Linux 设备驱动开发(三)---基于驱动的超声波距离检测

超声波模块
超声波是 4Pin(VCC, Trig, Echo, GND)，工作时需要 Trig 发送触发信号，发送超声波信号，回波检测引脚 Echo 接收超声波返回信号。

工作过程：
1、Trig 设置成输出模式，给至少 10us 的高电平信号。
2、Echo设置成输入模式，等待有信号返回，当检测到一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=(高电平时间*声速(340m/s))/2。

基于wiringPi库的超声波检测程序

#include "wiringPi.h"
#include 
#include 
#define Trig    4
#define Echo    5
#define Bee     7

void ultraInit(void)
{
     
    pinMode(Echo, INPUT);
    pinMode(Trig, OUTPUT);
    pinMode(Bee,OUTPUT);
}

float disMeasure(void)
{
     
    struct timeval tv1;  //timeval是time.h中的预定义结构体 其中包含两个一个是秒>，一个是微秒
    /*
    struct timeval
    {
        time_t tv_sec;  //Seconds.
        suseconds_t tv_usec;  //Microseconds.
    };
    */

    struct timeval tv2;
    long start, stop;
    float dis;

    digitalWrite(Trig, LOW);
    delayMicroseconds(2);

    digitalWrite(Trig, HIGH);
    delayMicroseconds(10);      //发出超声波脉冲
    digitalWrite(Trig, LOW);

    while(!(digitalRead(Echo) == 1));
    gettimeofday(&tv1, NULL);           //获取当前时间 开始接收到返回信号的时候

    while(!(digitalRead(Echo) == 0));
    gettimeofday(&tv2, NULL);           //获取当前时间  最后接收到返回信号的时>候
    /*
    int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
    The functions gettimeofday() and settimeofday() can get and set the time as well as a timezone.
    The use of the timezone structure is obsolete; the tz argument should normally be specified as NULL.
    */
    start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;   //微秒级的时间
    stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;

    dis = (float)(stop - start) / 1000000 * 34000 / 2;  //计算时间差求出距离

    return dis;
}

int main(void)
{
     
    float dis;

    if(wiringPiSetup() == -1){
      //如果初始化失败，就输出错误信息 程序初始化时务>必进行
        printf("setup wiringPi failed !");
        return -1;
    }

    ultraInit();
    digitalWrite(Bee,HIGH);
    while(1){
     
        dis = disMeasure();
        printf("distance = %0.2f cm\n",dis);
        if(dis<10)
        {
     
                digitalWrite(Bee,LOW);
        }
        else
        {
     
                digitalWrite(Bee,HIGH);
        }
        delay(1000);
    }

    return 0;
}

既然学了设备驱动，就任性一回，不用wiringPi库的函数，自己写驱动控制I/O口。
上一节只对pin4设置输出模式，控制输出高/低电平。这节对代码进行修改，pin17为发射引脚Trig，设置为输出模式。pin27为接收引脚Echo，设置为输入模式。pin4接蜂鸣器模块的信号线，设置为输出模式。

一、知识补充

1、寄存器
GPLEVn (物理地址：0x3F200034) 检测I/O口：高/低电平

2、内核函数
copy_to_user函数
unsigned long copy_to_user(void *to, const void *from, unsigned long n)
to:用户空间指针
from:内核空间的指针
n:将要拷贝数据的字节数
返回：成功返回0，失败返回没有拷贝成功的数据字节数。

二、驱动代码

1、pin27–> Echo引脚

//文件pin27driver.c
#include //file_operation声明
#include //module_init module_exit声明
#include //_init _exit声明
#include //class device 声明
#include //copy_from_user的头文件
#include //设备号 dev_t类型声明
#include //ioremap iounmap的头文件

volatile unsigned int *GPFSEL2=NULL;
volatile unsigned int *GPLEV0=NULL;

static struct class *pin27_class;
static struct device *pin27_class_dev;
static dev_t devno;//设备号
static int major=232;//主设备号
static int minor=0;//次设备号
static char *module_name="pin27";//模块名
static int pin27_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
     
	printk("pin27_open\n");//内核的打印函数，和printf函数GPIO初始化:配置pin27引脚为输入模式
	*GPFSEL2&=~(0x07<<21);
	return 0;
}

static ssize_t pin27_read(struct file *filep, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
     
	static int iostatus;
	//printk("pin27_read\n");
	iostatus=(*GPLEV0>>27)&0x01;
	if(copy_to_user(buf, (void*)&iostatus, count))
	{
     
