MS1112驱动开发(iio框架)

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筋斗云
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作者简介: 一个平凡而乐于分享的小比特,中南民族大学通信工程专业研究生在读,研究方向无线联邦学习
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MS1112驱动开发(iio框架)

ms1112驱动代码及测试程序在ms1112驱动,如有需要自行下载

1.iio框架简介

​ IIO全称是IndustrialI/O,翻译过来就是工业I/O,大家不要看到“工业”两个字就觉得IIO是只用于工业领域的。大家一般在搜索IIO子系统的时候,会发现大多数讲的都是ADC,这是因为IIO就是为ADC类传感器准备的,当然了DAC也是可以的。大家常用的陀螺仪、加速度计、电压/电流测量芯片、光照传感器、压力传感器等内部都是有个ADC,内部ADC将原始的模拟数据转换为数字量,然后通过其他的通信接口,比如IIC、SPI等传输给SOC。
​ 因此,当你使用的传感器本质是ADC或DAC器件的时候,可以优先考虑使用IIO驱动框架。

1.1 iio_dev结构体

IIO子系统使用结构体iio_dev来描述一个具体IIO设备,此设备结构体定义在include/linux/iio/iio.h文件中,结构体内容如下:

571 struct iio_dev { 572         int                             modes; 573         struct device                   dev; 574 575         struct iio_buffer               *buffer; 576         int                             scan_bytes; 577         struct mutex                    mlock; 578 579         const unsigned long             *available_scan_masks; 580         unsigned                        masklength; 581         const unsigned long             *active_scan_mask; 582         bool                            scan_timestamp; 583         struct iio_trigger              *trig; 584         struct iio_poll_func            *pollfunc; 585         struct iio_poll_func            *pollfunc_event; 586 587         struct iio_chan_spec const      *channels; 588         int                             num_channels; 589 590         const char                      *name; 591         const char                      *label; 592         const struct iio_info           *info; 593         const struct iio_buffer_setup_ops       *setup_ops; 594 595         void                            *priv; 596 }; 

我们来看一下iio_dev结构体中几个比较重要的成员变量:

第571行,modes为设备支持的模式,可选择的模式如表所示:

模式描述
INDIO_DRECT_MODE提供sysfs接口
INDIO_BUFFER_TRIGGERED支持硬件缓冲触发
INDIO_BUFFER_SOFTWARE支持软件缓冲触发
INDIO_BUFFER_HARDWARE支持硬件缓冲区

第575行,buffer为缓冲区
第576行,scan_bytes为捕获到,并且提供给缓冲区的字节数。
第579行,available_scan_masks为可选的扫描位掩码,使用触发缓冲区的时候可以通过设置掩码来确定使能哪些通道,使能以后的通道会将捕获到的数据发送到IIO缓冲区。
第581行,active_scan_mask为缓冲区已经开启的通道掩码。只有这些使能了的通道数据才能被发送到缓冲区。
第582行,scan_timestamp为扫描时间戳,如果使能以后会将捕获时间戳放到缓冲区里面。
第583行,trig为IIO设备当前触发器,当使用缓冲模式的时候。
第584行,pollfunc为一个函数,在接收到的触发器上运行。
第587行,channels为IIO设备通道,为iio_chan_spec结构体类型,稍后会详细讲解IIO通道。
第588行,num_channels为IIO设备的通道数。
第590行,name为IIO设备名字。
第592行,info为iio_info结构体类型,这个结构体里面有很多函数,需要驱动开发人员编写,非常重要!我们从用户空间读取IIO设备内部数据,最终调用的就是iio_info里面的函数。稍后会详细讲解iio_info结构体。
第593行,setup_ops为 iio_buffer_setup_ops 结构体类型,内容如下:

530 struct iio_buffer_setup_ops { 531         int (*preenable)(struct iio_dev *); 532         int (*postenable)(struct iio_dev *); 533         int (*predisable)(struct iio_dev *); 534         int (*postdisable)(struct iio_dev *); 535         bool (*validate_scan_mask)(struct iio_dev *indio_dev, 536                                    const unsigned long *scan_mask); 537 }; 

可以看出iio_buffer_setup_ops 里面都是一些回调函数,在使能或禁用缓冲区的时候会调用这些函数。如果未指定的话就默认使用iio_triggered_buffer_setup_ops

