Linux驱动开发基础(sr04超声波模块)

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1. SR04 超声波简介

2. 硬件设计

3. 软件设计

4. 示例代码

4.1 驱动代码

4.1.1 轮询模式

4.1.2 中断模式

4.3 应用程序

4.4 Makefile

4.5 实验效果

1. SR04 超声波简介

超声波测距模块是利用超声波来测距。模块先发送超声波，然后接收反射回来的超声波，由反射经历的时间和声音的传播速度340m/s，计算得出距离。

SR04 是一款常见的超声波传感器，模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回，用户只需提供一个触发信号，随后检测回响信号的时间长短即可。

SR04 采用5V电压，静态电流小于2mA，感应角度最大约15度，探测距离约2cm-450cm。

2. 硬件设计

SR04 模块上面有四个引脚，分别为：VCC、Trig、Echo、GND。

* Trig是脉冲触发引脚，即控制该脚让SR04模块开始发送超声波。

* Echo是回响接收引脚，即SR04模块一旦接收到超声波的返回信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测距离成正比。

3. 软件设计

时序图如下：

① 触发：向Trig（脉冲触发引脚）发出一个大约10us的高电平。

② 发出超声波，接收反射信号：模块就自动发出8个40Khz的超声波，超声波遇到障碍物后反射回来，模块收到返回来的超声波。

③ 回响：模块接收到反射回来的超声波后，Echo引脚输出一个与检测距离成比例的高电平。

4. 示例代码

4.1 驱动代码

4.1.1 轮询模式

#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/workqueue.h>
#include <asm/current.h>
#include <linux/delay.h>
static int major;
static struct class* sr04_class;
static struct gpio_desc *sr04_trig;
static struct gpio_desc *sr04_echo;

static ssize_t sr04_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int us = 0;
	int err;
	unsigned long flags;
	int timeout_us = 1000000; // 超时时间

	local_irq_save(flags);

	/* 发送10us高电平    , 测量距离 2cm-450cm */
	gpiod_set_value(sr04_trig,1);
	udelay(15);
	gpiod_set_value(sr04_trig,0);

	//使用udelay来延时判断引脚电平 等待高电平
	while(!gpiod_get_value(sr04_echo) && timeout_us)
	{
		udelay(1); 
		timeout_us--;
	}
	if (!timeout_us)
	{
		local_irq_restore(flags); // 恢复中断
		return -EAGAIN;
	}
	
	timeout_us = 1000000;
	while (gpiod_get_value(sr04_echo) && timeout_us)
	{ 
		udelay(1); 
		us++; // 累加时间
		timeout_us--;
	}  

	if (!timeout_us)
	{
		local_irq_restore(flags); // 恢复中断
		return -EAGAIN;
	}
		
	local_irq_restore(flags); // 恢复中断
	err = copy_to_user(buf, &us, 4);
	if(err < 0)
	{
		printk("%s %s line %d",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
		return err;
	}
	return 4;
}

static unsigned int sr04_poll (struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
{

	return 0;
}

static struct file_operations sr04_ops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.read = sr04_read,
	.poll = sr04_poll,
};


static int sr04_probe(struct platform_device *pdev)
{
    // 获取硬件资源
	sr04_trig = gpiod_get(&pdev->dev,"trig",GPIOD_OUT_LOW);
	sr04_echo = gpiod_get(&pdev->dev,"echo",GPIOD_IN);


	device_create(sr04_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "sr04");
	return 0;
}
static int sr04_remove(struct platform_device *pdev)
{
	device_destroy(sr04_class, MKDEV(major, 0));
	gpiod_put(sr04_trig);
	gpiod_put(sr04_echo);
	return 0;
}

static struct of_device_id ask100_sr04[] = 
{
	{.compatible = "100ask,sr04" },
	{},
};

static struct platform_driver sr04_dri = {
	.probe = sr04_probe,
	.remove = sr04_remove,
	.driver = {
		.name = "sr04_100ask",
		.of_match_table = ask100_sr04,
	},
};

static int __init sr04_init(void)
{
    int err;

	major = register_chrdev(0,"sr04",&sr04_ops);
	sr04_class = class_create(THIS_MODULE,"sr04_class");

	err = platform_driver_register(&sr04_dri);
	return err;
}

static void __exit sr04_exit(void)
{
	unregister_chrdev(major,"sr04");
	class_destroy(sr04_class);
	platform_driver_unregister(&sr04_dri);
}

module_init(sr04_init);
module_exit(sr04_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

