【導讀】本文將演示一種加速嵌入式系統設計原型階段的方法，說明如何將與硬件無關的驅動程序和傳感器結合使用，簡化整個嵌入式系統的器件選擇。同時還將介紹嵌入式系統的器件、典型軟件結構以及驅動程序的實現。后續文章“利用與硬件無關的方法簡化嵌入式系統設計：驅動程序實現”將進一步探討執行過程。
摘要
本文將演示一種加速嵌入式系統設計原型階段的方法，說明如何將與硬件無關的驅動程序和傳感器結合使用，簡化整個嵌入式系統的器件選擇。同時還將介紹嵌入式系統的器件、典型軟件結構以及驅動程序的實現。后續文章“利用與硬件無關的方法簡化嵌入式系統設計：驅動程序實現”將進一步探討執行過程。
簡介
通過使用與硬件無關的驅動程序，設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。這種方法的優勢在于，除了供應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，說明如何實現與硬件無關的驅動程序，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），因為與復雜且昂貴的分立設計方案相比，該傳感器能夠為精確的多軸慣性檢測與工業系統的集成提供簡單且經濟高效的方法。
圖1.ADIS16500評估板。
主要應用包括：
? 導航、穩定性和儀器儀表
? 無人機和自動駕駛車輛
? 智能農業和施工機械設備
? 工廠/工業自動化、機器人
? 虛擬/增強現實
? 運動物聯網
圖2.ADIS16500框圖。
ADIS16500是一款精密微型機電系統(MEMS) IMU，內置一個三軸陀螺儀、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，并讀取輸出數據寄存器，從而獲得加速度計、陀螺儀或溫度傳感器數據。為此，管理該接口所需的全部軟件和固件均已完成開發。圖2所示為數據就緒(DR)引腳。該引腳是一個數字信號，指示何時可從傳感器讀取新數據。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。
了解嵌入式系統的典型軟件結構
圖3.嵌入式系統的軟件/固件結構。
了解嵌入式系統的通用軟件和固件結構對于與傳感器驅動程序連接至關重要。這將幫助設計人員構建一個靈活且易于集成到任何項目的軟件模塊。此外，驅動程序必須以模塊化的方式實現，以使設計人員能夠依賴于現有函數添加更高級的函數。
嵌入式系統的軟件結構如圖3所示。在圖3中，層次結構從應用層開始，應用代碼就是在這一層編寫的。應用層包括main文件、依賴于傳感器的應用模塊，以及依賴于管理處理器配置的外設驅動程序的模塊。此外，在應用層中，還有與微控制器必須處理的任務相關的所有模塊。例如，通過中斷或輪詢、狀態機等管理任務的所有軟件。應用層級別根據項目的類型而有所不同，因此不同項目中實現的代碼也不同。在應用層，系統的所有傳感器根據其數據手冊進行初始化和配置。傳感器驅動程序提供的所有公共函數均可調用。例如，讀取負責輸出數據的寄存器，或者寫入一個寄存器以更改設置/校準的程序。
應用層下面是傳感器的驅動層，這一層有兩種類型的接口。可從應用層調用的所有函數都在這一層實現。此外，函數的原型插入到驅動程序標頭文件(.h)中。因此，通過查看傳感器驅動程序的標頭文件，您可以了解驅動程序的接口以及可從較高層級調用的函數。較低級別的層將與特定外設驅動程序連接，這些外設驅動程序依賴于管理傳感器的微控制器。外設驅動程序包括管理微控制器外設的所有模塊，例如SPI、I2C、UART、USB、CAN、SPORT等，或管理處理器內部模塊的模塊，例如定時器、內存、ADC等。由于它們與硬件緊密相關，因此稱為低級函數。例如，由于微控制器不同，因此每個SPI驅動程序都是不同的。我們以ADIS16500為例。接口是SPI，因此其驅動程序將與微控制器的SPI驅動程序封裝在一起。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驅動程序封裝一起。
傳感器驅動程序的下層是外設驅動程序，各類微控制器的外設驅動程序各不相同。如圖3所示，外設驅動程序和低級驅動程序是分開的。本質上，外設驅動程序通過可用的通信協議提供讀寫函數。由于低級驅動程序將管理信號的物理層，因此它非常依賴于設計人員所使用的硬件。外設和低級驅動層往往通過可視化工具從微控制器的集成開發環境(IDE)生成，具體取決于安裝微控制器的評估板。
驅動程序實現
與硬件無關的方法支持在不同應用、不同微控制器或不同處理器中使用相同的驅動程序。這種方法取決于驅動程序的實現方式。要了解驅動程序的實現方式，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、默認輸出數據速率(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據的位數（16或32）有關。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據。例如，ADIS16500_XL_OUT類型被定義為包含三個浮點的結構，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，使設計人員能夠靈活地選擇符合自身需求的配置。最值得關注的是使驅動程序與硬件無關的部分。在公共變量部分的開頭（附錄中的圖3），有三個關鍵的類型定義：指向三個基本函數的指針，或者SPI發送和接收函數，以及為生成正確的停轉時間，兩次SPI訪問之間所需的延遲函數。這些代碼還顯示了可指向的函數的原型。SPI發送函數將指向待發送值的指針作為輸入，然后返回可供檢查的內容，以確定發送是否成功。SPI接收函數也是如此，該函數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。延遲函數以浮點數作為輸入，表示設計人員想要等待的微秒數，不返回任何內容(void)。通過這種方式，設計人員可以在應用層（例如在main文件中）利用這些特定的原型來聲明這三個函數。聲明后，他們可以將這三個函數賦值給ADIS16500_INIT私有結構的字段。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發送器、接收器函數和延遲函數在main文件中聲明為靜態函數，因此屬于應用層。這些函數依賴于外設驅動程序函數，因此傳感器驅動程序本身與硬件無關。這三個函數被分配給一個變量的字段，而這些字段是指向函數的指針。這樣一來，設計人員可以封裝傳感器和微控制器，而無需修改傳感器驅動程序代碼。如果設計人員更換微控制器，他們只需將三個靜態函數內的低級函數替換為新微控制器的相應函數，從而調整main文件。通過這種方法，驅動程序變得與硬件無關，因為設計人員不需要更改傳感器的驅動程序代碼。微控制器的IDE中通常包含spiSelect、spiReceive、spiUnselect、chThdSleepMicroseconds等低級函數。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?開發環境。
