【智能家居项目】裸机版本——设备子系统(LED && Display && 风扇)

🐱作者:一只大喵咪1201

🐱专栏:《智能家居项目》

🔥格言:你只管努力,剩下的交给时间!

输入子系统中目前仅实现了按键输入,剩下的网络输入和标准输入在以后会逐步实现,今天先来实现设备子系统,包含LED设备(GPIO控制),风扇设备,OLED设备。

目录

🍛设计思路

不同内核下是访问设备的方式是不同的:

  • 裸机里怎么访问设备?

对于ST芯片可以使用HAL库访问设备,对于一些国产芯片可以使用厂家自己封装的库,甚至自己编写代码直接访问寄存器来访问设备。

  • FreeRTOS怎么访问设备?

FreeRTOS中并没有驱动程序框架,它访问设备时方法和裸机一样。

  • RT-Thread怎么访问设备?

RT-Thread可以使用两种方法访问设备:

  1. 像裸机一样访问
  2. 使用RT-Thread的驱动程序框架

如上图便是RT-Thread驱动程序框架的示意图,所谓驱动框架就是事先定义好的接口函数,无论是访问设备还是添加新设备,直接调用这些接口函数即可。

所以我们要做的就是实现这些接口函数好让应用层去直接调用,这样做的好处是,无论硬件怎么修改,驱动程序的接口并不会改变,上层的应用程序也就不需要改变。

如上图所示是RT-Thread驱动框架下"I/O设备管理"的接口,应用程序通过标准的接口来访问设备:

  • rt_device_find:查找设备
  • rt_device_open:打开设备
  • rt_device_read:从设备中读取数据
  • rt_device_write:向设备中写数据
  • Linux下怎么访问设备?

Linux系统中,和驱动程序严格分离开,应用程序无法直接读写寄存器,应用程序必须通过驱动程序访问设备,应用程序使用的接口只有open/read/write/ioctl等。

如上图所示,APP就是应用程序,在Linux下一切皆文件,所以设备在Linux内核中都被抽象成了一个文件,所以应用层必须通过系统调用接口通过文件系统来访问设备。


再来看我们要实现的设备子系统,目前暂时将其分为两层,虚线之上写出统一的应程序接口,虚线之下根据不同的系统,调用不同的函数,这样一来就统一了设备的访问方式。

对于开发应用程序的人,他不关心LED使用哪个GPIO引脚,GPIO是输出高还是低来控制LED,open的是什么设备、read/write的又是什么设备,也不用去看原理图,芯片手册,以及研究HAL库,RT-Thread,或者Linux的驱动函数怎么调用。

甚至不用理解我们抽象出来的设备结构体,只需要关心结构体中的InitContral两个函数指针怎么使用即可,其他的一概不用关心,所以非常有必要提供更高层的API接口。

以LCD的使用为例,可以分为三层:

如上图,其中设备驱动层中的驱动程序负责提供像素操作的功能,但是显示什么字符、显示多大、在哪显示,不用关心。

文字/图像显示层中包含库函数/函数功能,提供显示字符、显示图片功能的接口,但是显示什么字符、显示多大、在哪显示,不用关心。

应用程序则通过库函数来显示字符以及图片,并且决定显示什么字符,显示在哪里,显示多大等问题,但是并不用关心驱动程序。

  • 驱动只提供功能,不提供策略,应用程序只提供策略,不提供功能的实现。
  • 不同的层要各司其职不要越界,实现不同专业知识的隔离。

在实现设备子系统的时候,使用面向对象的思想,对于每一种设备,抽象出一个结构体,结构体里有设备相关的函数指针,不同设备,不强求统一,不强求用一个结构体类型来支持所有设备。

编写函数时要注意:

  • 头文件:这些函数是面向应用程序开发者,假设他们对硬件一无所知。
  • C文件:函数内部,再根据不同系统、不同芯片,调用其他函数。

🍛LED设备

如上图所示,我们把LED设备分为4层,接下来就是一层一层来实现。

🍚设备层

LED设备的功能:

  • LED的开和关
  • 设置LED的颜色
  • 设置LED的亮度

虽然本喵使用的LED灯并不支持设置颜色和直接设置亮度,但是有一些高级的LED灯是支持的,这里我们为了以后更好的维护和扩展,所以在抽象LED设备结构体的时候都考虑上:

