一、前期准备

超声波模块HC-SR04介绍：https://blog.csdn.net/super828/article/details/84112824。

传感器驱动开发指南：https://www.rt-thread.org/document/site/development-guide/sensor/sensor_driver_development/#。

传感器驱动框架介绍：https://www.rt-thread.org/document/site/development-guide/sensor/sensor_driver/。

二、Sensor 驱动框架

Sensor 驱动框架的作用是：为上层提供统一的操作接口，提高上层代码的可重用性；简化底层驱动开发的难度，只要实现简单的 ops(operations: 操作命令) 就可以将传感器注册到系统上。

也就是说将传感器注册到系统，成为设备文件，然后上层应用就可以调用统一的API来控制这个传感器，诸如获取传感器数据之类的操作。

Sensor 驱动框架的整体架构图如下：

它为上层提供的是标准 device 接口open/close/read/write/control 。

为底层驱动提供的是简单的 ops 接口:fetch_data/control。

并且框架支持 module(模块)，为底层存在耦合的传感器设备提供服务。

2.1、工作原理

Sensor 设备其实是对标准设备 rt_device 的一个丰富，是在原有标准设备的基础上增加了 Sensor 自己独有的一部分 属性 和 控制命令 ，如下图所示：

整个 Sensor 设备包括两个部分：

1、继承自标准设备的一些特性，包括：标准的控制接口、回调函数、device_id 等。

2、Sensor 设备独有的部分，包括：Sensor 的类型、相关的信息、特有的控制命令、ops、以及一些 数据的结构。

.Sensor 设备的结构体如下所示：

struct rt_sensor_device
{
    struct rt_device             parent;    /* The standard device */

    struct rt_sensor_info        info;      /* The sensor info data */
    struct rt_sensor_config      config;    /* The sensor config data */

    void                        *data_buf;  /* The buf of the data received */
    rt_size_t                    data_len;  /* The size of the data received */

    const struct rt_sensor_ops  *ops;       /* The sensor ops 操作命令*/

    struct rt_sensor_module     *module;    /* The sensor module */
};
typedef struct rt_sensor_device *rt_sensor_t;

其中，struct rt_sensor_info info 里存储的是一些与 Sensor 自身相关的信息，在 Sensor 设备注册的时候提供，在使用的过程中不应修改其内容。具体成员如下所示。

struct rt_sensor_info
{
    rt_uint8_t     type;                    /* The sensor type */
    rt_uint8_t     vendor;                  /* Vendor of sensors 供应商*/
    const char    *model;                   /* model name of sensor 比如MPU6050*/
    rt_uint8_t     unit;                    /* unit of measurement */
    rt_uint8_t     intf_type;               /* Communication interface type ,such as IIc */
    rt_int32_t     range_max;    /* maximum range of this sensor's value. unit is 'unit'*/
    rt_int32_t     range_min;    /* minimum range of this sensor's value. unit is 'unit' */
    rt_uint32_t    period_min;   /* Minimum measurement period,unit:ms. zero = not a constant rate */
    rt_uint8_t     fifo_max;                /* Maximum depth of fifo  */
};

Sensor 驱动框架抽象出了一些公共的配置选项，这些可配置的选项置于 struct rt_sensor_config 里, 成员如下：

struct rt_sensor_config
{
    struct rt_sensor_intf        intf;      /* sensor interface config */
    struct rt_device_pin_mode    irq_pin;   /* Interrupt pin, The purpose of this pin is to notification read data */
    rt_uint8_t                   mode;      /* sensor work mode */
    rt_uint8_t                   power;     /* sensor power mode */
    rt_uint16_t                  odr;       /* sensor out data rate */
    rt_int32_t                   range;     /* sensor range of measurement */
};


struct rt_sensor_intf
{
    char                       *dev_name;   /* The name of the communication device */
    rt_uint8_t                  type;       /* Communication interface type */
    void                       *user_data;  /* Private data for the sensor. ex. i2c addr,spi cs,control I/O */
};

其余的一些配置项是用 Sensor 特有控制命令控制的，结合 ops 中的 control 接口使用，就可以完成传感器的配置了。如下所示：

#define  RT_SENSOR_CTRL_GET_ID         (0)  /* 读设备ID */
#define  RT_SENSOR_CTRL_GET_INFO       (1)  /* 获取设备信息 */
#define  RT_SENSOR_CTRL_SET_RANGE      (2)  /* 设置传感器测量范围 */
#define  RT_SENSOR_CTRL_SET_ODR        (3)  /* 设置传感器数据输出速率，unit is HZ */
#define  RT_SENSOR_CTRL_SET_MODE       (4)  /* 设置工作模式 */
#define  RT_SENSOR_CTRL_SET_POWER      (5)  /* 设置电源模式 */
#define  RT_SENSOR_CTRL_SELF_TEST      (6)  /* 自检 */