4.1.2 中断模式

#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/workqueue.h>
#include <asm/current.h>
#include <linux/delay.h>

static int major;
static struct class* sr04_class;
static struct gpio_desc *gpio_trig;
static struct gpio_desc *gpio_echo;
static int irq;
static wait_queue_head_t* sr04_wq;
static u64 sr04_data = 0;
static ssize_t sr04_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{

	int timeout = 0;
	gpiod_set_value(gpio_trig, 1);
	udelay(15);
	gpiod_set_value(gpio_trig, 0);

	
	timeout = wait_event_interruptible_timeout(sr04_wq, sr04_data, HZ);
	if(timeout)
	{
		copy_to_user(buf,&sr04_data,4);
		sr04_data = 0;
		return 4;
	}else
	{
		return -EAGAIN;
	}
}
static unsigned int sr04_poll (struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
{

	return 0;
}

static struct file_operations sr04_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.read = sr04_read,
	.poll = sr04_poll,
};

// 中断处理函数
static irq_handler_t sr04_isr(int irq, void * dev_id)
{
    // 获取引脚电平
	int val = gpiod_get_value(gpio_echo);

	if(val)
	{
		sr04_data = ktime_get_ns();
	}else
	{
		sr04_data = ktime_get_ns() - sr04_data;
		
		wake_up(&sr04_wq); // 唤醒中断
	}
	return IRQ_HANDLED;
}

static int sr04_probe(struct platform_device *pdev)
{	

	gpio_trig = gpiod_get(pdev->dev, "trig", GPIOD_OUT_LOW);
	gpio_echo = gpiod_get(pdev->dev, "echo", GPIOD_IN);
    // 申请中断号
	irq = gpiod_to_irq(gpio_echo);
    // 申请中断 此处为上下边沿触发
	request_irq(irq, sr04_isr, IRQF_TRIGGER_FALLING | IRQF_TRIGGER_RISING, "sr04", NULL);
	
	device_create(sr04_class, NULL,  MKDEV(major, 0), "sr04", NULL);
	
	return 0;
}
static int sr04_remove(struct platform_device *pdev)
{
	gpiod_put(gpio_trig);
	gpiod_put(gpio_echo);
	free_irq(irq, NULL); // 释放中断号
	
	device_destroy(sr04_class, MKDEV(major, 0));
	return 0;
}


static struct of_device_id ask100_sr04[] = {
	{ compatible = "100ask,sr04" },
	{},

},

static struct platform_driver sr04_dri = {
	.probe = sr04_probe,
	.remove = sr04_remove,
	.driver = {
		.name = "100ask_sr04",
		.of_match_table = ask100_sr04,
	},

};

static int __init sr04_init(void)
{
	int err;
	major = register_chrdev(0, "sr04", &sr04_fops);
	sr04_class = class_create(THIS_MODULE, "sr04_class");
    // 初始化中断队列
	init_waitqueue_head(sr04_wq);
	
	err = platform_driver_register(&sr04_dri);
	return err;
}

static void __exit sr04_exit(void)
{

	unregister_chrdev(major, "sr04");
	class_destroy(sr04_class);
	platform_driver_unregister(&sr04_dri);

}


module_init(sr04_init);
module_exit(sr04_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

4.2 应用程序

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>

/*
 * ./sr04_test /dev/sr04
 *
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	int us;

	int i;
	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc != 2) 
	{
		printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
		return -1;
	}


	/* 2. 打开文件 */
//	fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);
	fd = open(argv[1], O_RDWR);
	if (fd == -1)
	{
		printf("can not open file %s\n", argv[1]);
		return -1;
	}


	while (1)
	{
		if (read(fd, &us, 4) == 4)
		{
			printf("get us: %d us\n", us);  /* mm */
			printf("get distance: %d mm\n", us*340/2/1000);  /* mm */
		}
		else
			printf("get distance: -1\n");
	}
	
	close(fd);
	
	return 0;
}

4.3 Makefile

# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册

KERN_DIR =  /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
	$(CROSS_COMPILE)gcc -o sr04_test sr04_test.c
clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order  sr04_test

# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o



obj-m += sr04_drv.o