如上图所示,抽象出来的LEDDevice结构体就是用来描述LED设备的,包含LED编号,初始化和控制方法,以及设置颜色和亮度的方法,还需要在LED的设备层提供一个获取LED设备的方法。

如上图所示,因为LED设备只有三个,所以通过一个全局的LEDDevice数组来管理LED设备,对每一个LED设备进行了初始化,实现了LED设备的初始化函数以及控制函数,为了达到分层的目的,在函数内部调用内核抽象层的初始化和控制函数。

至于设置颜色和亮度的函数并没有实现,因为本喵使用的LED灯并不支持这两种功能,还实现了一个获取LED设备的函数,在上层使用访问LED设备的时候,必须先调用该函数获取LED设备。

🍚内核抽象层

如上图,无论是访问LED设备还是控制LED设备,甚至初始化LED设备,在内核抽象都有不同的方式,这里定义一个配置文件,用来控制是使用哪种方式:

如上图所示,用到哪种内核就定义相应的标识符常量。

如上图所示头文件,提供了内核抽象层对LED设备初始化和控制的函数声明。

如上图所示内核抽象层源文件,提供了LED设备初始化和控制函数的实现,通过宏开关来控制调用对应内核下的LED初始化和控制函数。

其中对于RT-ThreadLinux下的LED设备初始化和控制函数本喵在这里并不会实现,这里仅仅是为了给大家演示本喵的代码架构写的。

  • 对于裸机和FreeRTOS,LED设备的初始化和控制函数都是一样的。

🍚芯片抽象层

如上图,在真正访问芯片的时候,不同类型的芯片支持不同的库,同样可以通过宏开关来控制使用哪种库来访问芯片:

cpp 复制代码
#define CONFIG_SUPPORT_HAL 		0x10
//#define CONFIG_SUPPORT_OTHER 	0x20

将这部分代码加入到config.h中去。

如上图头文件代码,提供了芯片抽象层LED设备初始化和控制的函数声明。

如上图源文件代码,提供了芯片抽象层LED设备初始化和控制函数的实现,对于HAL库,调用对应的HAL库对应的初始化和控制函数,对应其他库则调用其他方式。

🍚硬件操作

本喵使用的是ST的芯片,所以使用HAL库来操作硬件:

如上图所示头文件,提供了LED设备的GPIO信息以及初始化和控制的函数声明。

如上图所示源文件,提供了初始化和控制函数的实现,在控制函数中,switch通过LEDDevice结构体中的LED编号操作具体的LED设备。

🍚单元测试

LED设备从设备层到操作硬件共五层已经实现了,下面就进行单元测试,看是否符合预期:

如上图所示LED设备的测试函数,其中LED点亮和熄灭中间的延时,为了应用层和HAL库的解耦,本喵只是通过循环进行了一个大概的循环,有兴趣的小伙伴可以按照五层的框架,在最底层调用HAL_Delay()自己实现一下。

如上图,白蓝绿三个灯在不停闪烁。

🍛显示设备

为了让这里的代码更加容易维护和扩展,适用于多种类型的显示设备,本喵通过LCD显示的原理来抽象出一个具有普适性的显示设备结构体,虽然本喵最终用的是OLED屏幕,但是仍然可以用这个结构。

LCD显示原理:

什么是LCD?就是多行多列的像素点:

  • 对于黑白屏幕(单色屏幕),这些像素点只有2个状态:点亮、熄灭。
  • 对于彩色屏幕,这些像素点有颜色:可以用RGB三原色来表示。

怎么控制LCD上每个像素的状态?