		return -1;
	}
	else
	{
     
		return 0;
	}
}
static struct file_operations pin27_flops = 
{
     
	.owner  =   THIS_MODULE,
	.open   =   pin27_open,
	.read  =   pin27_read,
};
int __init pin27_drv_init(void)//真实驱动入口
{
     
	devno=MKDEV(major,minor);//创建设备号
	register_chrdev(major, module_name, &pin27_flops);//注册字符设备，并告诉内核把驱动加入到驱动链表中
	pin27_class=class_create(THIS_MODULE,"pin27_class");//创建类
	pin27_class_dev=device_create(pin27_class,NULL,devno,NULL,module_name);//创建设备文件，让代码在dev下自动生成设备
	GPFSEL2=(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200008,4);//物理地址转化虚拟地址，io口寄存器映射成普通内存单元进行访问
	GPLEV0=(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200034,4);
	return 0;
}

void __exit pin27_drv_exit(void)
{
     
	iounmap(GPFSEL2);
	iounmap(GPLEV0);
	device_destroy(pin27_class,devno);//注销设备
	class_destroy(pin27_class);//注销类
	unregister_chrdev(major, module_name);//注销字符设备
}

module_init(pin27_drv_init);//入口 内核加载该驱动的时候，这个宏被调用
module_exit(pin27_drv_exit);//出口 内核卸载该驱动的时候，这个宏被调用
MODULE_LICENSE("GPL v2");//GPL v2规范

2、pin17–> Trig引脚

//文件pin17driver.c
#include//udelay的头文件
#include //file_operation声明
#include //module_init module_exit声明
#include //_init _exit声明
#include //class device 声明
#include //copy_from_user的头文件
#include //设备号 dev_t类型声明
#include //ioremap iounmap的头文件

volatile unsigned int *GPFSEL1=NULL;
volatile unsigned int *GPSET0=NULL;
volatile unsigned int *GPCLR0=NULL;

static struct class *pin17_class;
static struct device *pin17_class_dev;
static dev_t devno;//设备号
static int major=233;//主设备号
static int minor=0;//次设备号
static char *module_name="pin17";//模块名

static int pin17_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
     
	printk("pin17_open\n");//内核的打印函数，和printf函数GPIO初始化:配置pin17引脚为输出模式
	*GPFSEL1&=~(0x06<<21);
	*GPFSEL1|=(0x01<<21);
	return 0;
}

static ssize_t pin17_write(struct file *file, const char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
     
    static int usrcmd;
    //printk("pin17_write\n");
    copy_from_user(&usrcmd,buf,count);
    if(usrcmd==1)
    {
     
            //printk("set 1\n");
            *GPSET0|=0x01<<17;
    }
    else if(usrcmd==0)
    {
     
            //printk("set 0\n");
            *GPCLR0|=0x01<<17;
    }
    else if(usrcmd==2)
    {
     
    		*GPCLR0|=0x01<<17;
            *GPSET0&=~(0x01<<17);
            udelay(2);//延时2us
            *GPSET0|=0x01<<17;
            *GPCLR0&=~(0x01<<17);
            udelay(10);//延时10us
            *GPCLR0|=0x01<<17;
            *GPSET0&=~(0x01<<17);
    }
    else
    {
     
            printk("undo 17\n");
    }
    return 0;
}
static struct file_operations pin17_flops = 
{
     
	.owner  =   THIS_MODULE,
	.open   =   pin17_open,
	.write  =   pin17_write,
};
int __init pin17_drv_init(void)//真实驱动入口
{
     
	devno=MKDEV(major,minor);//创建设备号
	register_chrdev(major, module_name, &pin17_flops);//注册字符设备，并告诉内核把驱动加入到驱动链表中
	pin17_class=class_create(THIS_MODULE,"pin17_class");//创建类
	pin17_class_dev=device_create(pin17_class,NULL,devno,NULL,module_name);//创建设备文件，让代码在dev下自动生成设备
	GPFSEL1=(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200004,4);//物理地址转化虚拟地址，io口寄存器映射成普通内存单元进行访问
	GPSET0=(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);
	GPCLR0=(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);
	return 0;
}

void __exit pin17_drv_exit(void)
{
     
	iounmap(GPFSEL1);
	iounmap(GPSET0);
	iounmap(GPCLR0);
	device_destroy(pin17_class,devno);//注销设备
	class_destroy(pin17_class);//注销类
	unregister_chrdev(major, module_name);//注销字符设备
}

module_init(pin17_drv_init);//入口 内核加载该驱动的时候，这个宏被调用
module_exit(pin17_drv_exit);//出口 内核卸载该驱动的时候，这个宏被调用
MODULE_LICENSE("GPL v2");//GPL v2规范