1.2 iio_info结构体

iio_dev有个成员变量: info,为iio_info结构体指针变量,这个是我们在编写IIO驱动的时候需要着重去实现的,因为用户空间对设备的具体操作最终都会反映到iio_info里面。iio_info结构体定义在 include/linux/iio/liio.h中,结构体定义如下(有省略):

445 struct iio_info { 446         const struct attribute_group    *event_attrs; 447         const struct attribute_group    *attrs; 448 449         int (*read_raw)(struct iio_dev *indio_dev, 450                         struct iio_chan_spec const *chan, 451                         int *val, 452                         int *val2, 453                         long mask); 454 455         int (*read_raw_multi)(struct iio_dev *indio_dev, 456                         struct iio_chan_spec const *chan, 457                         int max_len, 458                         int *vals, 459                         int *val_len, 460                         long mask); 461 462         int (*read_avail)(struct iio_dev *indio_dev, 463                           struct iio_chan_spec const *chan, 464                           const int **vals, 465                           int *type, 466                           int *length, 467                           long mask); 468 469         int (*write_raw)(struct iio_dev *indio_dev, 470                          struct iio_chan_spec const *chan, 471                          int val, 472                          int val2, 473                          long mask); 474 ...... } 

第447行,attrs是通用的设备属性。
第449和469行,分别为read_raw和 write_raw函数,这两个函数就是最终读写设备内部数据的操作函数,需要程序编写人员去实现的。比如应用读取一个ms1112的原始数据,那么最终完成工作的就是read_raw函数,我们需要在read_raw函数里面实现对ms1112芯片的读取操作。同理,write_raw是应用程序向ms1112芯片写数据,一般用于配置芯片,比如量程、数据速率等。这两个函数的参数都是一样的,我们依次来看一下:
indio_dev:需要读写的IIO设备。
chan:需要读取的通道。
val,val2:对于read_raw函数来说 val和 val2这两个就是应用程序从内核空间读取到数据,一般就是传感器指定通道值,或者传感器的量程、分辨率等。对于 write_raw来说就是应用程序向设备写入的数据。val和 val2共同组成具体值,val是整数部分,val2是小数部分。但是val2也是对具体的小数部分扩大N倍后的整数值,因为不能直接从内核向应用程序返回一个小数值。比如现在有个值为1.00236,那么val就是1,vla2理论上来讲是0.00236,但是我们需要对0.00236扩大N倍,使其变为整数,这里我们扩大 1000000倍,那么val2就是2360。因此val=1,val2=2360。扩大的倍数我们不能随便设置,而是要使用Linux定义的倍数,Linux 内核里面定义的数据扩大倍数,或者说数据组合形式如表所示:

组合宏描述
IIO_VAL_INT整数值,没有小数。比如5000,那么就是val=5000,不需要设置val2
IIO_VAL_INT_PLUS_MICRO小数部分扩大1000000倍,比如1.00236,此时val=1,val2=2360。
IIO_VAL_INT_PLUS_NANO小数部分扩大1000000000倍,同样是1.00236,此时val=1,val2=2360000。
IIO_VAL_INT_PLUS_MICRO_DBdB数据,和 IIO_VAL_INT_PLUS_MICRO数据形式一样,只是在后面添加 db。
IIO_VAL_INT_MULITIPLE多个整数值,比如一次要传回6个整数值,那么val 和val2就不够用了.此宏主要用于iio_info的read_raw_multi函数。
IIO_VAL_FRACTIONAL分数值,也就是val/val2。比如val=1, val2=4,那么实际值就是1/4。
IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2值为val>>val2,也就是val右移val2位。比如 val=25600,val2=4,那么真正的值就是 25600右移4位﹐25600>>4=1600.

