Day72 传感器分类、关键参数、工作原理与Linux驱动开发（GPIO/I²C/Platform/Misc框架）

day72 传感器分类、关键参数、工作原理与Linux驱动开发（GPIO/I²C/Platform/Misc框架）

---

一、传感器分类与关键参数

（一）按通信协议分类

通信协议	对应传感器	功能
GPIO（单总线）	dht11、dht22、ds18b20	dht11/dht22：温湿度检测；ds18b20：温度检测
GPIO	hcsr-04	超声波测距
I²C	LM75、BH1750、MPU6050、MAX30100/30102	LM75：温度；BH1750：光照强度；MPU6050：六轴姿态；MAX30100/30102：心率、血氧
SPI	ADXL345	三轴加速度检测
ADC	MQ系列（MQ-2、MQ-135、MQ-7）	MQ-2：烟雾浓度；MQ-135、MQ-7：气体浓度
UART	GPS传感器、GY-35	GPS：定位（经度、纬度、海拔）；GY-35：红外测距

✅ 面试重点：必须清楚所用传感器的接口类型、通信协议（如I²C地址、SPI模式）、引脚连接方式。

---

（二）核心传感器关键参数表

传感器	功能	连接方式	量程（测量范围）	精度	分辨率	工作电压
dht11	温湿度	GPIO（单总线）	温度：0--50℃；湿度：20--90%RH	温度：±2℃；湿度：±5%RH	1	3.3V--5.5V
dht22	温湿度	GPIO（单总线）	温度：-40--80℃；湿度：0--99.9%RH	温度：±0.5℃；湿度：±2%RH	0.1℃ / 0.1%RH	3.3V--5.5V
ds18b20	温度	GPIO（单总线）	-55--125℃	0--85℃：±0.5℃（典型）；全范围：±2℃	9位：0.5℃；10位：0.25℃；11位：0.125℃；12位：0.0625℃	3V--5V
hcsr-04	超声波测距	GPIO	2cm--450cm	±0.3cm	1	5V
MAX30102	心率、血氧	I²C	心率：30--240 BPM；血氧：70--100%	±2%	-	1.8V--5.5V

⚠️ 选型建议：根据项目场景（如工业设备高温环境）选择合适量程的传感器。

---

二、典型传感器工作原理与时序

（一）dht11温湿度传感器

1. 电路图：VCC接电源，通过4.7K电阻R1连接DATA引脚，GND接地，NC为空脚。
2. 数据格式：共40bit（5字节），顺序为湿度整数+湿度小数+温度整数+温度小数+校验和，高位先行。
3. 工作时序 ：
   • 主机发送起始信号：DHT11引脚默认高电平，主机拉低至少18ms，再拉高20--40μs。
   • 从机回复应答：拉低80μs，再拉高80μs。
   • 传输bit'0'：从机拉低50μs，再拉高26--28μs。
   • 传输bit'1'：从机拉低50μs，再拉高70μs。
   • 结束信号：主机将引脚从低电平拉为高电平。

---

（二）hcsr-04超声波测距传感器

1. 引脚定义：VCC（5V）、GND（地）、Trig（控制端/发射端）、Echo（接收端）。

2. 工作原理/时序 ：

   • Trig引脚默认低电平，拉高 ≥10μs 后拉低 → 传感器内部发送8个40kHz超声波脉冲。

   • Echo引脚默认低电平，检测到高电平时记录开始时间，检测到低电平时记录结束时间。

   • 距离计算公式：

     距离（cm） = (高电平时间 μs × 340 m/s) / (2 × 10000) = 高电平时间（μs） / 58

3. IMX6ULL硬件连接 ：

   • VCC → P4.46（5V）
   • GND → P4.47（地）
   • Trig → SNVS_TAMPER4（P4.1，即GPIO5_IO04）
   • Echo → SNVS_TAMPER5（P4.6，即GPIO5_IO05）

