【導(dǎo)讀】本文將演示一種加速嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原型階段的方法，說明如何將與硬件無關(guān)的驅(qū)動程序和傳感器結(jié)合使用，簡化整個嵌入式系統(tǒng)的器件選擇。同時還將介紹嵌入式系統(tǒng)的器件、典型軟件結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動程序的實現(xiàn)。后續(xù)文章“利用與硬件無關(guān)的方法簡化嵌入式系統(tǒng)設(shè)計：驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)”將進一步探討執(zhí)行過程。
摘要
本文將演示一種加速嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原型階段的方法，說明如何將與硬件無關(guān)的驅(qū)動程序和傳感器結(jié)合使用，簡化整個嵌入式系統(tǒng)的器件選擇。同時還將介紹嵌入式系統(tǒng)的器件、典型軟件結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動程序的實現(xiàn)。后續(xù)文章“利用與硬件無關(guān)的方法簡化嵌入式系統(tǒng)設(shè)計：驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)”將進一步探討執(zhí)行過程。
簡介
通過使用與硬件無關(guān)的驅(qū)動程序，設(shè)計人員可以自由選擇微控制器或處理器的類型來管理傳感器，而不受硬件的限制。這種方法的優(yōu)勢在于，除了供應(yīng)商提供的基本軟件層外，還可以添加額外的軟件層，同時簡化傳感器的集成。本文將以慣性測量單元(IMU)傳感器為例，說明如何實現(xiàn)與硬件無關(guān)的驅(qū)動程序，不過，這種方法同樣適用于其他類型的傳感器和器件。驅(qū)動程序采用C語言編寫，并在一款通用微控制器上進行了測試。
器件選擇
IMU傳感器主要用于運動檢測，以及通過加速度和角速度來測量運動強度。本示例選擇使用ADIS16500 IMU傳感器（圖1），因為與復(fù)雜且昂貴的分立設(shè)計方案相比，該傳感器能夠為精確的多軸慣性檢測與工業(yè)系統(tǒng)的集成提供簡單且經(jīng)濟高效的方法。
圖1.ADIS16500評估板。
主要應(yīng)用包括：
? 導(dǎo)航、穩(wěn)定性和儀器儀表
? 無人機和自動駕駛車輛
? 智能農(nóng)業(yè)和施工機械設(shè)備
? 工廠/工業(yè)自動化、機器人
? 虛擬/增強現(xiàn)實
? 運動物聯(lián)網(wǎng)
圖2.ADIS16500框圖。
ADIS16500是一款精密微型機電系統(tǒng)(MEMS) IMU，內(nèi)置一個三軸陀螺儀、一個三軸加速度計和一個溫度傳感器。參見圖2。該IMU的靈敏度、偏置、對準、線性加速度（陀螺儀偏置）和坐標軸原點（加速度計位置）已在工廠校準。這意味著在各種條件下都能提供精確的傳感器測量。
通過該接口，微控制器可以寫入和讀取用戶控制寄存器，并讀取輸出數(shù)據(jù)寄存器，從而獲得加速度計、陀螺儀或溫度傳感器數(shù)據(jù)。為此，管理該接口所需的全部軟件和固件均已完成開發(fā)。圖2所示為數(shù)據(jù)就緒(DR)引腳。該引腳是一個數(shù)字信號，指示何時可從傳感器讀取新數(shù)據(jù)。DR引腳可被視為通過通用輸入/輸出(GPIO)端口的輸入，因此可通過微控制器輕松管理。
從硬件的角度來看，IMU傳感器和微控制器將使用SPI接口連接，該接口是由nCS、SCLK、DIN和DOUT引腳組成的4線接口。DR引腳應(yīng)連接到微控制器的其中一個GPIO。此外，IMU傳感器需要3 V至3.6 V的電源電壓，因此3.3 V就足夠了。
了解嵌入式系統(tǒng)的典型軟件結(jié)構(gòu)
圖3.嵌入式系統(tǒng)的軟件/固件結(jié)構(gòu)。