​ mask:掩码,用于指定我们读取的是什么数据,我们只有读出原始值以及对应的分辨率(量程),才能计算出真实的电压值。此时就有两种数据值:传感器原始值、分辨率。Linux 内核使用IIO_CHAN_INFO_RAW和IIO_CHAN_INFO_SCALE这两个宏来表示原始值以及分辨率,这两个宏就是掩码。至于每个通道可以采用哪几种掩码,这个在我们初始化通道的时候需要驱动编写人员设置好。掩码有很多种,稍后讲解IIO通道的时候详细讲解!
​ 第462行的read_avail这种函数指针通常用于嵌入式系统中,特别是在驱动程序或数据采集模块中。它允许系统在运行时动态地选择或调用不同的读取可用数据的函数,具体操作可能涉及从传感器或其他数据源中获取数据,并将数据类型、长度等信息返回给调用者。

1.3 iio_chan_spec结构体

​ iio的核心就是通道,一个传感器可能有多路数据,比如一个ms1112ADC芯片支持4路数据采集,那么它就有4个通道。

在这里插入图片描述

​ Linux内核使用iio_chan_spec结构体来描述通道,定义在include/linux/iio/iio.h文件中,内容如下:

238 struct iio_chan_spec { 239         enum iio_chan_type      type; 240         int                     channel; 241         int                     channel2; 242         unsigned long           address; 243         int                     scan_index; 244         struct { 245                 char    sign; 246                 u8      realbits; 247                 u8      storagebits; 248                 u8      shift; 249                 u8      repeat; 250                 enum iio_endian endianness; 251         } scan_type; 252         long                    info_mask_separate; 253         long                    info_mask_separate_available; 254         long                    info_mask_shared_by_type; 255         long                    info_mask_shared_by_type_available; 256         long                    info_mask_shared_by_dir; 257         long                    info_mask_shared_by_dir_available; 258         long                    info_mask_shared_by_all; 259         long                    info_mask_shared_by_all_available; 260         const struct iio_event_spec *event_spec; 261         unsigned int            num_event_specs; 262         const struct iio_chan_spec_ext_info *ext_info; 263         const char              *extend_name; 264         const char              *datasheet_name; 265         unsigned                modified:1; 266         unsigned                indexed:1; 267         unsigned                output:1; 268         unsigned                differential:1; 269 }; 

​ 来看一下iio_chan_spec结构体中一些比较重要的成员变量:
第239行,type为通道类型,iio_chan_type是一个枚举类型,列举出了可以选择的通道类型,定义在include/uapi/linux/iio/types.h文件里面,内容如下:

enum iio_chan_type {         IIO_VOLTAGE,                                //电压         IIO_CURRENT,								//电流         IIO_POWER,									//功率         IIO_ACCEL,									//加速度         IIO_ANGL_VEL,								//角速度         IIO_MAGN,									//磁场强度         IIO_LIGHT,									//光强度         IIO_INTENSITY,								//强度         IIO_PROXIMITY,								//接近度         IIO_TEMP,									//温度         IIO_INCLI,									//倾斜度         IIO_ROT,									//旋转         IIO_ANGL,									//角度         IIO_TIMESTAMP,								//时间戳         IIO_CAPACITANCE,							//电容         IIO_ALTVOLTAGE,								//备用电压         IIO_CCT,									//色温         IIO_PRESSURE,								//压力         IIO_HUMIDITYRELATIVE,						//相对湿度         IIO_ACTIVITY,								//活动状态         IIO_STEPS,									//步数         IIO_ENERGY,									//能量         IIO_DISTANCE,								//距离         IIO_VELOCITY,								//速度         IIO_CONCENTRATION,							//浓度         IIO_RESISTANCE,								//电阻         IIO_PH,										//pH 值         IIO_UVINDEX,								//紫外线指数         IIO_ELECTRICALCONDUCTIVITY,					//电导率	         IIO_COUNT,									//计数         IIO_INDEX,									//索引         IIO_GRAVITY,								//重力         IIO_POSITIONRELATIVE,						//相对位置         IIO_PHASE,									//相位         IIO_MASSCONCENTRATION,						//质量浓度 };  

