Zephyr RTOS和HC-SR04超聲波傳感器開(kāi)源

描述

介紹

超聲波測(cè)距模塊HC-SR04提供2cm-400cm非接觸測(cè)量功能，測(cè)距精度可達(dá)3mm。這些模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。工作的基本原理：

• (1) 使用IO觸發(fā)至少10us的高電平信號(hào)，
• (2) 模塊自動(dòng)發(fā)送八個(gè)40kHz 并檢測(cè)是否有脈沖信號(hào)返回。
• (3) IF 信號(hào)返回，通過(guò)高電平，輸出IO 高電平持續(xù)時(shí)間即為從發(fā)送超聲波到返回的時(shí)間。
• 測(cè)試距離=（高電平時(shí)間×聲速（340M/S）/2

雖然所有這些聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但由于涉及到精確計(jì)時(shí)，我沒(méi)有找到很多關(guān)于在 Zephyr 上實(shí)現(xiàn)它的最佳方法。所以我決定自己做一個(gè)。

硬件

• 96Boards Carbon：由于傳感器具有 5v 的高值，Carbon 是我能用 3v3 獲得的最接近的值。3v3 足以在沒(méi)有任何電平轉(zhuǎn)換的情況下向觸發(fā)引腳發(fā)出信號(hào)，但我們?nèi)匀恍枰诨芈曇_上安裝一個(gè)分壓器。
• HC-SR04：原因很明顯。
• 分壓器：它基本上是電阻器的組合，用于將 Echo Pin 上的電壓從 5v 降低到 3v3，因此我們最終不會(huì)燒毀碳板。這是顯示如何設(shè)置它的圖表：

• 接線非常簡(jiǎn)單，5v 連接到 5v 引腳，GND 連接到接地引腳，觸發(fā)器連接到碳上的“PA1”，Echo 引腳的分壓器的另一端連接到“PA3”上碳。

計(jì)算周期

• 好的，讓我們來(lái)看看代碼

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define GPIO_OUT_PIN		1
#define GPIO_INT_PIN		3
#define PORT		"GPIOA"

void main(void)
{
  uint32_t cycles_spent;
  uint32_t nanseconds_spent;
  uint32_t val;
  uint32_t cm;
  uint32_t stop_time;
  uint32_t start_time;
  struct device *dev;
  dev = device_get_binding(PORT);
  gpio_pin_configure(dev, GPIO_OUT_PIN, GPIO_DIR_OUT);
  gpio_pin_configure(dev, GPIO_INT_PIN, (GPIO_DIR_IN | GPIO_INT_EDGE| GPIO_INT_ACTIVE_HIGH | GPIO_INT_DEBOUNCE));

  while (1) {
    gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 1);
    k_sleep(K_MSEC(10));
    gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 0);
    do {
			gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
		} while (val == 0);
		start_time = k_cycle_get_32();

		do {
			gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
      stop_time = k_cycle_get_32();
      cycles_spent = stop_time - start_time;
      if (cycles_spent > 1266720) //260cm for 84MHz (((MAX_RANGE * 58000) / 1000000000) * (CLOCK * 1000000))
      {
        break;
      }
		} while (val == 1);
    nanseconds_spent = SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS(cycles_spent);
    cm = nanseconds_spent / 58000;
    printk("%d\n", cm);
    k_sleep(100);
}
}

1）初始化

頭文件

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

管腳定義

#define GPIO_OUT_PIN		1
#define GPIO_INT_PIN		3
#define PORT		"GPIOA"

變量初始化

void main(void)
{
uint32_t cycles_spent;
uint32_t nanseconds_spent;
uint32_t val;
uint32_t cm;
uint32_t stop_time;
uint32_t start_time;

初始化引腳并設(shè)置 IO 方向

struct device *dev;
dev = device_get_binding(PORT);
gpio_pin_configure(dev, GPIO_OUT_PIN, GPIO_DIR_OUT);
gpio_pin_configure(dev, GPIO_INT_PIN, (GPIO_DIR_IN | GPIO_INT_EDGE| GPIO_INT_ACTIVE_HIGH | GPIO_INT_DEBOUNCE));

2）主要邏輯

首先，我們將觸發(fā)引腳設(shè)置為高電平 10 微秒

gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 1);
k_sleep(K_MSEC(10));
gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 0);

接下來(lái)我們的第一個(gè) do while 循環(huán)運(yùn)行直到 Echo Pin 為低電平，并在它變高時(shí)立即中斷，然后我們開(kāi)始計(jì)算周期

do {
      gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
  } while (val == 0);
  start_time = k_cycle_get_32();

我們的下一個(gè) do while 循環(huán)運(yùn)行直到 ECHO 引腳保持高電平：在這個(gè) do while 塊中，我們計(jì)算花費(fèi)的周期數(shù)并不斷檢查if用于限制最大范圍的值。我們使用公式 (((MAX_RANGE * 58000) / 1000000000) * (CLOCK * 1000000)) 并將 MAX_RANGE 替換為以厘米為單位的所需值，并將 CLOCK 替換為微處理器的時(shí)鐘速度。

do {
  gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
stop_time = k_cycle_get_32();
cycles_spent = stop_time - start_time;
if (cycles_spent > 1266720) //260cm for 84MHz (((MAX_RANGE * 58000) / 1000000000) * (CLOCK * 1000000))
{
break;
}
} while (val == 1);

最后我們使用該SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS函數(shù)計(jì)算 ECHO 引腳為高電平時(shí)的持續(xù)時(shí)間，它以納秒為單位返回結(jié)果。然后將值乘以 58000 得到以厘米為單位的結(jié)果，請(qǐng)記住空氣中的聲速是 340 米/秒

nanseconds_spent = SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS(cycles_spent);
cm = nanseconds_spent / 58000;
printk("%d\n", cm);

• 首先，有一個(gè)主要的 while 循環(huán)讓事情無(wú)限運(yùn)行
• 計(jì)時(shí)方法：要為 ECHO 引腳高電平狀態(tài)計(jì)時(shí)，我們可以使用普通精度方法，該方法使用系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)確定兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間經(jīng)過(guò)了多少時(shí)間。但是，我們將使用高精度方法來(lái)計(jì)算兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間經(jīng)過(guò)的周期，因?yàn)槲覀兊倪壿嫽旧鲜怯?jì)算確切的持續(xù)時(shí)間。

參考

• HC-SR04 數(shù)據(jù)表
• Zephyr 內(nèi)核時(shí)鐘文檔
• 示例代碼 GitHub GIST