了解嵌入式系統(tǒng)的通用軟件和固件結(jié)構(gòu)對于與傳感器驅(qū)動程序連接至關(guān)重要。這將幫助設(shè)計人員構(gòu)建一個靈活且易于集成到任何項目的軟件模塊。此外，驅(qū)動程序必須以模塊化的方式實現(xiàn)，以使設(shè)計人員能夠依賴于現(xiàn)有函數(shù)添加更高級的函數(shù)。
嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3中，層次結(jié)構(gòu)從應(yīng)用層開始，應(yīng)用代碼就是在這一層編寫的。應(yīng)用層包括main文件、依賴于傳感器的應(yīng)用模塊，以及依賴于管理處理器配置的外設(shè)驅(qū)動程序的模塊。此外，在應(yīng)用層中，還有與微控制器必須處理的任務(wù)相關(guān)的所有模塊。例如，通過中斷或輪詢、狀態(tài)機等管理任務(wù)的所有軟件。應(yīng)用層級別根據(jù)項目的類型而有所不同，因此不同項目中實現(xiàn)的代碼也不同。在應(yīng)用層，系統(tǒng)的所有傳感器根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊進行初始化和配置。傳感器驅(qū)動程序提供的所有公共函數(shù)均可調(diào)用。例如，讀取負責(zé)輸出數(shù)據(jù)的寄存器，或者寫入一個寄存器以更改設(shè)置/校準的程序。
應(yīng)用層下面是傳感器的驅(qū)動層，這一層有兩種類型的接口?？蓮膽?yīng)用層調(diào)用的所有函數(shù)都在這一層實現(xiàn)。此外，函數(shù)的原型插入到驅(qū)動程序標頭文件(.h)中。因此，通過查看傳感器驅(qū)動程序的標頭文件，您可以了解驅(qū)動程序的接口以及可從較高層級調(diào)用的函數(shù)。較低級別的層將與特定外設(shè)驅(qū)動程序連接，這些外設(shè)驅(qū)動程序依賴于管理傳感器的微控制器。外設(shè)驅(qū)動程序包括管理微控制器外設(shè)的所有模塊，例如SPI、I2C、UART、USB、CAN、SPORT等，或管理處理器內(nèi)部模塊的模塊，例如定時器、內(nèi)存、ADC等。由于它們與硬件緊密相關(guān)，因此稱為低級函數(shù)。例如，由于微控制器不同，因此每個SPI驅(qū)動程序都是不同的。我們以ADIS16500為例。接口是SPI，因此其驅(qū)動程序?qū)⑴c微控制器的SPI驅(qū)動程序封裝在一起。對于不同的傳感器和不同的接口也是如此。例如，如果另一個傳感器具有I2C接口，那么同樣地，將在傳感器的初始化過程中與微控制器的I2C驅(qū)動程序封裝一起。
傳感器驅(qū)動程序的下層是外設(shè)驅(qū)動程序，各類微控制器的外設(shè)驅(qū)動程序各不相同。如圖3所示，外設(shè)驅(qū)動程序和低級驅(qū)動程序是分開的。本質(zhì)上，外設(shè)驅(qū)動程序通過可用的通信協(xié)議提供讀寫函數(shù)。由于低級驅(qū)動程序?qū)⒐芾硇盘柕奈锢韺?，因此它非常依賴于設(shè)計人員所使用的硬件。外設(shè)和低級驅(qū)動層往往通過可視化工具從微控制器的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)生成，具體取決于安裝微控制器的評估板。
驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)
與硬件無關(guān)的方法支持在不同應(yīng)用、不同微控制器或不同處理器中使用相同的驅(qū)動程序。這種方法取決于驅(qū)動程序的實現(xiàn)方式。要了解驅(qū)動程序的實現(xiàn)方式，首先要看接口，或圖4中的傳感器標頭文件(adis16500.h)。
標頭文件包含有用的公共宏。其中包括寄存器的地址、SPI最大速度、默認輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)、位掩碼，以及加速度計、陀螺儀和溫度傳感器的輸出靈敏度，這些宏與用于表示數(shù)據(jù)的位數(shù)（16或32）有關(guān)。圖4顯示了這些宏，其中僅顯示了幾個寄存器的地址作為示例。本文引用的代碼可參見附錄。
圖4.ADIS16500標頭文件(adis16500.h)中顯示的宏。
