利用与硬件无关的方法简化嵌入式系统设计：驱动程序实现

2024-06-05

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摘要

本文探讨如何在项目中实现与硬件无关的驱动程序。即插即用的设计理念能够显著降低嵌入式软件或固件设计的复杂性，无论设计者的经验水平如何，都能从中受益。如果您想了解驱动程序的基本函数和嵌入式系统的软件架构，请参见文章“利用与硬件无关的方法简化嵌入式系统设计：基本知识”。

简介

在嵌入式系统设计中，设计人员通常要编写驱动程序和固件的代码，确保所选传感器能够实现其所需的基本功能。这一过程往往耗时且繁琐。为解决这一难题，可以通过结合硬件、软件和固件的方式，采用即插即用的设计思路，从而简化传感器的选择和系统集成。与硬件无关的驱动程序不仅能够让传感器集成变得更加高效，还可以作为一种通用解决方案，便于在未来的设计中重复使用。本文将以惯性测量单元(IMU)传感器为例，说明如何实现与硬件无关的驱动程序，不过，这种方法同样适用于其他类型的传感器和器件。驱动程序采用C语言编写，并在一款通用微控制器上进行了测试。

驱动程序实现

附录中包含提及的所有图片和代码，可供读者查阅。

adis16500_rd_error_flag

附录中的图10展示了该函数的实现。该函数读取ADIS16500_REG_DIAG_STAT寄存器中包含的错误标志，如果未发生错误，所有位都为0。可能的错误有10个，因此，该函数会返回一个ADIS16500_ERROR_FLAGS结构，其中包含10个布尔字段，每个字段代表一个错误。该函数只读取ADIS16500_REG_DIAG_STAT寄存器，并使用特定错误掩码检查该寄存器的各个位，发现逻辑1时，该结构的相应字段就会设置为true。

adis16500_rd_temp

这是一个温度读取函数，其实现方法与加速度和陀螺仪相同（详情请见本系列第一篇文章）。读取的值用°C为单位表示。其二进制值包含在16位寄存器ADIS16500_REG_TEMP_OUT中。之后，数据将经过二进制转二进制补码的转换。得到的二进制补码值将乘以温度比例因子（单位为°C/LSB），最终得出以°C为单位的数值，并记录在作为输入传递的指针中。该函数实现可参见附录中的图9。

adis16500_get_ts_usec

该函数用于获取IMU的时间戳，单位为μ s。其实现方法与adis16500_rd_temp函数完全相同。具体可参见附录中的图9。

adis16500_rd_data_cntr

该程序读取已输出的数据数量。实际上，只需读取名为 ADIS16500_REG_DATA_CNTR的寄存器即可实现。当该寄存器达到最大值时，将从0重新开始。该函数的实现方式可参见附录中的图9。

adis16500_wr_acc_calib

该函数用于执行自定义偏移校准。设计人员通过调用该函数，可将偏移值添加到从输出数据寄存器读取的值中，从而将x、y、z校准值添加到x、y、z加速度数据中。该函数的输入是指向ADIS16500_XL_OUT类型结构的指针，该结构包含x、y和z浮点类型字段。该函数的目标是从浮点值转换为二进制补码值，再从二进制补码值转换为二进制值。所有步骤可参见附录中的图11。接下来，需要将二进制值写入偏置寄存器，例如，对于x轴，需要写入两个寄存器： ADIS16500_REG_X_ACCEL_BIAS_L（低16位）和 ADIS16500_REG_X_ACCEL_BIAS_H（高16位）。y轴和z轴也是如此，各自有相应的偏置寄存器。为了检查该程序是否正确执行，放置IMU传感器时，确保z轴垂直指向天空。在这种情况下，x轴和y轴的加速度值接近0，z轴的加速度值接近–9.81 m/s²(–g)。调用校准函数并传递一个校准结构，其中x、y和z字段均等于–9.81 m/s ²，校准后的读取结果为x = –9.81；y = –9.81；z = 0，即表明校准偏移函数正常工作。

adis16500_wr_gyro_calib

这是与陀螺仪有关的偏移校准函数，其实现方法与加速度校准函数完全相同。区别在于，陀螺仪的校准需要按照数据手册中的说明，使用对应的陀螺仪偏移寄存器来完成。

本文着重介绍IMU传感器驱动程序，但其软件/固件结构可用于任何类型的传感器。因此，要实现对所有传感器的通用支持，只需根据传感器与微控制器之间的通信协议（如 SPI、 I²C、UART 等）进行调整。传感器的初始化方式仍然有效，因为初始化阶段记录了通过通信协议进行收发的函数。

如何在项目中引入和使用驱动程序

除了关于传感器和微控制器单元(MCU)间硬件连接的基本说明外，本文还提供了相关指南，从软件和固件的角度介绍如何引入驱动程序。

传感器驱动程序没有通用的组织结构。图1所示为建议的文件夹结构。 userlib文件夹中包含所有传感器驱动程序。在本示例中，只有IMU传感器驱动程序，但如果项目包含更多传感器，组织方式基本相同。userlib中有两个文件夹，分别是include和src。include文件夹包含驱动程序的头文件，即本例中的adis16500.h，而src中包含源文件，即adis16500.c。userlib中还有一个指定include指令的makefile，如图2所示。

Figure 1. A project folder structure. — 图1. 项目文件夹结构。

Figure 2. A userlib makefile. — 图2. userlib makefile。

图3所示为主makefile。它位于应用层，靠近main.c。该makefile包含user.mk ，如图3中红色下划线所示（代码第115行）。

Figure 3. A principal makefile. — 图3. 主makefile。

借助makefile (.mk)，设计人员可以在应用层（比如在 main.c内）引入驱动程序的接口，并且可以调用传感器驱动程序的所有公共函数。这样，应用层和传感器驱动层之间就会建立起链接。在应用层可以得知传感器的驱动程序接口( (adis16500.h))。因此，在应用层，将通过上文讨论的初始化程序建立传感器驱动层和外设驱动层之间的链接。在IMU传感器的具体用例中，发送器、接收器SPI函数和系统延迟函数将在 main.c文件中定义，如附录中的图2所示。这三个函数完全遵循驱动程序头文件中的原型，即附录中图3顶部所示的原型。这三个函数内部是外设驱动层提供的函数，如spiSelectspiSend、 spiReceive、spiUnselect和chThdSleepMicroseconds 。因此，SPI接收器、发送器和系统延迟函数代表外设驱动层和传感器驱动层之间的链接，这些函数将分配到初始化结构中，如附录中的图2所示。以上就是在项目中引入驱动程序的整个过程。

如果要从传感器获取输出，设计人员可以使用adis16500_rd_acc和 adis16500_rd_gyro部分介绍的函数。传感器读取并没有完全通用的方法，图4仅提供一个示例。

Figure 4. A sensor output reading example. — 图4. 传感器输出读取示例。

在此示例中，main.c中有一个无限循环，始终检查名为__adis16500_data_ready的布尔静态变量。该变量与回调函数相关，当DR引脚变为高电平时，它将切换到TRUE，这意味着已有新数据可用。在这种情况下，主函数将调用adis16500_rd_acc和adis16500_rd_gyro 函数。通过全速运行IMU传感器，设计人员将能够以2 kHz的输出数据速率(ODR)获取数据。