可以看出,目前Linux内核支持的传感器类型非常丰富,而且支持类型也会不断的增加。ms1112是ADC,那就是IIO_VOLTAGE类型。
继续来看iio_chan_spec结构体,第266行,当成员变量indexed 为1时候,channel为通道索引。
第265行,当成员变量modified为1的时候,channel2为通道修饰符。通道修饰符主要是影响sysfs下的通道文件名字,后面我们会讲解sysfs下通道文件名字组成形式。
第242行的address成员变量用户可以自定义,但是一般会设置为此通道对应的芯片数据寄存器地址。address 也可以用作其他功能,自行选择,也可以不使用address,一切以实际情况为准。
第243行,当使用触发缓冲区的时候,scan_index是扫描索引。
第244~251,scan_type是一个结构体,描述了扫描数据在缓冲区中的存储格式。我们依次来看一下scan_type各个成员变量的涵义:
scan_type.sign:如果为‘u’表示数据为无符号类型,为‘s’的话为有符号类型。
scan_type.realbits:数据真实的有效位数,比如很多传感器说的10位ADC,其真实有效数据就是10位。
scan_type.storagebits:存储位数,有效位数+填充位。比如有些传感器ADC是12位的,那么我们存储的话肯定要用到2个字节,也就是16位,这16位就是存储位数。
scan_type.shift:右移位数,也就是存储位数和有效位数不一致的时候,需要右移的位数,这个参数不总是需要,一切以实际芯片的数据手册位数。
scan_type.repeat:实际或存储位的重复数量。
scan_type.endianness:数据的大小端模式,可设置为IIO_CPU、IIO_BE(大端)或IIO_LE(小端)。
第252行,info_mask_separate标记某些属性专属于此通道,include/linux/iio/types.h文件中的iio chan_info_enum枚举类型描述了可选的属性值。
第254行,info_mask_shared_by_type标记导出的信息由相同类型的通道共享。也就是iio_chan_spec.type成员变量相同的通道。
第256行,info_mask_shared_by_dir标记某些导出的信息由相同方向的通道共享。
第258行,info_mask_shared_by_all表设计某些信息所有的通道共享,无论这些通道的类型、方向如何,全部共享。
第265行,modified为1的时候,channel2为通道修饰符。
第266行,indexed为1的时候,channel为通道索引。
第267行,output表示为输出通道。
第268行,differential表示为差分通道。

2. 程序编写

2.1 驱动程序编写

主要结构体:

static const struct iio_info ms1112_info = {     .read_raw = ms1112_read_raw,     .write_raw = ms1112_write_raw,     .read_avail = ms1112_read_avail, }; 
struct ms1112_data {         struct ms1112_channel_data channel_data[MS1112_CHANNELS];         struct ms1112_thresh_data thresh_data[MS1112_CHANNELS];         const struct ms1112_chip_data *chip;         struct mutex lock;         void *private_data;     /* 私有数据 */         //int16_t value;                /* adc数据 */         struct i2c_client *client; }; 

主要函数:

