【韦东山驱动入门实验班】通用驱动框架1之超声波测距模块驱动

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#嵌入式硬件 #驱动开发 #1024程序员节

于 2024-10-30 22:59:44 首次发布

1. 超声波测试模块简介

超声波测距模块是利用超声波来测距。模块先发送超声波，然后接收反射回来的超声波，由反射经历的时间和声音的传播速度 340m/s，计算得出距离。
SR04 是一款常见的超声波传感器，模块自动发送 8 个 40KHz 的方波，自动检测是否有信号返回，用户只需提供一个触发信号，随后检测回响信号的时间长短即可。
SR04 采用 5V 电压，静态电流小于 2mA，感应角度最大约 15 度，探测距离约 2cm-450cm。

硬件设计
SR04 模块上面有四个引脚，分别为：VCC、Trig、Echo、GND

Trig 是脉冲触发引脚，即控制该脚让 SR04 模块开始发送超声波。
Echo 是回响接收引脚，即 SR04 模块一旦接收到超声波的返回信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测距离成正比。

时序图：
Alt

触发信号：向 Trig（脉冲触发引脚）发出一个大约 10us 的高电平。注意：两次触发信号的时间间隔应该大于 50us
发出超声波，接收反射信号：模块就自动发出 8 个 40Khz 的超声波，超声波遇到障碍物后反射回来，模块收到返回来的超声波。
回响信号：模块接收到反射回来的超声波后，Echo 引脚输出一个与检测距离成比例的高电平。

总而言之，我们只要在Echo 引脚电平为高时，开启定时器计数，在该引脚变为低时，结束定时器计数。根据定时器的计数和定时器频率就可以算出经历时间，根据时间即可推导出距离

假设 Echo引脚高电平持续时间为 T(单位:ns)，则Distance(单位:cm) 的计算公式为：Distance = 340*T/1000000（cm）

2. 应用程序的操作

Alt
应用程序的逻辑：

打开设备节点
在循环中，使用使用ioctl函数调用驱动中的ioctl函数发出Trig信号
然后读取时间范围T，然后根据公式计算出距离；

3. 在通用框架基础上修改驱动程序

从入口函数开始，入口函数包含 GPIO 操作、注册 file_operations 结构体、以及其他辅助信息。

首先是GPIO的操作：

对于Trig引脚，它不需要申请中断，只需要发出Trig信号即可。因此只需要申请占用引脚(request_gpio)，并设置初始的方向（Trig引脚平时为低电平，故默认初始化为低电平）
对于Echo引脚，需要申请中断。当上升沿时，记录开始时间；当下降沿时，记录结束时间，由此计算时间差。

然后，分析和修改驱动的核心 file_operations 结构体：

根据硬件原理可知，超声波测距模块不需要写数据，因此删除write操作函数；
增加ioctl操作函数，该函数一般用于设置或者获取硬件的属性，这里用来触发Trig信号（可以查看内核源码中其他驱动程序如何使用）
- 在 ioctl 函数中，发送触发信号：维持 `10us1 的高电平，然后恢复为低电平

发送触发信号后，我们需要在中断处理函数中处理中断。值得注意的是，上升沿和下降沿触发需要做不同的处理：

核心函数：ktime_get_ns();用于获取当前的高精度时间（monotonic time），返回单位为纳秒的系统时间;
上升沿触发中断时，记录开始时间；
下降沿触发中断时，记录结束时间，并计算时间间隔；
注意：容错处理——当下降沿触发时，如果时间间隔为0，表示丢失了中断；

其他信息：
根据需求修改类名、设备名等等

出口函数：

完成入口函数的反操作

#include "asm-generic/gpio.h"
#include "linux/irqreturn.h"
#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/timer.h>

#define CMD_TRIG 100

struct gpio_desc{
   
   
	int gpio;
	int irq;
    char *name;
    int key;
	struct timer_list key_timer;
} ;

static