嵌入式Linux系统构建：为STM32MP157移植Buildroot并开发温湿度采集驱动

文章目录

• • 摘要
  • [1. 环境准备与工具安装](#1. 环境准备与工具安装)
  • • [1.1 硬件准备](#1.1 硬件准备)
    • [1.2 软件环境搭建](#1.2 软件环境搭建)
    • [1.3 工具链配置](#1.3 工具链配置)
  • [2. Buildroot系统构建](#2. Buildroot系统构建)
  • • [2.1 获取Buildroot源码](#2.1 获取Buildroot源码)
    • [2.2 配置Buildroot](#2.2 配置Buildroot)
    • [2.3 构建根文件系统](#2.3 构建根文件系统)
  • [3. Linux内核配置与编译](#3. Linux内核配置与编译)
  • • [3.1 获取内核源码](#3.1 获取内核源码)
    • [3.2 内核配置选项](#3.2 内核配置选项)
    • [3.3 编译内核](#3.3 编译内核)
  • [4. DHT11温湿度传感器驱动开发](#4. DHT11温湿度传感器驱动开发)
  • • [4.1 创建驱动文件](#4.1 创建驱动文件)
    • [4.2 创建Makefile](#4.2 创建Makefile)
    • [4.3 编译驱动](#4.3 编译驱动)
  • [5. 设备树配置](#5. 设备树配置)
  • • [5.1 创建设备树 overlay](#5.1 创建设备树 overlay)
    • [5.2 编译设备树 overlay](#5.2 编译设备树 overlay)
  • [6. 系统集成与部署](#6. 系统集成与部署)
  • • [6.1 创建启动脚本](#6.1 创建启动脚本)
    • [6.2 配置Buildroot overlay](#6.2 配置Buildroot overlay)
    • [6.3 创建测试应用程序](#6.3 创建测试应用程序)
    • [6.4 编译测试程序](#6.4 编译测试程序)
  • [7. 系统烧录与测试](#7. 系统烧录与测试)
  • • [7.1 制作SD卡镜像](#7.1 制作SD卡镜像)
    • [7.2 启动系统并测试](#7.2 启动系统并测试)
    • [7.3 常见问题处理](#7.3 常见问题处理)
  • [8. 成果展示与验证](#8. 成果展示与验证)
  • • [8.1 系统功能验证](#8.1 系统功能验证)
    • [8.2 性能测试结果](#8.2 性能测试结果)
  • 技术图谱
  • 总结

摘要

本教程详细介绍了如何为STM32MP157开发板构建嵌入式Linux系统，使用Buildroot制作根文件系统，并开发DHT11温湿度传感器驱动，最终实现数据采集与显示。

1. 环境准备与工具安装

1.1 硬件准备

• STM32MP157开发板（推荐正点原子或野火系列）
• DHT11温湿度传感器模块
• 杜邦线若干
• MicroSD卡（16GB以上）
• USB转串口调试工具

1.2 软件环境搭建

# 更新系统
sudo apt update
sudo apt upgrade -y

# 安装必要工具
sudo apt install -y build-essential git libncurses5-dev libssl-dev \
    bison flex libelf-dev u-boot-tools device-tree-compiler \
    python3 python3-pip python3-venv gcc-arm-linux-gnueabihf

# 创建工作目录
mkdir -p ~/stm32mp157-project/{buildroot,linux,kernel,drivers}
cd ~/stm32mp157-project

1.3 工具链配置

# 下载ARM工具链
wget https://developer.arm.com/-/media/Files/downloads/gnu-a/10.3-2021.07/binrel/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf.tar.xz

# 解压并设置环境变量
tar xf gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf.tar.xz
echo 'export PATH=$PATH:~/stm32mp157-project/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf/bin' >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

2. Buildroot系统构建

2.1 获取Buildroot源码

cd ~/stm32mp157-project/buildroot

# 克隆Buildroot仓库
git clone https://git.buildroot.net/buildroot
cd buildroot
git checkout 2022.02.1  # 使用稳定版本

2.2 配置Buildroot

# 创建配置文件
make stm32mp157_defconfig
make menuconfig

配置选项说明：

• Target options → ARM (little endian)
• Toolchain → Custom toolchain
• System configuration → Root filesystem overlay
• Kernel → Linux kernel (使用外部自定义内核)

Buildroot配置
Target Options
Toolchain
System Configuration
Kernel
ARM little endian
STM32MP157
Custom toolchain
Kernel Headers 5.10
Root filesystem overlay
Dev management: Dynamic
Use external Linux
Custom kernel config