  • 通过显存,就是一块内存,也被称为FrameBuffer
  • 每个像素在显存上都有对应的数据,会在屏幕上对应位置显示。
  • 对于黑白屏(单色屏),每个像素点在显存里有对应的1位数据,只有两种状态,表示点亮和熄灭。
  • 对于彩色屏,每个像素点在显存里有几个字节(可能是1字节、2字节、4字节),可以表示多种颜色。
  • BPP:Bits Per Pixel,用来表示每个像素点有多少位数据。

LCD可能自带显存,也可能不带有显存(要使用LCD的话,就需要在系统内存中分配显存),有三种类型的LCD。

  1. LCD含有显存, CPU通过I2C协议访问显示

如上图,很多I支持I2C、SPI接口的屏幕,本身是含有显存的,要在LCD上显示文字、图片,就需要网显存里写入数据,程序通过I2C接口写显存,LCD控制器就会让LCD屏幕显示相应内容。

  1. LCD没有显存, LCD控制器从内存得到数据

如上图,很多TFT LCD本身是没有显存的,那么数据保存在系统内存里分配一块空间,这块RAM中的内存就可以看作是显存。设置好LCD控制器后,它就会自动从这个显存取出数据、发送给LCD,我们只需要写数据到RAM中的显存即可。

  1. LCD含有显存, CPU可以直接访问

如上图,有些LCD含有显存,并且CPU可以直接访问显存,不需要I2C灯协议,就像访问一般内存一样直接访问显存,我们只需要写数据到显存即。


对于软件来说,这3种LCD都有显存,第1种无法直接写显存;第2、3种可以直接写显存,能否让第1种LCD,能否也直接写显存?可以:

  • 在系统内存RAM中分配另一个显存FrameBuffer
  • 应用程序直接写这个显存。
  • 设备层等下层再通过I2C将RAM显存中的数据发送到LCD自带的显存中。

如上图,同样按照五层来实现程序。

🍚管理及设备层

在设备层要抽象出一个显示设备的结构体,根据前面的分析以及LED设备的经验,该结构体包含:

  • 初始化函数,用来初始化显示设备。
  • 在RAM中都有显存,通过显存的起始地址,显示设备的分辨率,以及bpp来描述显存。
  • 对于第一种LCD,还需要一个Flush函数,把RAM显存中的数据刷到LCD显存中去。

如上图头文件中代码,抽象出了显示设备的结构体,用这个结构体可以描述多种类型的显示设备,包括LCD和OLED,这些显示设备可以用链表管理起来。

  • void* FBBase:显示设备的显存。

如上图所示源文件,创建了一个静态的全局显示设备链表,用这个链表来管理所有显示设备,提供了向链表中注册新设备的函数,以及从链表中获取设备的函数。

  • 由于pDisplayDevice链表头指针被static修饰了,就只能在当前源文件访问和操作这个链表。
  • 使用__修饰的函数表明该函数会在其他位置被调用,而且要实现的功能相同。

此时设备层的宏观描述已经有了,接下来就是创建具体的显示设备了,这里创建的是OLED屏。

如上图所示,创建一个全局的DisplayDevice变量用来实例化OLED设备,根据OLED的特性填充该结构体变量,其中RAM中的显存就是一个全局的数组,用static修饰的初始化和刷新显存的函数初始化结构体中的方法。

对于点亮(X , Y)处像素的函数本喵单独讲解一下:

如上图所示坐标系便是显存抽象出来的坐标,其中左上角的坐标原点就是RAM显存数组的首地址,本喵使用的OLED是128*64的,所以可以分为8页,128列。

现在要点亮坐标(x, y)处的像素点,所以要计算出该像素点位于RAM显存中的哪个位置,然后在程序中向该位置写入数据即可。

共有64行像素点,每8行分为一页,所以(x, y)所在页为page = y / 8,由于RAM中的显存是一个数组,它并不存在页的概念,所以可以计算出(x,y)对应那个字节在数组中的下标是page*128 + x,地址就是FrameBuffer + page * 128 + x由于一个字节有8个bit,而每一个像素点用一个bit,所以(x, y)所用那个bit在该字节中是第y % 8个bit。

如上图代码所示,在将(x, y)坐标所对应的显存位置计算出来后,根据dwColor颜色值来决定是点亮该像素点函数熄灭,或者是用哪种颜色点亮。

  • OLED不支持显示不同颜色,所以dwColor的值不为0则表示点亮,为0则表示熄灭。

如上图所示代码便是OLED设备剩下的代码,在添加OLED显示设备的时候用到了static修饰的g_DisplayDevice全局变量,该变量同样只能在该源文件内使用。

AddDisplayDeviceOLED函数中调用的DisplayDeviceRegister注册函数是属于display_device.h文件中的,所以需要包含该头文件。

display_device中需要有添加显示设备的函数AddDisplayDevices,在该函数中势必会调用oled_device.h中的AddDisplayDeviceOLED函数,所以要包含该头文件。