static int ms1112_get_adc_result(struct ms1112_data *data, int chan, int *val) {         int ret, pga, dr , mode;         unsigned int  mask, cfg;         ret = 0;          if (chan < 0 || chan >= MS1112_CHANNELS)                 return -EINVAL;          mode = data->channel_data[chan].mode;         pga = data->channel_data[chan].pga;         dr = data->channel_data[chan].data_rate;         mask = MS1112_CFG_MUX_MASK | MS1112_CFG_PGA_MASK |                 MS1112_CFG_DR_MASK | MS1112_CFG_MOD_MASK | MS1112_SINGLESHOT << 7;         cfg = chan << MS1112_CFG_MUX_SHIFT | pga << MS1112_CFG_PGA_SHIFT |                 dr << MS1112_CFG_DR_SHIFT | mode << MS1112_CFG_MOD_SHIFT | MS1112_SINGLESHOT << 7;          printk("mask = %u\n", mask);         printk("cfg = %u\n", cfg);          cfg = (cfg & mask);  #if 0         ms1112_write_reg(data, MS1112_CFG_REG, MS1112_DEFAULT_CONFIG); #else         ms1112_write_reg(data, MS1112_CFG_REG, cfg); #endif          ret = ms1112_readdata(data,val);         if(ret<0)         {                 printk("Failed to read data!\n");         }          return ret; } 
static int ms1112_read_avail(struct iio_dev *indio_dev,                               struct iio_chan_spec const *chan,                               const int **vals, int *type, int *length,                               long mask) {         struct ms1112_data *data = iio_priv(indio_dev);          if (chan->type != IIO_VOLTAGE)                 return -EINVAL;          switch (mask) {         case IIO_CHAN_INFO_SCALE:                 *type = IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2;                 *vals =  data->chip->scale;                 *length = data->chip->scale_len;                 return IIO_AVAIL_LIST;         case IIO_CHAN_INFO_SAMP_FREQ:                 *type = IIO_VAL_INT;                 *vals = data->chip->data_rate;                 *length = data->chip->data_rate_len;                 return IIO_AVAIL_LIST;         default:                 return -EINVAL;         } } 
static int ms1112_read_raw(struct iio_dev *indio_dev, struct iio_chan_spec const *chan, int *val, int *val2, long mask) {         int ret, idx;         struct ms1112_data *data = iio_priv(indio_dev);          mutex_lock(&data->lock);         switch (mask) {         case IIO_CHAN_INFO_RAW:                  ret = iio_device_claim_direct_mode(indio_dev);                 if (ret)                         break;                  ret = ms1112_get_adc_result(data, chan->address, val);                 if (ret < 0) {                         goto release_direct;                 }                  *val = sign_extend32(*val >> chan->scan_type.shift,                                      chan->scan_type.realbits - 1);                   ret = IIO_VAL_INT; release_direct:                 iio_device_release_direct_mode(indio_dev);                 break;          case IIO_CHAN_INFO_SCALE:                 idx = data->channel_data[chan->address].pga;                 *val = ms1112_fullscale_range[idx];                 *val2 = chan->scan_type.realbits - 1;                 ret = IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2;                 break;         case IIO_CHAN_INFO_SAMP_FREQ:                 idx = data->channel_data[chan->address].data_rate;                 *val = data->chip->data_rate[idx];                 ret = IIO_VAL_INT;                 break;         default:                 ret = -EINVAL;                 break;         }         mutex_unlock(&data->lock);          return ret; } 
static int ms1112_write_raw(struct iio_dev *indio_dev,                              struct iio_chan_spec const *chan, int val,                              int val2, long mask) {         struct ms1112_data *data = iio_priv(indio_dev);         int ret;          mutex_lock(&data->lock);         switch (mask) {         case IIO_CHAN_INFO_SCALE:                 ret = ms1112_set_scale(data, chan, val, val2);                 break;         case IIO_CHAN_INFO_SAMP_FREQ:                 ret = ms1112_set_data_rate(data, chan->address, val);                 break;         default:                 ret = -EINVAL;                 break;         }         mutex_unlock(&data->lock);          return ret; } 
static int ms1112_probe(struct i2c_client *client,const struct i2c_device_id *id) {     struct iio_dev *indio_dev;     const struct ms1112_chip_data *chip;     struct ms1112_data *data;     int ret;     int i;      chip = device_get_match_data(&client->dev);     if (!chip)         chip = (const struct ms1112_chip_data *)id->driver_data;     if (!chip)         return dev_err_probe(&client->dev, -EINVAL, "Unknown chip\n");      indio_dev = devm_iio_device_alloc(&client->dev, sizeof(*indio_dev));     if (!indio_dev)         return -ENOMEM;      data = iio_priv(indio_dev);     i2c_set_clientdata(client, indio_dev);      mutex_init(&data->lock);      indio_dev->name = MS1112_DRV_NAME;     indio_dev->info = chip->info;     indio_dev->modes = INDIO_DIRECT_MODE;     indio_dev->channels = chip->channels;     indio_dev->num_channels = chip->num_channels;     data->chip = chip;     data->client = client;      for (i = 0; i < MS1112_CHANNELS; i++) {         int realbits = indio_dev->channels[i].scan_type.realbits;          data->thresh_data[i].low_thresh = -1 << (realbits - 1);         data->thresh_data[i].high_thresh = (1 << (realbits - 1)) - 1;     }      /* we need to keep this ABI the same as used by hwmon ADS1015 driver */     ms1112_get_channels_config(client);      ret = iio_device_register(indio_dev);     printk("ret = %d\n",ret);     if (ret)         dev_err(&client->dev, "Failed to register IIO device\n");     return ret; } 