2.3 构建根文件系统

# 开始构建
make -j$(nproc)

# 构建完成后输出路径
echo "输出目录: $(pwd)/output/images/"

3. Linux内核配置与编译

3.1 获取内核源码

cd ~/stm32mp157-project/linux

# 获取ST官方内核
git clone https://github.com/STMicroelectronics/linux.git
cd linux
git checkout v5.10-stm32mp

# 配置内核
make ARCH=arm stm32mp157_defconfig
make ARCH=arm menuconfig

3.2 内核配置选项

确保以下选项启用：

Device Drivers →
  → Hardware Monitoring support
  → DHT11 humidity/temperature sensor
  → Industrial I/O support →
      → Humidity sensors
      → Temperature sensors

File systems →
  → DOS/FAT/NT Filesystems →
      → VFAT (Windows-95) fs support
  → Pseudo filesystems →
      → /proc file system support

3.3 编译内核

# 编译内核和模块
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- -j$(nproc)

# 编译设备树
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- dtbs

# 安装模块到临时目录
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf- \
    INSTALL_MOD_PATH=../output modules_install

4. DHT11温湿度传感器驱动开发

4.1 创建驱动文件

创建文件：~/stm32mp157-project/drivers/dht11.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/hwmon.h>
#include <linux/hwmon-sysfs.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>

#define DRIVER_NAME "dht11"
#define DHT11_DATA_BITS 40

struct dht11_data {
    struct device *dev;
    struct gpio_desc *gpio;
    int temperature;
    int humidity;
    struct timer_list timer;
    struct completion completion;
    int data[DHT11_DATA_BITS];
    int edge_counter;
};

static irqreturn_t dht11_irq_handler(int irq, void *dev_id)
{
    struct dht11_data *data = dev_id;
    static ktime_t last_time;
    ktime_t current_time = ktime_get();
    s64 delta;

    if (data->edge_counter < 2) {
        /* 忽略前两个边沿（启动信号） */
        data->edge_counter++;
        last_time = current_time;
        return IRQ_HANDLED;
    }

    delta = ktime_us_delta(current_time, last_time);
    last_time = current_time;

    if (data->edge_counter - 2 < DHT11_DATA_BITS) {
        int bit_index = data->edge_counter - 2;
        /* 超过40μs为1，否则为0 */
        data->data[bit_index] = delta > 40 ? 1 : 0;
    }

    data->edge_counter++;

    if (data->edge_counter >= DHT11_DATA_BITS + 2) {
        complete(&data->completion);
    }

    return IRQ_HANDLED;
}

static void dht11_timer_callback(struct timer_list *t)
{
    struct dht11_data *data = from_timer(data, t, timer);
    complete(&data->completion);
}

static int dht11_read_data(struct dht11_data *data)
{
    int i, humidity = 0, temperature = 0;
    unsigned long timeout;

    /* 发送开始信号 */
    gpiod_direction_output(data->gpio, 0);
    mdelay(18);
    gpiod_direction_input(data->gpio);

    /* 准备读取数据 */
    data->edge_counter = 0;
    reinit_completion(&data->completion);
    mod_timer(&data->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10));

    timeout = wait_for_completion_timeout(&data->completion,
                     msecs_to_jiffies(10));
    del_timer(&data->timer);

    if (!timeout) {
        dev_err(data->dev, "DHT11读取超时\n");
        return -ETIMEDOUT;
    }

    /* 解析数据 */
    for (i = 0; i < 16; i++) {
        humidity = (humidity << 1) | data->data[i];
    }
    for (i = 16; i < 32; i++) {
        temperature = (temperature << 1) | data->data[i];
    }

    /* 校验和验证 */
    if (((humidity + temperature) & 0xFF) != data->data[32]) {
        dev_err(data->dev, "DHT11校验和错误\n");
        return -EIO;
    }

    data->humidity = humidity;
    data->temperature = temperature;

    dev_info(data->dev, "温度: %d°C, 湿度: %d%%\n",
         temperature, humidity);

    return 0;
}

static ssize_t temperature_show(struct device *dev,
                struct device_attribute *attr, char *buf)
{
    struct dht11_data *data = dev_get_drvdata(dev);
    int ret = dht11_read_data(data);
    if (ret)
        return ret;
    return sprintf(buf, "%d\n", data->temperature);
}

