與硬件無(wú)關(guān)的方法簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)：基本知識(shí)”。

簡(jiǎn)介

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通常要編寫驅(qū)動(dòng)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(shí)且繁瑣。為解決這一難題，可以通過結(jié)合硬件、軟件和固件的方式，采用即插即用的設(shè)計(jì)思路，從而簡(jiǎn)化傳感器的選擇和系統(tǒng)集成。與硬件無(wú)關(guān)的驅(qū)動(dòng)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(lái)的設(shè)計(jì)中重復(fù)使用。本文將以慣性測(cè)量單元(IMU)傳感器為例，說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)與硬件無(wú)關(guān)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序采用C語(yǔ)言編寫，并在一款通用微控制器上進(jìn)行了測(cè)試。

驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。該函數(shù)讀取ADIS16500_REG_DIAG_STAT寄存器中包含的錯(cuò)誤標(biāo)志，如果未發(fā)生錯(cuò)誤，所有位都為0。可能的錯(cuò)誤有10個(gè)，因此，該函數(shù)會(huì)返回一個(gè)ADIS16500_ERROR_FLAGS結(jié)構(gòu)，其中包含10個(gè)布爾字段，每個(gè)字段代表一個(gè)錯(cuò)誤。該函數(shù)只讀取ADIS16500_REG_ DIAG_STAT寄存器，并使用特定錯(cuò)誤掩碼檢查該寄存器的各個(gè)位，發(fā)現(xiàn)邏輯1時(shí)，該結(jié)構(gòu)的相應(yīng)字段就會(huì)設(shè)置為true。

adis16500_rd_temp

這是一個(gè)溫度讀取函數(shù)，其實(shí)現(xiàn)方法與加速度和陀螺儀相同（詳情請(qǐng)見本系列第一篇文章）。讀取的值用℃為單位表示。其二進(jìn)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(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制補(bǔ)碼的轉(zhuǎn)換。得到的二進(jìn)制補(bǔ)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(shí)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(shí)間戳，單位為μs。其實(shí)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(shí)際上，只需讀取名為ADIS16500_REG_DATA_CNTR的寄存器即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)該寄存器達(dá)到最大值時(shí)，將從0重新開始。該函數(shù)的實(shí)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(zhǔn)。設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)的指針，該結(jié)構(gòu)包含x、y和z浮點(diǎn)類型字段。該函數(shù)的目標(biāo)是從浮點(diǎn)值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制補(bǔ)碼值，再?gòu)亩M(jìn)制補(bǔ)碼值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制值。所有步驟可參見附錄中的圖11。接下來(lái)，需要將二進(jìn)制值寫入偏置寄存器，例如，對(duì)于x軸，需要寫入兩個(gè)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(yīng)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(shí)，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(zhǔn)函數(shù)并傳遞一個(gè)校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，其中x、y和z字段均等于–9.81 m/s2，校準(zhǔn)后的讀取結(jié)果為x = –9.81；y = –9.81；z = 0，即表明校準(zhǔn)偏移函數(shù)正常工作。

adis16500_wr_gyro_calib

這是與陀螺儀有關(guān)的偏移校準(zhǔn)函數(shù)，其實(shí)現(xiàn)方法與加速度校準(zhǔn)函數(shù)完全相同。區(qū)別在于，陀螺儀的校準(zhǔn)需要按照數(shù)據(jù)手冊(cè)中的說(shuō)明，使用對(duì)應(yīng)的陀螺儀偏移寄存器來(lái)完成。

本文著重介紹IMU傳感器驅(qū)動(dòng)程序，但其軟件/固件結(jié)構(gòu)可用于任何類型的傳感器。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行調(diào)整。傳感器的初始化方式仍然有效，因?yàn)槌跏蓟A段記錄了通過通信協(xié)議進(jìn)行收發(fā)的函數(shù)。

如何在項(xiàng)目中引入和使用驅(qū)動(dòng)程序

除了關(guān)于傳感器和微控制器單元(MCU)間硬件連接的基本說(shuō)明外，本文還提供了相關(guān)指南，從軟件和固件的角度介紹如何引入驅(qū)動(dòng)程序。

圖1.項(xiàng)目文件夾結(jié)構(gòu)。

傳感器驅(qū)動(dòng)程序沒有通用的組織結(jié)構(gòu)。圖1所示為建議的文件夾結(jié)構(gòu)。userlib文件夾中包含所有傳感器驅(qū)動(dòng)程序。在本示例中，只有IMU傳感器驅(qū)動(dòng)程序，但如果項(xiàng)目包含更多傳感器，組織方式基本相同。userlib中有兩個(gè)文件夾，分別是include和src。include文件夾包含驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)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(gè)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(yīng)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(shè)計(jì)人員可以在應(yīng)用層（比如在main.c內(nèi)）引入驅(qū)動(dòng)程序的接口，并且可以調(diào)用傳感器驅(qū)動(dòng)程序的所有公共函數(shù)。這樣，應(yīng)用層和傳感器驅(qū)動(dòng)層之間就會(huì)建立起鏈接。在應(yīng)用層可以得知傳感器的驅(qū)動(dòng)程序接口(adis16500.h)。因此，在應(yīng)用層，將通過上文討論的初始化程序建立傳感器驅(qū)動(dòng)層和外設(shè)驅(qū)動(dòng)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(gè)函數(shù)完全遵循驅(qū)動(dòng)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(gè)函數(shù)內(nèi)部是外設(shè)驅(qū)動(dòng)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(shè)驅(qū)動(dòng)層和傳感器驅(qū)動(dòng)層之間的鏈接，這些函數(shù)將分配到初始化結(jié)構(gòu)中，如附錄中的圖2所示。以上就是在項(xiàng)目中引入驅(qū)動(dòng)程序的整個(gè)過程。

如果要從傳感器獲取輸出，設(shè)計(jì)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(gè)示例。

圖4.傳感器輸出讀取示例。

在此示例中，main.c中有一個(gè)無(wú)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(guān)，當(dāng)DR引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，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(yùn)行IMU傳感器，設(shè)計(jì)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(jié)論

本文介紹了驅(qū)動(dòng)程序功能，以及如何通過與硬件無(wú)關(guān)的方法簡(jiǎn)化傳感器集成。與硬件無(wú)關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序可以作為一種通用解決方案，在未來(lái)的設(shè)計(jì)中重復(fù)使用。