附錄中的圖3顯示了包括adis16500.h在內(nèi)的每個模塊均可使用的所有公共變量和公共類型聲明，其中定義了新的類型，以便更有效地管理數(shù)據(jù)。例如，ADIS16500_XL_OUT類型被定義為包含三個浮點的結(jié)構(gòu)，每個軸（x、y和z）一個浮點。此外，還通過枚舉來支持不同的傳感器配置，使設(shè)計人員能夠靈活地選擇符合自身需求的配置。最值得關(guān)注的是使驅(qū)動程序與硬件無關(guān)的部分。在公共變量部分的開頭（附錄中的圖3），有三個關(guān)鍵的類型定義：指向三個基本函數(shù)的指針，或者SPI發(fā)送和接收函數(shù)，以及為生成正確的停轉(zhuǎn)時間，兩次SPI訪問之間所需的延遲函數(shù)。這些代碼還顯示了可指向的函數(shù)的原型。SPI發(fā)送函數(shù)將指向待發(fā)送值的指針作為輸入，然后返回可供檢查的內(nèi)容，以確定發(fā)送是否成功。SPI接收函數(shù)也是如此，該函數(shù)將指向變量的指針作為輸入，這個指針將存儲接收時讀取的值。延遲函數(shù)以浮點數(shù)作為輸入，表示設(shè)計人員想要等待的微秒數(shù)，不返回任何內(nèi)容(void)。通過這種方式，設(shè)計人員可以在應(yīng)用層（例如在main文件中）利用這些特定的原型來聲明這三個函數(shù)。聲明后，他們可以將這三個函數(shù)賦值給ADIS16500_INIT私有結(jié)構(gòu)的字段。附錄中的圖2列舉了一個示例，以幫助更好地理解最后一步。
SPI發(fā)送器、接收器函數(shù)和延遲函數(shù)在main文件中聲明為靜態(tài)函數(shù)，因此屬于應(yīng)用層。這些函數(shù)依賴于外設(shè)驅(qū)動程序函數(shù)，因此傳感器驅(qū)動程序本身與硬件無關(guān)。這三個函數(shù)被分配給一個變量的字段，而這些字段是指向函數(shù)的指針。這樣一來，設(shè)計人員可以封裝傳感器和微控制器，而無需修改傳感器驅(qū)動程序代碼。如果設(shè)計人員更換微控制器，他們只需將三個靜態(tài)函數(shù)內(nèi)的低級函數(shù)替換為新微控制器的相應(yīng)函數(shù)，從而調(diào)整main文件。通過這種方法，驅(qū)動程序變得與硬件無關(guān)，因為設(shè)計人員不需要更改傳感器的驅(qū)動程序代碼。微控制器的IDE中通常包含spiSelect、spiReceive、spiUnselect、chThdSleepMicroseconds等低級函數(shù)。在本例中，所用的微控制器評估板是SDP-K1，它嵌入了STM32F469NIH6 Cortex?-M4微控制器。該IDE是ChibiOS，這是一個免費的Arm?開發(fā)環(huán)境。
附錄中的圖4顯示了應(yīng)用級別的可調(diào)用函數(shù)原型。這些原型以及附錄中圖2和圖3討論的所有其他軟件和固件都可在傳感器驅(qū)動程序的標頭文件(adis16500.h)中找到。首先，初始化函數(shù)(adis16500_init)將指向ADIS16500_INIT結(jié)構(gòu)的指針作為輸入，并返回狀態(tài)代碼，以指示初始化是否成功。初始化函數(shù)的實現(xiàn)在傳感器驅(qū)動程序的源文件(adis16500.c)中完成。附錄中的圖5所示為adis16500_init函數(shù)的代碼。首先，定義名為ADIS16500_PRIV的類型，其中至少包含ADIS16500_INIT結(jié)構(gòu)的所有字段，然后聲明一個屬于該類型的私有變量_adis16500_priv。在初始化函數(shù)中，應(yīng)用層傳遞的ADIS16500_INIT結(jié)構(gòu)的所有字段將賦值給私有變量_adis16500_priv的字段。這意味著，對傳感器驅(qū)動程序的任何后續(xù)調(diào)用都將使用由應(yīng)用層傳入的SPI讀寫函數(shù)和處理器延遲函數(shù)。這一點很關(guān)鍵，正因如此，傳感器驅(qū)動程序才能與硬件無關(guān)。