🔧 注意：必须使用5V供电，3.3V可能导致工作异常。

---

（三）MAX30102心率血氧传感器

1. 引脚说明

引脚	功能
VIN	电源输入（1.8V--5.5V）
SCL	I²C时钟线
SDA	I²C数据线
INT	中断引脚
IRD	红外LED_DRIVER
RD	红色LED_DRIVER
GND	地

2. 核心特性：

   • 集成红外LED（940nm）、红光LED（660nm）、光电探测器；
   • 基于PPG（Photoplethysmography，光电容积图）原理；
   • 16位ADC；
   • I²C接口（默认地址0x57）；
   • 可配置LED电流、采样率、FIFO阈值。

3. PPG采集原理：

   • 光线照射人体组织，动脉血随心脏搏动膨胀收缩，导致吸收光强变化；
   • 光电探测器捕捉光强变化并转化为电信号；
   • 红光与红外光配合用于SpO₂计算和心率检测。

4. 信号处理流程：

   • 光发射：控制红/红外LED发射特定波长光；
   • 光信号采集：光电探测器 → AFE放大/滤波 → ADC转换；
   • 数字信号处理：
     • 带通滤波（0.5--5Hz）去噪；
     • AC/DC分量分离；
     • 峰值检测 → 计算心率；
     • AC/DC比值 → 查表得血氧值。

---

三、Linux驱动开发框架

（一）Linux驱动分类

1. 字符型设备驱动：

   • 以1字节为单位读写，无缓存；
   • 适用于鼠标、键盘、传感器等；
   • 需实现 cdev 结构体（设备号、名称）和 file_operations（open/read等）。

2. 块设备驱动：

   • 以固定块（如512B）为单位，带缓存；
   • 适用于硬盘、Flash。

3. 网络设备驱动：

   • 基于TCP/IP协议栈。

---

（二）字符型设备驱动框架

1. 手动创建设备节点：

   mknod /dev/hcsr04 c 250 0  # c=字符设备，250=主设备号，0=次设备号

2. 自动创建设备节点：

   • 使用 class_create() 创建类；
   • 使用 device_create() 创建设备节点。

3. init函数（insmod触发）：

   • 注册字符设备：alloc_chrdev_region()（动态）或 register_chrdev_region()（静态）；
   • 初始化 cdev：cdev_init() + cdev_add()；
   • 自动创建设备节点；
   • 硬件初始化（如 request_irq）。

4. exit函数（rmmod触发）：

   • 注销字符设备：unregister_chrdev_region()；
   • 删除cdev：cdev_del()；
   • 销毁类/设备：class_destroy() + device_destroy()；
   • 释放资源：free_irq()。

---

（三）杂项设备驱动（Misc Device）

1. 特点：

   • 主设备号固定为10；
   • 自动生成 /dev/xxx 节点；
   • 使用 miscdevice 结构体（含次设备号、设备名）和 file_operations。

2. init函数：

   misc_register(&misc_dev);  // 自动创建 /dev/misc_max30102
   request_irq(...);          // 申请中断

3. exit函数：

   misc_deregister(&misc_dev);
   free_irq(...);

---

（四）Platform驱动（设备与驱动分离）

1. 设备树配置（以hcsr-04为例）

(1) 引脚复用配置

pinctrl_hcsr04: hcsr04grp {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_SNVS_TAMPER4__GPIO5_IO04  0x10b0  /* Trigger */
        MX6UL_PAD_SNVS_TAMPER5__GPIO5_IO05  0x10b0  /* Echo */
    >;
};

(2) 设备节点

hcsr04 {
    compatible = "imx6ull,hcsr04";
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_hcsr04>;
    gpios = <&gpio5 4 GPIO_ACTIVE_LOW>,   /* Trigger */
            <&gpio5 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;   /* Echo */
    status = "okay";
};

(3) 编译并更新设备树

make dtbs
cp arch/arm/boot/dts/imx6ull-14x14-evk.dtb /tftpboot/

2. 驱动实现

• init函数 ：platform_driver_register()
• exit函数 ：platform_driver_unregister()
• probe函数 （设备匹配成功后执行）：
  • 解析设备树GPIO：of_get_named_gpio()
  • 申请GPIO：devm_gpio_request_one()
  • 设置方向：gpio_direction_output() / gpio_direction_input()
  • 注册杂项设备：misc_register()