对于Sensor 数据的存储，为了方便数据的解析，规定每一个类型的 Sensor 都有自己独有的数据结构，这些成员之间使用共用体以减少代码量。

/* 3-axis Data Type */
struct sensor_3_axis
{
    rt_int32_t x;
    rt_int32_t y;
    rt_int32_t z;
};
struct rt_sensor_data
{
    rt_uint32_t         timestamp;          /* The timestamp when the data was received */
    rt_uint8_t          type;               /* The sensor type of the data */
    union
    {
        struct sensor_3_axis acce;          /* Accelerometer.       unit: mG          */
        struct sensor_3_axis gyro;          /* Gyroscope.           unit: mdps        */
        struct sensor_3_axis mag;           /* Magnetometer.        unit: mGauss      */
        rt_int32_t           temp;          /* Temperature.         unit: dCelsius    */
        rt_int32_t           humi;          /* Relative humidity.   unit: permillage  */
        rt_int32_t           baro;          /* Pressure.            unit: pascal (Pa) */
        rt_int32_t           light;         /* Light.               unit: lux         */
        rt_int32_t           proximity;     /* Distance.            unit: centimeters */
        rt_int32_t           hr;            /* Heat rate.           unit: HZ          */
        rt_int32_t           tvoc;          /* TVOC.                unit: permillage  */
        rt_int32_t           noise;         /* Noise Loudness.      unit: HZ          */
        rt_uint32_t          step;          /* Step sensor.         unit: 1           */
    } data;
};

特有的 ops

ops（操作函数）包含两个函数指针，一个的作用是获取传感器数据（fetch_data），另一个的作用是通过控制命令控制传感器（control）。

struct rt_sensor_ops
{
    rt_size_t (*fetch_data)(struct rt_sensor_device *sensor, void *buf, rt_size_t len);
    rt_err_t (*control)(struct rt_sensor_device *sensor, int cmd, void *arg);
};

注册方式

传感器驱动框架提供了一个 Sensor 注册函数，通过传入 Sensor 的控制块，名称，标志位和私有数据，就可以完成传感器设备的注册。

int rt_hw_sensor_register(rt_sensor_t     sensor,                
                          const char      *name,
                          rt_uint32_t     flag,
                          void            *data);

这样看来 Sensor 驱动框架依托于标准的设备框架，只要将传感器驱动对接到 Sensor 的 ops 上，并通过调用 rt_hw_sensor_register 函数注册为 Sensor 设备就可以通过标准的设备接口控制传感器了。

module支持

module 的定义是解决底层有耦合的两个传感器而出现的，有些传感器既有加速度计的功能又有陀螺仪的功能，并且他们的FIFO是共用的，在 FIFO 模式下，只能将两个类型的传感器的数据同时读出，这就说明他们的数据是耦合的。为了解决这个问题，我们定义了 module 的类型

struct rt_sensor_module
{
    rt_mutex_t            lock;                      /* The module lock */

    rt_sensor_t           sen[RT_SENSOR_MODULE_MAX]; /* The module contains a list of sensors */
    rt_uint8_t            sen_num;                   /* Number of sensors contained in the module */
};

里面包含有耦合的传感器的设备控制块指针，通过这个功能就可以在读取陀螺仪的数据的时候，同时更新加速度计的值，解决了底层耦合的问题。

三、开发指南 --- 超声波模块HC-SR04为例

开发的主要任务就是对接 Sensor 驱动框架的 ops 接口，然后注册为 Sensor 设备，进而能够通过驱动框架控制传感器的相关行为。

sensor 框架共给出了两个接口（fetch_data / control），需要在驱动中实现这两个接口。

3.1、fetchdata

作用：获取传感器的数据。接口原型：

rt_size_t (*fetch_data)(struct rt_sensor_device *sensor, void *buf, rt_size_t len);

Sensor 驱动框架当前默认支持轮询(POLLING)、中断(INT)、FIFO 这三种工作模式。如果要开发的传感器支持中断和FIFO的工作模式，需要在这里判断传感器的工作模式，然后再根据不同的模式返回传感器数据。如下所示：

static rt_size_t xxx_acc_fetch_data(struct rt_sensor_device *sensor, void *buf, rt_size_t len)
{
    if (sensor->config.mode == RT_SENSOR_MODE_POLLING)
    {
        return _xxx_acc_polling_get_data(sensor, buf, len);
    }
    else if (sensor->config.mode == RT_SENSOR_MODE_INT)
    {
        return _xxx_acc_int_get_data(sensor, buf, len);
    }
    else if (sensor->config.mode == RT_SENSOR_MODE_FIFO)
    {
        return _xxx_acc_fifo_get_data(sensor, buf, len);
    }
    else
        return 0;
}

开发人员在返回数据时应先标识存储数据的数据类型，然后再填充数据域与时间戳，如下所示：

sensor_data->type = RT_SENSOR_CLASS_ACCE;
sensor_data->data.acce.x = acceleration.x;
sensor_data->data.acce.y = acceleration.y;
sensor_data->data.acce.z = acceleration.z;
sensor_data->timestamp = rt_sensor_get_ts();

HC-SR04为例：

static rt_size_t _fetch_data(struct rt_sensor_device *sensor, void *buf, rt_size_t len)
{
    struct rt_sensor_data *data = buf;

    data->type = RT_SENSOR_CLASS_PROXIMITY;
    data->data.proximity = distance;
    data->timestamp = rt_sensor_get_ts();
    return 1;
}

3.2、control

rt_err_t (*control)(struct rt_sensor_device *sensor, int cmd, void *arg);

传感器的控制就是依靠这个接口函数实现的，通过判断传入的命令字的不同执行不同的操作。