如果設(shè)計人員想要更改微控制器，只需更改傳遞給adis16500_init函數(shù)的函數(shù)即可，不需要修改傳感器驅(qū)動程序代碼本身。在初始化函數(shù)開頭，_adis16500_priv變量的已初始化字段設(shè)置為false，因為初始化過程尚未完成。在該函數(shù)結(jié)束時，該字段將設(shè)置為true，然后返回。設(shè)計人員每次調(diào)用另一個公共函數(shù)（附錄中的圖4）時，都會執(zhí)行以下檢查：如果_adis16500_priv.initialized為true，可以繼續(xù)；如果為false，將立即返回ADIS16500_RET_VALERROR錯誤。這是為了防止用戶在沒有先初始化傳感器驅(qū)動程序的情況下調(diào)用函數(shù)。繼續(xù)討論初始化函數(shù)，執(zhí)行以下步驟：
1. 通過讀取ADIS16500_REG_ PROD_ID寄存器，檢查預(yù)先已知的產(chǎn)品ID。
2. 將應(yīng)用層(main.c)傳遞的值寫入ADIS16500_REG_MSC_CTRL寄存器的相應(yīng)位字段，設(shè)置數(shù)據(jù)就緒(DR)引腳極性。
3. 將應(yīng)用層(main.c)傳遞的值寫入ADIS16500_REG_MSC_CTRL寄存器的相應(yīng)位字段，設(shè)置同步模式。
4. 將應(yīng)用層(main.c)傳遞的值寫入ADIS16500_REG_DEC_RATE寄存器，設(shè)置抽取率。
初始化函數(shù)取決于讀寫寄存器函數(shù)（附錄中的圖6）。因此，為_adis16500_priv變量賦值之后，需要完成上述四個例程。否則，在調(diào)用讀取或?qū)懭爰拇嫫骱瘮?shù)時，它們不知道該使用哪個SPI發(fā)送器、接收器和處理器延遲函數(shù)。
參考附錄中的圖4，在初始化函數(shù)之后，還可以調(diào)用其他公共函數(shù)。下面是已實現(xiàn)例程的功能描述，所示為低級別例程。本文的第二部分將詳細介紹驅(qū)動程序的其他已實現(xiàn)函數(shù)。以下所有函數(shù)只能在初始化函數(shù)之后調(diào)用。為此，將在每個函數(shù)開頭仔細檢查，以確定傳感器是否已初始化。如果未初始化，程序會立即返回錯誤。
u adis16500_rd_reg_16
該函數(shù)用于讀取16位寄存器。該函數(shù)實現(xiàn)可參見附錄中的圖6。輸入包括ad，這是一個uint8_t變量，表示要讀取的寄存器的地址，以及*p_reg_val，這是指向uint16_t類型變量的指針，表示讀取值將賦值的目標。要通過SPI協(xié)議讀取寄存器，需要訪問兩次SPI；第一次訪問是為了發(fā)送地址，第二次是為了讀回被尋址寄存器的值。兩次訪問之間需要有停轉(zhuǎn)時間，因此需要延遲函數(shù)。在第一次訪問過程中，我們發(fā)送讀/寫位，在本例中為1（R = 1，W = 0），寄存器地址移位8位，再補充8位0，因此序列如下：
R/W | AD6 | AD5 | AD4 | AD3 | AD2 | AD1 | AD0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
其中AD代表地址，R/W代表讀/寫位。
經(jīng)過延遲后，函數(shù)通過SPI讀取值，并將該值傳遞給輸入指針。ADIS16500的寄存器具有一個包含高位值（8個最高有效位）的高地址和一個包含低位值（8個低有效位）的低地址。為了獲得16位的完整值（低位和高位），使用低地址作為ad已經(jīng)足夠，因為低地址和高地址是連續(xù)的。
u adis16500_wr_reg_16
該函數(shù)用于寫入16位寄存器。該函數(shù)實現(xiàn)可參見附錄中的圖6。輸入包括ad，這是一個uint8_t類型變量，表示要寫入的寄存器的地址，以及reg_val，這是uint16_t類型變量，表示要寫入寄存器的值。對于讀取函數(shù)，需要考慮低地址和高地址以及低位值和高位值。因此，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，要想寫入ADIS16500的寄存器，需要在發(fā)送時訪問兩次SPI。第一次訪問將發(fā)送等于0的R/W位，接著是低寄存器地址，然后是低位值，因此序列如下：
