Sensor 驅(qū)動框架的整體架構(gòu)詳細(xì)介紹

背景與概述

Sensor 是物聯(lián)網(wǎng)重要的一部分，“Sensor 之于物聯(lián)網(wǎng)”相當(dāng)于“眼睛之于人類”。人沒有眼睛就看不到這大千的花花世界，物聯(lián)網(wǎng)沒有了 Sensor 更是不能感知這變化萬千的世界。

現(xiàn)在，為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的 Sensor 已經(jīng)很多了，有加速度計（Accelerometer），磁力計（Magnetometer），陀螺儀（Gyroscope），光感計（Ambient light sensor），接近光（Proximity），氣壓計（Barometer/pressure），濕度計（Humidometer）等等。這些傳感器，世界上的各大半導(dǎo)體廠商都有出產(chǎn)，雖然增加了市場的可選擇性，同時也加大了應(yīng)用程序開發(fā)的難度。因為不同的傳感器廠商、不同的傳感器都需要配套自己獨(dú)有的驅(qū)動才能運(yùn)轉(zhuǎn)起來，這樣在開發(fā)應(yīng)用程序的時候就需要針對不同的傳感器做適配，自然加大了開發(fā)難度。為了降低應(yīng)用開發(fā)的難度，增加傳感器驅(qū)動的可復(fù)用性，我們設(shè)計了 Sensor 驅(qū)動框架。

Sensor 驅(qū)動框架的作用是：為上層提供統(tǒng)一的操作接口，提高上層代碼的可重用性；簡化底層驅(qū)動開發(fā)的難度，只要實現(xiàn)簡單的 ops（operations： 操作命令） 就可以將傳感器注冊到系統(tǒng)上。

整體框架

Sensor 驅(qū)動框架的整體架構(gòu)圖如下：

sensor

它為上層提供的是標(biāo)準(zhǔn) device 接口open/close/read/write/control ，為底層驅(qū)動提供的是簡單的 ops 接口：fetch_data/control。并且框架支持 module（模塊），為底層存在耦合的傳感器設(shè)備提供服務(wù)。

工作原理

Sensor 設(shè)備其實是對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 rt_device 的一個豐富，是在原有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了 Sensor 自己獨(dú)有的一部分 屬性 和 控制命令 ，如下圖所示：

sensor

整個 Sensor 設(shè)備包括兩個部分：

繼承自標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的一些特性，包括：標(biāo)準(zhǔn)的控制接口 、回調(diào)函數(shù)、device_id 等。

Sensor 設(shè)備獨(dú)有的部分，包括：Sensor 的類型、相關(guān)的信息、特有的控制命令、ops、以及一些 數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。

sensor 的結(jié)構(gòu)體

Sensor 設(shè)備的結(jié)構(gòu)體如下所示：

1struct rt_sensor_device 2{ 3 struct rt_device

parent; /* The standard device */ 4 5

struct rt_sensor_info

info; /* The sensor info data */ 6

struct rt_sensor_config config;

/* The sensor config data */ 7 8

void

*data_buf; /* The buf of the data received */ 9

rt_size_t

data_len; /* The size of the data received */1011

const struct rt_sensor_ops *ops; /* The sensor ops */1213

struct rt_sensor_module *module; /* The sensor module */14};15typedef struct rt_sensor_device *rt_sensor_t;

Sensor 的信息

struct rt_sensor_info info 里存儲的是一些與 Sensor 自身相關(guān)的信息，在 Sensor 設(shè)備注冊的時候提供，在使用的過程中不應(yīng)修改其內(nèi)容。具體成員如下所示。

1struct rt_sensor_info 2{ 3 rt_uint8_t type;

/* The sensor type */ 4 rt_uint8_t vendor;

/* Vendor of sensors */ 5 const char *model;

/* model name of sensor */ 6 rt_uint8_t unit;

/* unit of measurement */ 7 rt_uint8_t intf_type;

/* Communication interface type */ 8 rt_int32_t range_max;

/* maximum range of this sensor‘s value. unit is ’unit‘ */ 9 rt_int32_t range_min;

/* minimum range of this sensor’s value. unit is ‘unit’ */10 rt_uint32_t period_min;

/* Minimum measurement period，unit:ms. zero = not a constant rate */11 rt_uint8_t fifo_max;

/* Maximum depth of fifo */12};

