Sensor 驱动框架的整体架构详细介绍

背景与概述

Sensor 是物联网重要的一部分，“Sensor 之于物联网”相当于“眼睛之于人类”。人没有眼睛就看不到这大千的花花世界，物联网没有了 Sensor 更是不能感知这变化万千的世界。

现在，为物联网开发的 Sensor 已经很多了，有加速度计（Accelerometer），磁力计（Magnetometer），陀螺仪（Gyroscope），光感计（Ambient light sensor），接近光（Proximity），气压计（Barometer/pressure），湿度计（Humidometer）等等。这些传感器，世界上的各大半导体厂商都有出产，虽然增加了市场的可选择性，同时也加大了应用程序开发的难度。因为不同的传感器厂商、不同的传感器都需要配套自己独有的驱动才能运转起来，这样在开发应用程序的时候就需要针对不同的传感器做适配，自然加大了开发难度。为了降低应用开发的难度，增加传感器驱动的可复用性，我们设计了 Sensor 驱动框架。

Sensor 驱动框架的作用是：为上层提供统一的操作接口，提高上层代码的可重用性；简化底层驱动开发的难度，只要实现简单的 ops（operations： 操作命令） 就可以将传感器注册到系统上。

整体框架

Sensor 驱动框架的整体架构图如下：

sensor

它为上层提供的是标准 device 接口open/close/read/write/control ，为底层驱动提供的是简单的 ops 接口：fetch_data/control。并且框架支持 module（模块），为底层存在耦合的传感器设备提供服务。

工作原理

Sensor 设备其实是对标准设备 rt_device 的一个丰富，是在原有标准设备的基础上增加了 Sensor 自己独有的一部分 属性 和 控制命令 ，如下图所示：

sensor

整个 Sensor 设备包括两个部分：

继承自标准设备的一些特性，包括：标准的控制接口 、回调函数、device_id 等。

Sensor 设备独有的部分，包括：Sensor 的类型、相关的信息、特有的控制命令、ops、以及一些 数据的结构。

sensor 的结构体

Sensor 设备的结构体如下所示：

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 里存储的是一些与 Sensor 自身相关的信息，在 Sensor 设备注册的时候提供，在使用的过程中不应修改其内容。具体成员如下所示。

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 的类型暂时只有以下几种，如果有新的传感器类型，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

*/

其他的几个成员，分别是厂商、model（如：“mpu6050”）、传感器数据的单位、通信接口类型、测量的最大范围、测量的最小范围、最小测量周期、硬件 FIFO 的最大深度。

Sensor 的配置

Sensor 驱动框架抽象出了一些公共的配置选项，这些可配置的选项置于 struct rt_sensor_config 里， 成员如下：

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};

这些配置项中的 intf 和 irq_pin 是为了将传感器和硬件解耦而抽象出来的，通过在底层初始化的时候传入 struct rt_sensor_config 这个参数，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};

其余的一些配置项是用 Sensor 特有控制命令控制的，如下所示：

1#define RT_SENSOR_CTRL_GET_ID （0） /* 读设备ID */2#define RT_SENSOR_CTRL_GET_INFO （1） /* 获取设备信息 */3#define RT_SENSOR_CTRL_SET_RANGE （2） /* 设置传感器测量范围 */4#define RT_SENSOR_CTRL_SET_ODR （3） /* 设置传感器数据输出速率，unit is HZ */5#define RT_SENSOR_CTRL_SET_MODE （4） /* 设置工作模式 */6#define RT_SENSOR_CTRL_SET_POWER （5） /* 设置电源模式 */7#define RT_SENSOR_CTRL_SELF_TEST （6） /* 自检 */

结合 ops 中的 control 接口使用，就可以完成传感器的配置了。

Sensor 数据的存储

为了方便数据的解析，规定每一个类型的 Sensor 都有自己独有的数据结构，这些成员之间使用共用体以减少代码量。

特有的 ops

ops（操作函数）包含两个函数指针， 一个的作用是获取传感器数据（fetch_data），另一个的作用是通过控制命令控制传感器（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};

注册方式

传感器驱动框架提供了一个 Sensor 注册函数，通过传入 Sensor 的控制块，名称，标志位和私有数据，就可以完成传感器设备的注册。

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

这样看来 Sensor 驱动框架依托于标准的设备框架，只要将传感器驱动对接到 Sensor 的 ops 上，并通过调用 rt_hw_sensor_register 函数注册为 Sensor 设备就可以通过标准的设备接口控制传感器了。

module支持

module 的定义是解决底层有耦合的两个传感器而出现的，有些传感器既有加速度计的功能又有陀螺仪的功能，并且他们的FIFO是共用的，在 FIFO 模式下，只能将两个类型的传感器的数据同时读出，这就说明他们的数据是耦合的。

为了解决这个问题，我们定义了 module 的类型

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};

里面包含有耦合的传感器的设备控制块指针，通过这个功能就可以在读取陀螺仪的数据的时候，同时更新加速度计的值，解决了底层耦合的问题。