3、pin4->蜂鸣器Bee引脚

//文件pin4driver.c
#include //file_operation声明
#include //module_init module_exit声明
#include //_init _exit声明
#include //class device 声明
#include //copy_from_user的头文件
#include //设备号 dev_t类型声明
#include //ioremap iounmap的头文件

volatile unsigned int *GPFSEL0=NULL;
volatile unsigned int *GPSET0=NULL;
volatile unsigned int *GPCLR0=NULL;

static struct class *pin4_class;
static struct device *pin4_class_dev;
static dev_t devno;//设备号
static int major=231;//主设备号
static int minor=0;//次设备号
static char *module_name="pin4";//模块名

static int pin4_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
     
	printk("pin4_open\n");//内核的打印函数，和printf函数GPIO初始化:配置pin4引脚为输出模式
	*GPFSEL0&=~(0x06<<12);
	*GPFSEL0|=(0x01<<12);
	return 0;
}

static ssize_t pin4_write(struct file *file, const char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
     
	static int usrcmd;
	//printk("pin4_write\n");
	copy_from_user(&usrcmd,buf,count);
	if(usrcmd==1)
	{
     
		printk("set 1\n");
		*GPSET0|=0x01<<4;
	}
	else if(usrcmd==0)
	{
     
		printk("set 0\n");
		*GPCLR0|=0x01<<4;
	}
	else
	{
     
		printk("undo\n");
	}
	return 0;
}
static struct file_operations pin4_flops = 
{
     
	.owner  =   THIS_MODULE,
	.open   =   pin4_open,
	.write  =   pin4_write,
};
int __init pin4_drv_init(void)//真实驱动入口
{
     
	devno=MKDEV(major,minor);//创建设备号
	register_chrdev(major, module_name, &pin4_flops);//注册字符设备，并告诉内核把驱动加入到驱动链表中
	pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");//创建类
	pin4_class_dev=device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);//创建设备文件，让代码在dev下自动生成设备
	GPFSEL0=(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200000,4);//物理地址转化虚拟地址，io口寄存器映射成普通内存单元进行访问
	GPSET0=(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f20001C,4);
	GPCLR0=(volatile unsigned int *)ioremap(0x3f200028,4);
	return 0;
}

void __exit pin4_drv_exit(void)
{
     
	iounmap(GPFSEL0);
	iounmap(GPSET0);
	iounmap(GPCLR0);
	device_destroy(pin4_class,devno);//注销设备
	class_destroy(pin4_class);//注销类
	unregister_chrdev(major, module_name);//注销字符设备
}

module_init(pin4_drv_init);//入口 内核加载该驱动的时候，这个宏被调用
module_exit(pin4_drv_exit);//出口 内核卸载该驱动的时候，这个宏被调用
MODULE_LICENSE("GPL v2");//GPL v2规范

三、应用层测试代码

方法一

//文件ultra.c
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void ultraInit(int* trigfd,int* echofd,int* beefd)
{
     
    *trigfd=open("/dev/pin17",O_RDWR);
    *echofd=open("/dev/pin27",O_RDWR);
    *beefd=open("/dev/pin4",O_RDWR);
}

float disMeasure(int* trigfd,int* echofd)
{
     
    static int trigstatus=0;
    int echostatus=0;
    struct timeval tv1;  //timeval是time.h中的预定义结构体 其中包含两个一个是秒，一个是微秒
    /*
    struct timeval
    {
        time_t tv_sec;  //Seconds.
        suseconds_t tv_usec;  //Microseconds.
    };
    */

    struct timeval tv2;
    long start, stop;
    float dis;
    trigstatus=2;
    gettimeofday(&tv1, NULL);
    write(*trigfd,&trigstatus,1);
    gettimeofday(&tv2, NULL);
    start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;   //微秒级的时间
    stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;
    printf("sleep:%ld\n",(stop-start));
    printf("msg 1\n");
    while(!(echostatus == 1))
    {
     
    	read(*echofd,&echostatus,1);
    }
    printf("msg 2\n");
    gettimeofday(&tv1, NULL);           //获取当前时间 开始接收到返回信号的时候

    while(!(echostatus == 0))
    {
     
    	read(*echofd,&echostatus,1);
    }
    printf("msg 3\n");
    gettimeofday(&tv2, NULL);           //获取当前时间  最后接收到返回信号的时候
    /*
    int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
    The functions gettimeofday() and settimeofday() can get and set the time as well as a timezone.
    The use of the timezone structure is obsolete; the tz argument should normally be specified as NULL.
    */
    start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;   //微秒级的时间
    stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;