R/W | AD6 | AD5 | AD4 | AD3 | AD2 | AD1 | AD0 | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0 |，其中D代表數(shù)據(jù)。
第二次SPI發(fā)送器訪問將發(fā)送等于0的R/W位，接著是高寄存器地址，然后是高位值，因此序列如下：
R/W | AD14 | AD13 | AD12 | AD11 | AD10 | AD9 | AD8 | D15 | D14 | D13 | D12 | D11 | D10 | D9 | D8 |。
寫入和讀取寄存器函數(shù)實際上也可以定義為私有，因此從驅(qū)動程序軟件模塊外部不可見，也不可調(diào)用。將它們定義為公共是為了能夠調(diào)試。這樣一來，設(shè)計人員能夠快速訪問傳感器中的任何寄存器以進行讀取或?qū)懭?，從而幫助解決問題。
u adis16500_rd_acc
該函數(shù)從輸出數(shù)據(jù)寄存器讀取x、y、z加速度數(shù)據(jù)，并返回它們的值，單位為[m/sec2]。該函數(shù)實現(xiàn)可參見附錄中的圖7。輸入是指向ADIS16500_XL_OUT結(jié)構(gòu)的指針，它只嵌入三個字段：以浮點類型表示的x、y、z加速度。在這三個軸上，讀取加速度的方式是相同的，唯一的區(qū)別在于要讀取的寄存器。每個軸有其各自要讀取的寄存器：x軸必須在x加速度輸出數(shù)據(jù)寄存器上讀取，y和z軸也在相應(yīng)寄存器上讀取。加速度值將用32位值來表示，因此要讀取的寄存器有兩個。一個讀取高16位，一個讀取低16位。因此，通過查看代碼可知，將進行兩次寄存器讀取訪問，再加上適當(dāng)?shù)囊莆缓蚈R位運算，得到整個二進制值并存儲在名為_temp的私有int32_t變量中。然后，數(shù)據(jù)將經(jīng)過二進制轉(zhuǎn)二進制補碼的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，用二進制補碼值除以靈敏度（單位為[LSB/(m/sec2)]），這樣最終將獲得以[m/sec2]為單位的加速度值。此值將記錄到指針的x、y或z字段，該指針指向已作為輸入傳遞的結(jié)構(gòu)。
u adis16500_rd_gyro
陀螺儀讀取函數(shù)與加速度讀取函數(shù)的實現(xiàn)方法完全相同。毫無疑問，該函數(shù)將讀取x、y、z陀螺儀數(shù)據(jù)，單位為[°/sec]。其實現(xiàn)方法可參見附錄中的圖8。與加速度函數(shù)類似，函數(shù)的輸入是指向ADIS16500_GYRO_OUT結(jié)構(gòu)的指針，該結(jié)構(gòu)嵌入以浮點類型表示的x、y和z陀螺儀數(shù)據(jù)。讀取的寄存器是陀螺儀輸出數(shù)據(jù)寄存器。二進制值將用32位表示，要獲得二進制補碼值，需要完成與加速度函數(shù)相同的步驟。完成二進制到二進制補碼轉(zhuǎn)換后，用得到的值除以靈敏度（單位為[LSB/(°/sec)]），最終得到以[°/sec]為單位的值，然后該值將記錄到指針的x、y或z字段，該指針指向已作為輸入傳遞的結(jié)構(gòu)。
結(jié)論
本文闡述了嵌入式系統(tǒng)的典型軟件/固件堆棧，介紹了IMU傳感器的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)。與硬件無關(guān)的方法為各種傳感器或器件提供了可重復(fù)使用的方法，即使接口（SPI、I2C、UART等）不同也沒關(guān)系。后續(xù)文章“利用與硬件無關(guān)的方法簡化嵌入式系統(tǒng)設(shè)計：驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)”進一步詳細解釋了傳感器驅(qū)動程序的實現(xiàn)方法。
（來源：ADI公司，作者: Giacomo Paterniani，現(xiàn)場應(yīng)用工程師）
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