static ssize_t humidity_show(struct device *dev,
               struct device_attribute *attr, char *buf)
{
    struct dht11_data *data = dev_get_drvdata(dev);
    int ret = dht11_read_data(data);
    if (ret)
        return ret;
    return sprintf(buf, "%d\n", data->humidity);
}

static SENSOR_DEVICE_ATTR_RO(temp1_input, temperature, 0);
static SENSOR_DEVICE_ATTR_RO(humidity1_input, humidity, 0);

static struct attribute *dht11_attrs[] = {
    &sensor_dev_attr_temp1_input.dev_attr.attr,
    &sensor_dev_attr_humidity1_input.dev_attr.attr,
    NULL
};

ATTRIBUTE_GROUPS(dht11);

static int dht11_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct device *dev = &pdev->dev;
    struct dht11_data *data;
    int irq, ret;

    data = devm_kzalloc(dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL);
    if (!data)
        return -ENOMEM;

    data->dev = dev;
    platform_set_drvdata(pdev, data);

    /* 获取GPIO */
    data->gpio = devm_gpiod_get(dev, NULL, GPIOD_IN);
    if (IS_ERR(data->gpio)) {
        dev_err(dev, "无法获取GPIO\n");
        return PTR_ERR(data->gpio);
    }

    /* 获取中断 */
    irq = gpiod_to_irq(data->gpio);
    if (irq < 0) {
        dev_err(dev, "无法获取IRQ\n");
        return irq;
    }

    /* 初始化完成量和定时器 */
    init_completion(&data->completion);
    timer_setup(&data->timer, dht11_timer_callback, 0);

    /* 注册中断处理程序 */
    ret = devm_request_irq(dev, irq, dht11_irq_handler,
                   IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING,
                   DRIVER_NAME, data);
    if (ret) {
        dev_err(dev, "无法请求IRQ\n");
        return ret;
    }

    dev_info(dev, "DHT11驱动加载成功\n");
    return 0;
}

static int dht11_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct dht11_data *data = platform_get_drvdata(pdev);
    del_timer(&data->timer);
    return 0;
}

static const struct of_device_id dht11_of_match[] = {
    { .compatible = "dht11", },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, dht11_of_match);

static struct platform_driver dht11_driver = {
    .driver = {
        .name = DRIVER_NAME,
        .of_match_table = dht11_of_match,
        .dev_groups = dht11_groups,
    },
    .probe = dht11_probe,
    .remove = dht11_remove,
};

module_platform_driver(dht11_driver);

MODULE_AUTHOR("Embedded Linux Developer");
MODULE_DESCRIPTION("DHT11 Temperature and Humidity Sensor Driver");
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_VERSION("1.0");

4.2 创建Makefile

创建文件：~/stm32mp157-project/drivers/Makefile

obj-m += dht11.o

KDIR ?= ../linux

all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-none-linux-gnueabihf-

clean:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

4.3 编译驱动

cd ~/stm32mp157-project/drivers
make

DHT11驱动工作流程
初始化
数据读取
数据处理
GPIO配置
中断注册
定时器初始化
发送开始信号
等待响应
边沿检测
超时处理
数据解析
校验和验证
单位转换
sysfs接口

5. 设备树配置

5.1 创建设备树 overlay

创建文件：~/stm32mp157-project/dts/dht11-overlay.dts

/dts-v1/;
/plugin/;

/ {
    compatible = "st,stm32mp157";

    fragment@0 {
        target = <&pinctrl>;
        __overlay__ {
            dht11_pins: dht11-pins {
                pins = "PA6";  /* 使用PA6引脚 */
                bias-pull-up;
            };
        };
    };

    fragment@1 {
        target-path = "/";
        __overlay__ {
            dht11: dht11@0 {
                compatible = "dht11";
                pinctrl-names = "default";
                pinctrl-0 = <&dht11_pins>;
                gpios = <&gpioa 6 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
                status = "okay";
            };
        };
    };
};

5.2 编译设备树 overlay

# 编译设备树 overlay
dtc -@ -I dts -O dtb -o dht11-overlay.dtbo dht11-overlay.dts

# 将 overlay 复制到 Buildroot 的 overlay 目录
cp dht11-overlay.dtbo ~/stm32mp157-project/buildroot/output/overlay/

6. 系统集成与部署

6.1 创建启动脚本

创建文件：~/stm32mp157-project/scripts/init-dht11.sh

#!/bin/bash

# 加载DHT11驱动
modprobe industrialio
insmod /lib/modules/$(uname -r)/extra/dht11.ko

# 创建设备节点
mknod /dev/dht11 c 240 0

# 设置权限
chmod 666 /dev/dht11

echo "DHT11驱动初始化完成"