    dis = (float)(stop - start) / 1000000 * 34000 / 2;  //计算时间差求出距离

    return dis;
}

int main(void)
{
     
    float dis;
    int beestatus=0;
    int trigfd=0;
    int echofd=0;
    int beefd=0;
    ultraInit(&trigfd,&echofd,&beefd);
    printf("trig_fd:%d\necho_fd:%d\nbee_fd:%d\n");
    beestatus=1;
    write(beefd,&beestatus,1);
    while(1)
    {
     
        dis = disMeasure(&trigfd,&echofd);
        printf("distance = %0.2f cm\n",dis);
	if(dis<10)
	{
     
		beestatus=0;
		write(beefd,&beestatus,1);
	}
	else
	{
     
		beestatus=1;
		write(beefd,&beestatus,1);
	}
        sleep(1);
    }
    close(beefd);
    close(trigfd);
    close(echofd);
    return 0;
}

方法二

//文件ultra.c
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void ultraInit(int* trigfd,int* echofd,int* beefd)
{
     
    *trigfd=open("/dev/pin17",O_RDWR);
    *echofd=open("/dev/pin27",O_RDWR);
    *beefd=open("/dev/pin4",O_RDWR);
}

float disMeasure(int* trigfd,int* echofd)
{
     
    static int trigstatus=0;
    int echostatus=0;
    struct timeval tv1;  //timeval是time.h中的预定义结构体 其中包含两个一个是秒，一个是微秒
    /*
    struct timeval
    {
        time_t tv_sec;  //Seconds.
        suseconds_t tv_usec;  //Microseconds.
    };
    */

    struct timeval tv2;
    long start, stop;
    float dis;
    trigstatus=0;
    gettimeofday(&tv1, NULL);
    write(*trigfd,&trigstatus,1);
    gettimeofday(&tv2, NULL);
	usleep(2);
    start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;   //微秒级的时间
    stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;
    printf("sleep 1:%ld\n",(stop-start));
    trigstatus=1;
    gettimeofday(&tv1, NULL);
    write(*trigfd,&trigstatus,1);
    gettimeofday(&tv2, NULL);
	usleep(10);
    start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;   //微秒级的时间
    stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;
    printf("sleep 2:%ld\n",(stop-start));
    trigstatus=0;
    gettimeofday(&tv1, NULL);
    write(*trigfd,&trigstatus,1);
    gettimeofday(&tv2, NULL);
    start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;   //微秒级的时间
    stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;
    printf("sleep 3:%ld\n",(stop-start));
    printf("msg 1\n");
    while(!(echostatus == 1))
    {
     
    	read(*echofd,&echostatus,1);
    }
    printf("msg 2\n");
    gettimeofday(&tv1, NULL);           //获取当前时间 开始接收到返回信号的时候

    while(!(echostatus == 0))
    {
     
    	read(*echofd,&echostatus,1);
    }
    printf("msg 3\n");
    gettimeofday(&tv2, NULL);           //获取当前时间  最后接收到返回信号的时候
    /*
    int gettimeofday(struct timeval *tv, struct timezone *tz);
    The functions gettimeofday() and settimeofday() can get and set the time as well as a timezone.
    The use of the timezone structure is obsolete; the tz argument should normally be specified as NULL.
    */
    start = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;   //微秒级的时间
    stop  = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;

    dis = (float)(stop - start) / 1000000 * 34000 / 2;  //计算时间差求出距离

    return dis;
}

int main(void)
{
     
    float dis;
    int beestatus=0;
    int trigfd=0;
    int echofd=0;
    int beefd=0;
    ultraInit(&trigfd,&echofd,&beefd);
    printf("trig_fd:%d\necho_fd:%d\nbee_fd:%d\n");
    beestatus=1;
    write(beefd,&beestatus,1);
    while(1)
    {
     
        dis = disMeasure(&trigfd,&echofd);
        printf("distance = %0.2f cm\n",dis);
	if(dis<10)
	{
     
		beestatus=0;
		write(beefd,&beestatus,1);
	}
	else
	{
     
		beestatus=1;
		write(beefd,&beestatus,1);
	}
        sleep(1);
    }
    close(beefd);
    close(trigfd);
    close(echofd);
    return 0;
}

方法一与方法二的区别在于：方法一中pin17直接通过内核驱动输出10us的脉冲，而方法二中的pin17通过内核驱动先被拉高10us后被拉低。