  • 此时就产生了互相包含的场景,display_device中包含oled_device.holed_device中包含display_device.h

为了避免互相包含,再创建一个dispaly_system.c文件来管理这两个导致互相包含的函数。

如上图所示,在这里实现AddDisplayDevices更加合适,而获取设备的方法也是放在这里更合适。


如上图所示便是这些文件中的内容概述和调用关系,这些所有内容构成了整个设备层。

🍚内核抽象层

内核抽象层需要实现的只有显示设备的初始化已经将数据刷新到OLED自带的显存中的Flush函数。

如上图代码,同样为了方便或者和维护,对于不同的内核,调用不同的方式,本喵使用的是裸机,所以需要调用芯片抽象层对应的函数。

🍚芯片抽象层及硬件操作

芯片抽象层同样是分为支持HAL库和支持其他库,只是需要实现初始化函数和CAL_OLEDDeviceFlush函数即可。

如上图所示,对于HAL库,在初始化的时候直接初始化I2C协议用到的引脚,以及调用OLED屏幕的初始化函数,这里部分内容本喵在I2C通信协议 | OLED屏一文中有详细讲解,这里本喵就直接使用了。

CAL_OLEDDeviceFlush函数中,对于HAL库,调用OLED_Copy拷贝函数将数据从RAM显存中搬运到OLED自带的显存中,该拷贝函数本喵没有实现过,这里实现一下:

如上图,将RAM显存中的数据分八次写入OLED自带的显存中,每次写入一个page的数据,也就是128字节。

🍚单元测试

显示设备的五层实现以后,同样需要进单元测试:

如上图所示,在测试显示设备的时候,先添加所有显示设备(本喵这里只有一个OLED显示设备),然后从设备管理列表中获取名为OLED的设备,如果不存在则打印错误信息。

获取成功后,先调用显示设备的初始化函数进行初始化,然后清屏,就是将RAM中的显存全部清0,再调用显示设备中的SetPixel设置像素函数在OLED屏幕上画一个十字。

如上图所示,在OLED屏幕上显示了一个十字。

🍛风扇设备

如上图所示,在本喵的开发板上有一个电机模块,上面有一个风扇,可以控制它顺时针转,逆时针转,停止。

如上图所示是电机接口模块示意图,风扇的控制非常简单,只需要改变PC6PE6也就是INBINA口的电平状态就可以,真值表如下:

风扇状态 INA INB
顺时针旋转 0 1
逆时针旋转 1 0
停止 0 0
停止 1 1

其中0表示该接口输入低电平,1表示该接口输出高电平。风扇设备分为四层,本喵就不详细讲解了,直接上代码。

🍚设备层

如上图所示头文件代码,定义了描述风扇设备的结构体,包含风扇的速度属性,初始化函数,设置速度的函数,当前速度属性是多余的,本喵这里并不会控制速度,包括设置速度函数也只是控制风扇的启停和正反转。

如果使用PWM波来控制电风扇就可以控制其速度,所以为了以后方便扩展维护,本喵就保留了速度这个属性。

如上图所示是源文件,创建了一个全局的风扇设备变量来实例化,并进行了初始化,还提供了获取风扇设备的函数,不再多说。

🍚内核抽象层

如上图所示,对于不同的内核调用相应层的函数即可,不再讲解。

🍚芯片抽象层

如上图代码,在初始化函数中,对于HAL库,由于在使用CubeMX创建工程的已经配置好了引脚,所以这里不用再调用HAL库的初始化函数了,直接返回0即可,表示初始化成功,对于设置速度的函数则需要调用HAL库中的设置速度函数。

🍚硬件操作

如上图代码所示,根据iSpeed的不同情况,对照风扇的真值表设置INAINB引脚的电平状态即可。

🍚单元测试

如上图所示测试代码,让风扇顺时针转2秒,停止2秒,逆时针转2秒,停止2秒,如此循环。

为了实现应用层的独立,延时函数使用的是KAL_Delay,其最在芯片抽象层仍然是封装的HAL_Delay

如上图代码所示,实现了延时函数,头文件自己加就行,本喵不在讲解。

如上图所示是风扇转起来的状态,符合我们的要求。

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