6.2 配置Buildroot overlay

cd ~/stm32mp157-project/buildroot/output/target

# 创建必要的目录
mkdir -p etc/init.d lib/modules/$(uname -r)/extra

# 复制驱动模块
cp ~/stm32mp157-project/drivers/dht11.ko lib/modules/$(uname -r)/extra/

# 复制启动脚本
cp ~/stm32mp157-project/scripts/init-dht11.sh etc/init.d/S90dht11
chmod +x etc/init.d/S90dht11

# 更新模块依赖
depmod -b . -a $(uname -r)

6.3 创建测试应用程序

创建文件：~/stm32mp157-project/apps/dht11-test.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>

#define DEVICE_PATH "/sys/bus/platform/devices/dht11@0/"

int read_sysfs_value(const char *path) {
    int value;
    FILE *file = fopen(path, "r");
    if (file == NULL) {
        perror("无法打开文件");
        return -1;
    }
    if (fscanf(file, "%d", &value) != 1) {
        fclose(file);
        return -1;
    }
    fclose(file);
    return value;
}

int main() {
    int temperature, humidity;
    
    printf("DHT11温湿度传感器测试程序\n");
    
    while (1) {
        temperature = read_sysfs_value(DEVICE_PATH "temp1_input");
        humidity = read_sysfs_value(DEVICE_PATH "humidity1_input");
        
        if (temperature >= 0 && humidity >= 0) {
            printf("温度: %.1f°C, 湿度: %.1f%%\n", 
                   temperature / 10.0, humidity / 10.0);
        } else {
            printf("读取数据失败\n");
        }
        
        sleep(2);
    }
    
    return 0;
}

6.4 编译测试程序

arm-none-linux-gnueabihf-gcc -o dht11-test dht11-test.c -static
cp dht11-test ~/stm32mp157-project/buildroot/output/target/usr/bin/

7. 系统烧录与测试

7.1 制作SD卡镜像

cd ~/stm32mp157-project/buildroot/output/images/

# 使用dd命令烧录镜像
sudo dd if=sd-card.img of=/dev/sdX bs=4M status=progress
sync

7.2 启动系统并测试

# 通过串口连接开发板
minicom -D /dev/ttyUSB0 -b 115200

# 系统启动后，测试驱动
dmesg | grep dht11  # 查看驱动加载信息

# 运行测试程序
dht11-test

7.3 常见问题处理

问题1：驱动加载失败

解决方法：检查GPIO配置和设备树设置

问题2：数据读取不稳定

解决方法：增加去抖动处理，调整时序参数

问题3：权限问题

解决方法：确保/dev节点权限正确

8. 成果展示与验证

8.1 系统功能验证

# 验证驱动加载
lsmod | grep dht11

# 验证sysfs接口
ls /sys/bus/platform/devices/dht11@0/

# 实时数据读取
cat /sys/bus/platform/devices/dht11@0/temp1_input
cat /sys/bus/platform/devices/dht11@0/humidity1_input

8.2 性能测试结果

温度测量范围：0-50°C ±2°C
湿度测量范围：20-90%RH ±5%
响应时间：<2秒
采样间隔：≥2秒

技术图谱

STM32MP157 Buildroot系统
硬件层
系统层
应用层
STM32MP157芯片
DHT11传感器
GPIO接口
Linux 5.10内核
Buildroot根文件系统
设备树配置
驱动框架
温湿度采集驱动
sysfs接口
用户空间程序
数据展示

总结

本教程详细介绍了从零开始为STM32MP157构建嵌入式Linux系统的完整流程，包括：

1. 环境搭建：交叉编译工具链和开发环境配置
2. 系统构建：使用Buildroot制作定制根文件系统
3. 内核移植：Linux内核配置、编译和设备树定制
4. 驱动开发：DHT11温湿度传感器驱动完整实现
5. 系统集成：驱动部署和应用程序开发
6. 测试验证：系统功能验证和性能测试

通过本教程，读者可以掌握嵌入式Linux系统开发的完整技能栈，并能够将这些技术应用到其他嵌入式项目中。整个系统具有稳定性高、资源占用少、易于定制等优点，非常适合工业控制和物联网应用场景。