✅ 行业趋势：现代Linux驱动开发普遍采用 Platform + Device Tree 架构。

---

（五）I²C子系统驱动（以MAX30102为例）

1. I²C子系统架构分层

层级	功能
物理硬件层	具体I²C设备（如MAX30102）
适配器层	开发板I²C控制器，厂商实现，提供 i2c_adapter 和 i2c_algorithm
核心层	提供设备/驱动注册、匹配方法，数据传输API（i2c_master_send等）
设备驱动层	手动实现 i2c_driver 和 i2c_client
用户层	调用 open、read 等函数操作设备

2. 驱动实现要点

(1) 使用宏简化注册

module_i2c_driver(max30102_driver);  // 自动调用 i2c_add_driver/i2c_del_driver

(2) i2c_driver结构体

static const struct of_device_id max30102_of_match[] = {
    { .compatible = "imx6ull,max30102" },
    { }
};

static struct i2c_driver max30102_driver = {
    .probe = max30102_probe,
    .remove = max30102_remove,
    .driver = {
        .name = "max30102",
        .of_match_table = max30102_of_match,
    },
};

(3) I²C寄存器读写封装

// 写寄存器：向指定寄存器写入1字节
static int max30102_write_reg(struct i2c_client *client, u8 reg, u8 val) {
    u8 buf[2] = {reg, val};  // buf[0]=寄存器地址, buf[1]=写入值
    struct i2c_msg msg = {
        .addr = client->addr,   // I2C设备地址（0x57）
        .flags = 0,             // 写操作
        .len = 2,               // 发送2字节
        .buf = buf,             // 数据缓冲区
    };
    return i2c_transfer(client->adapter, &msg, 1);  // 返回传输消息数
}
// 理想结果：返回1表示成功传输1条消息
// 功能：通过I²C总线向MAX30102的指定寄存器写入配置值

// 读寄存器：先写地址，再读数据（两段式）
static int max30102_read_reg(struct i2c_client *client, u8 reg, u8 *val) {
    struct i2c_msg msgs[2] = {
        { .addr = client->addr, .flags = 0, .len = 1, .buf = &reg },      // 写地址
        { .addr = client->addr, .flags = I2C_M_RD, .len = 1, .buf = val } // 读数据
    };
    return i2c_transfer(client->adapter, msgs, 2);
}
// 理想结果：返回2表示成功完成两段传输
// 功能：从MAX30102指定寄存器读取1字节数据到val指针

(4) probe函数关键步骤

• 注册杂项设备：misc_register()
• 解析中断：irq_of_parse_and_map()
• 申请中断：request_threaded_irq()（下降沿触发）
• 初始化等待队列（用于阻塞read）
• 配置传感器寄存器（设置工作模式、LED电流、采样率等）

(5) read函数逻辑

• 进程在等待队列中阻塞；
• FIFO满时触发INT中断；
• 中断服务函数唤醒进程；
• 驱动读取FIFO原始数据（红光/红外ADC值）；
• copy_to_user() 返回给应用层。

---

四、应用程序开发

（一）hcsr-04应用程序（main.c）

功能 ：打开 /dev/misc_hcsr04，读取Echo高电平时间，计算并打印距离。

int fd = open("/dev/misc_hcsr04", O_RDWR);        // 打开设备节点
read(fd, &time_us, sizeof(time_us));              // 读取高电平持续时间（微秒）
distence = (340.0 / 10000.0 * time_us) / 2;       // 距离 = (声速 × 时间) / 2
printf("time_us = %d, distence = %.2lf cm\n", time_us, distence); // 打印结果
usleep(250000);                                   // 延时250ms
close(fd);                                        // 关闭设备

理想运行结果 ：
time_us = 580, distence = 10.00 cm
功能说明：应用层通过标准文件操作接口与驱动交互，获取测距原始数据并换算为厘米。