附錄中的圖4顯示了應用級別的可調用函數原型。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動程序的標頭文件(adis16500.h)中找到。首先，初始化函數(adis16500_init)將指向ADIS16500_INIT結構的指針作為輸入，并返回狀態代碼，以指示初始化是否成功。初始化函數的實現在傳感器驅動程序的源文件(adis16500.c)中完成。附錄中的圖5所示為adis16500_init函數的代碼。首先，定義名為ADIS16500_PRIV的類型，其中至少包含ADIS16500_INIT結構的所有字段，然后聲明一個屬于該類型的私有變量_adis16500_priv。在初始化函數中，應用層傳遞的ADIS16500_INIT結構的所有字段將賦值給私有變量_adis16500_priv的字段。這意味著，對傳感器驅動程序的任何后續調用都將使用由應用層傳入的SPI讀寫函數和處理器延遲函數。這一點很關鍵，正因如此，傳感器驅動程序才能與硬件無關。如果設計人員想要更改微控制器，只需更改傳遞給adis16500_init函數的函數即可，不需要修改傳感器驅動程序代碼本身。在初始化函數開頭，_adis16500_priv變量的已初始化字段設置為false，因為初始化過程尚未完成。在該函數結束時，該字段將設置為true，然后返回。設計人員每次調用另一個公共函數（附錄中的圖4）時，都會執行以下檢查：如果_adis16500_priv.initialized為true，可以繼續；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動程序的情況下調用函數。繼續討論初始化函數，執行以下步驟：
1. 通過讀取ADIS16500_REG_ PROD_ID寄存器，檢查預先已知的產品ID。
2. 將應用層(main.c)傳遞的值寫入ADIS16500_REG_MSC_CTRL寄存器的相應位字段，設置數據就緒(DR)引腳極性。
3. 將應用層(main.c)傳遞的值寫入ADIS16500_REG_MSC_CTRL寄存器的相應位字段，設置同步模式。
4. 將應用層(main.c)傳遞的值寫入ADIS16500_REG_DEC_RATE寄存器，設置抽取率。
初始化函數取決于讀寫寄存器函數（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，在調用讀取或寫入寄存器函數時，它們不知道該使用哪個SPI發送器、接收器和處理器延遲函數。
參考附錄中的圖4，在初始化函數之后，還可以調用其他公共函數。下面是已實現例程的功能描述，所示為低級別例程。本文的第二部分將詳細介紹驅動程序的其他已實現函數。以下所有函數只能在初始化函數之后調用。為此，將在每個函數開頭仔細檢查，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
該函數用于讀取16位寄存器。該函數實現可參見附錄中的圖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協議讀取寄存器，需要訪問兩次SPI；第一次訪問是為了發送地址，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時間，因此需要延遲函數。在第一次訪問過程中，我們發送讀/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。
經過延遲后，函數通過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已經足夠，因為低地址和高地址是連續的。
u adis16500_wr_reg_16
該函數用于寫入16位寄存器。該函數實現可參見附錄中的圖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，需要考慮低地址和高地址以及低位值和高位值。因此，根據數據手冊，要想寫入ADIS16500的寄存器，需要在發送時訪問兩次SPI。第一次訪問將發送等于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代表數據。
第二次SPI發送器訪問將發送等于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實際上也可以定義為私有，因此從驅動程序軟件模塊外部不可見，也不可調用。將它們定義為公共是為了能夠調試。這樣一來，設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寫入，從而幫助解決問題。
u adis16500_rd_acc
該函數從輸出數據寄存器讀取x、y、z加速度數據，并返回它們的值，單位為[m/sec2]。該函數實現可參見附錄中的圖7。輸入是指向ADIS16500_XL_OUT結構的指針，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加速度輸出數據寄存器上讀取，y和z軸也在相應寄存器上讀取。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，再加上適當的移位和OR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，數據將經過二進制轉二進制補碼的轉換。轉換后，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構。
u adis16500_rd_gyro
陀螺儀讀取函數與加速度讀取函數的實現方法完全相同。毫無疑問，該函數將讀取x、y、z陀螺儀數據，單位為[°/sec]。其實現方法可參見附錄中的圖8。與加速度函數類似，函數的輸入是指向ADIS16500_GYRO_OUT結構的指針，該結構嵌入以浮點類型表示的x、y和z陀螺儀數據。讀取的寄存器是陀螺儀輸出數據寄存器。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相同的步驟。完成二進制到二進制補碼轉換后，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構。
結論
本文闡述了嵌入式系統的典型軟件/固件堆棧，介紹了IMU傳感器的驅動程序實現。與硬件無關的方法為各種傳感器或器件提供了可重復使用的方法，即使接口（SPI、I2C、UART等）不同也沒關系。后續文章“利用與硬件無關的方法簡化嵌入式系統設計：驅動程序實現”進一步詳細解釋了傳感器驅動程序的實現方法。
（來源：ADI公司，作者: Giacomo Paterniani，現場應用工程師）
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