Sensor 的類型暫時只有以下幾種，如果有新的傳感器類型，可以提 PR 添加上。

1#define RT_SENSOR_CLASS_ACCE

（1） /* Accelerometer

*/ 2#define RT_SENSOR_CLASS_GYRO

（2） /* Gyroscope

*/ 3#define RT_SENSOR_CLASS_MAG

（3） /* Magnetometer

*/ 4#define RT_SENSOR_CLASS_TEMP

（4） /* Temperature

*/ 5#define RT_SENSOR_CLASS_HUMI

（5） /* Relative Humidity */ 6#define RT_SENSOR_CLASS_BARO

（6） /* Barometer

*/ 7#define RT_SENSOR_CLASS_LIGHT

（7） /* Ambient light

*/ 8#define RT_SENSOR_CLASS_PROXIMITY

（8） /* Proximity

*/ 9#define RT_SENSOR_CLASS_HR

（9） /* Heart Rate

*/10#define RT_SENSOR_CLASS_TVOC

（10） /* TVOC Level

*/11#define RT_SENSOR_CLASS_NOISE

（11） /* Noise Loudness

*/12#define RT_SENSOR_CLASS_STEP

（12） /* Step sensor

*/

其他的幾個成員，分別是廠商、model（如：“mpu6050”）、傳感器數(shù)據(jù)的單位、通信接口類型、測量的最大范圍、測量的最小范圍、最小測量周期、硬件 FIFO 的最大深度。

Sensor 的配置

Sensor 驅(qū)動框架抽象出了一些公共的配置選項，這些可配置的選項置于 struct rt_sensor_config 里， 成員如下：

1struct rt_sensor_config2{3 struct rt_sensor_intf intf; /* sensor interface config */4 struct rt_device_pin_mode irq_pin; /* Interrupt pin， The purpose of this pin is to notification read data */5 rt_uint8_t mode; /* sensor work mode */6 rt_uint8_t power; /* sensor power mode */7 rt_uint16_t odr; /* sensor out data rate */8 rt_int32_t range; /* sensor range of measurement */9};

這些配置項中的 intf 和 irq_pin 是為了將傳感器和硬件解耦而抽象出來的，通過在底層初始化的時候傳入 struct rt_sensor_config 這個參數(shù)，完成了通信接口的解耦。

1struct rt_sensor_intf2{3 char *dev_name; /* The name of the communication device */4 rt_uint8_t type; /* Communication interface type */5 void *user_data; /* Private data for the sensor. ex. i2c addr，spi cs，control I/O */6};

其余的一些配置項是用 Sensor 特有控制命令控制的，如下所示：

1#define RT_SENSOR_CTRL_GET_ID （0） /* 讀設(shè)備ID */2#define RT_SENSOR_CTRL_GET_INFO （1） /* 獲取設(shè)備信息 */3#define RT_SENSOR_CTRL_SET_RANGE （2） /* 設(shè)置傳感器測量范圍 */4#define RT_SENSOR_CTRL_SET_ODR （3） /* 設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)輸出速率，unit is HZ */5#define RT_SENSOR_CTRL_SET_MODE （4） /* 設(shè)置工作模式 */6#define RT_SENSOR_CTRL_SET_POWER （5） /* 設(shè)置電源模式 */7#define RT_SENSOR_CTRL_SELF_TEST （6） /* 自檢 */

結(jié)合 ops 中的 control 接口使用，就可以完成傳感器的配置了。

Sensor 數(shù)據(jù)的存儲

為了方便數(shù)據(jù)的解析，規(guī)定每一個類型的 Sensor 都有自己獨(dú)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些成員之間使用共用體以減少代碼量。

特有的 ops

ops（操作函數(shù)）包含兩個函數(shù)指針， 一個的作用是獲取傳感器數(shù)據(jù)（fetch_data），另一個的作用是通過控制命令控制傳感器（control）。

1struct rt_sensor_ops2{3 rt_size_t （*fetch_data）（struct rt_sensor_device *sensor， void *buf， rt_size_t len）;4 rt_err_t （*control）（struct rt_sensor_device *sensor， int cmd， void *arg）;5};

注冊方式

傳感器驅(qū)動框架提供了一個 Sensor 注冊函數(shù)，通過傳入 Sensor 的控制塊，名稱，標(biāo)志位和私有數(shù)據(jù)，就可以完成傳感器設(shè)備的注冊。

1int rt_hw_sensor_register（rt_sensor_t sensor，2 const char *name，3 rt_uint32_t flag，4 void *data）;

這樣看來 Sensor 驅(qū)動框架依托于標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備框架，只要將傳感器驅(qū)動對接到 Sensor 的 ops 上，并通過調(diào)用 rt_hw_sensor_register 函數(shù)注冊為 Sensor 設(shè)備就可以通過標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備接口控制傳感器了。

module支持

module 的定義是解決底層有耦合的兩個傳感器而出現(xiàn)的，有些傳感器既有加速度計的功能又有陀螺儀的功能，并且他們的FIFO是共用的，在 FIFO 模式下，只能將兩個類型的傳感器的數(shù)據(jù)同時讀出，這就說明他們的數(shù)據(jù)是耦合的。

為了解決這個問題，我們定義了 module 的類型

1struct rt_sensor_module2{3 rt_mutex_t lock; /* The module lock */45 rt_sensor_t sen［RT_SENSOR_MODULE_MAX］; /* The module contains a list of sensors */6 rt_uint8_t sen_num; /* Number of sensors contained in the module */7};

里面包含有耦合的傳感器的設(shè)備控制塊指針，通過這個功能就可以在讀取陀螺儀的數(shù)據(jù)的時候，同時更新加速度計的值，解決了底層耦合的問題。