---

（二）MAX30102应用程序（max30102_app.c）

功能 ：打开 /dev/misc_max30102，读取FIFO数据，调用算法计算心率、血氧。

关键步骤：

1. 读取500个样本初始化缓冲区，确定信号范围（max/min）；
2. 调用 maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation() 计算心率和血氧；
3. 循环更新缓冲区（舍去前100组，添加新100组），重新计算并打印。

---

（三）MAX30102算法（max30102_algorithm.c/.h）

核心函数 ：maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation

• 去噪滤波：对IR信号去除DC分量，进行4点移动平均、差分、汉明窗滤波；
• 峰值检测：计算相邻峰值间隔，心率 = 6000 / 平均间隔（单位：BPM）；
• 血氧计算 ：计算红光/红外信号AC/DC比值，通过 uch_spo2_table 查表得SpO₂。

关键数据结构：

• aun_ir_buffer[]：红外光原始数据缓冲区；
• aun_red_buffer[]：红光原始数据缓冲区；
• uch_spo2_table[]：预校准的血氧查找表。

---

五、设备树配置（MAX30102完整示例）

1. 禁用冲突设备（避免GPIO1_IO15被占用）：

&sai2 {
    status = "disabled";  // 禁用SAI2，释放GPIO1_IO15
};

2. 中断引脚配置：

pinctrl_max30102: max30102grp {
    fsl,pins = <
        MX6UL_PAD_GPIO1_IO15__GPIO1_IO15  0x10b0  /* INT引脚 */
    >;
};

3. I²C设备节点：

&i2c1 {
    clock-frequency = <100000>;  // 100kHz
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_i2c1>;
    status = "okay";

    max30102@57 {
        compatible = "imx6ull,max30102";
        reg = <0x57>;  // I²C地址
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&pinctrl_max30102>;
        interrupt-parent = <&gpio1>;
        interrupts = <15 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>;  // GPIO1_IO15，下降沿触发
        status = "okay";
    };
};

硬件连接（i.MX6ULL）：

• VCC → P4.48（3.3V）
• GND → P4.47（地）
• SCL → P4.43（I2C1_SCL）
• SDA → P4.42（I2C1_SDA）
• INT → P4.30（GPIO1_IO15）

---

六、开发环境与编译

交叉编译工具链配置（内核版本：4.1.15）

1. 拷贝工具链：

   cp gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz ~/rabbit/

2. 解压：

   cd ~/rabbit
   tar -xvf gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

3. 配置环境变量（~/.bashrc）：

   export PATH=/home/用户名/rabbit/gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin:$PATH
   source ~/.bashrc

4. 验证：

   arm-linux-gnueabihf-gcc -v  # 应显示 4.9.4

⚠️ 重要：内核与驱动必须使用同一版本编译器，否则 insmod 会报错。

---

应用程序Makefile示例

CC := arm-linux-gnueabihf-gcc 
MODULE_NAME := max30102

all:
	${CC} $(wildcard *.c) -o ${MODULE_NAME}_app -lm  # -lm链接数学库
	cp ${MODULE_NAME}_app ~/nfs

.PHONY: clean
clean:
	rm -f ${MODULE_NAME}_app

distclean:
	rm -f ${MODULE_NAME}_app
	rm -f ~/nfs/${MODULE_NAME}_app

---

七、面试高频问题准备

1. "你用的传感器是什么接口？如何连接？"
2. "该传感器的量程、精度、分辨率是多少？"
3. "请描述其工作时序。"
4. "Linux下如何编写其驱动？用了什么框架？"
5. "设备树中如何描述该设备？"

💡 建议：调试时务必记录参数、时序、代码逻辑，形成个人技术笔记。

---

✅ 总结：本日学习涵盖传感器分类选型、工作原理、Linux驱动四大框架（字符设备/Misc/Platform/I²C子系统）、设备树配置、应用层交互及交叉编译环境搭建，为嵌入式传感器项目开发奠定完整基础。