2.2 测试程序

#include <sys/time.h> #include <signal.h> #include <fcntl.h> #include <errno.h>  /* 字符串转数字,将浮点小数字符串转换为浮点数数值 */ #define SENSOR_FLOAT_DATA_GET(ret, index, str, member)\         ret = file_data_read(file_path[index], str);\         dev->member = atof(str);\  /* 字符串转数字,将整数字符串转换为整数数值 */ #define SENSOR_INT_DATA_GET(ret, index, str, member)\         ret = file_data_read(file_path[index], str);\         dev->member = atoi(str);\  /* adc iio框架对应的文件路径 */ static char *file_path[] = {         "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage1_scale",         "/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage1_raw", };  /* 文件路径索引,要和file_path里面的文件顺序对应 */ enum path_index {         IN_VOLTAGE_SCALE = 0,         IN_VOLTAGE_RAW, };  /*  * ADC数据设备结构体  */ struct adc_dev{         int raw;         float scale;         float act; };  struct adc_dev ms1112adc;  /*  * @description : 读取指定文件内容  * @param – filename : 要读取的文件路径  * @param - str : 读取到的文件字符串  *  @return : 0 成功;其他 失败  */ static int file_data_read(char *filename, char *str) {         int ret = 0;         FILE *data_stream;          data_stream = fopen(filename, "r"); /* 只读打开 */         if(data_stream == NULL) {                 printf("can't open file %s\r\n", filename);                 return -1;         }          ret = fscanf(data_stream, "%s", str);         if(!ret) {                 printf("file read error!\r\n");         } else if(ret == EOF) {                 /* 读到文件末尾的话将文件指针重新调整到文件头 */                 fseek(data_stream, 0, SEEK_SET);         }         fclose(data_stream); /* 关闭文件 */         return 0; }  /*  *  @description : 获取ADC数据  *  @param - dev : 设备结构体  *  @return : 0 成功;其他 失败  */ static int adc_read(struct adc_dev *dev) {         int ret = 0;         char str[50];          SENSOR_FLOAT_DATA_GET(ret, IN_VOLTAGE_SCALE, str, scale);         SENSOR_INT_DATA_GET(ret, IN_VOLTAGE_RAW, str, raw);          /* 转换得到实际电压值mV */         dev->act = (dev->scale * dev->raw)/1000.f;         return ret; }  /*  *  @description : main主程序  *  @param – argc : argv数组元素个数  *  @param - argv : 具体参数  *  @return : 0 成功;其他 失败  */ int main(int argc, char *argv[]) {         int ret = 0;          if (argc != 1) {                 printf("Error Usage!\r\n");                 return -1;         }          while (1) {                 ret = adc_read(&ms1112adc);                 if(ret == 0) { /* 数据读取成功 */ \                         printf("ADC原始值:%d,电压值:%.3fV\r\n", ms1112adc.raw, ms1112adc.act);                 }                 usleep(100000); /*100ms */         }         return 0; } 

3. 实验测试

加载驱动后可以看到在开发板的/sys/bus/iio/devices下有iio:device0设备,这个设备正式我们ms1112ADC芯片的sysfs文件信息,进入该目录,可以显示该芯片的目录信息

在这里插入图片描述

解释如下:
in_voltage*_raw:对应该通道采样的adc原始值

in_voltage*_sampling_frequency:对应通道的采样频率

in_voltage*_scale:用于存放对应通道输入电压比例因子

举个例子我们cat in_voltage0_scale显示0.062500000,那这个值是如何算出的呢

其实我们不难发现,

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

我们的结果寄存器一共16位,最高位为符号位,因此结果寄存器的adc采样值范围为-215~215,即-32768-32767。

在这里插入图片描述

我们在IIO_CHAN_INFO_SCALE掩码情况下,设置的组合宏为IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2,值为val>>val2,也就是val右移val2位。假设满量程,则val值为2048,val2为15,2048/(2^15)=0.0625。刚好等于in_voltage0_scale的值。

这里我们测试voltage1通道,voltage1为AIN1,AIN1接MIKRO-BUS,我们只需接一个烟雾传感器,即可测试

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

烟雾传感器连接:
在这里插入图片描述

输入insmod ms1112.ko加载驱动,./adcAPP运行测试程序

我们可以点燃纸张,进行测试

点燃纸张前:
在这里插入图片描述

点燃纸张后:

在这里插入图片描述

我们发现点燃后电压值降低。

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