??作者：一只大喵咪1201
??專欄：《智能家居項(xiàng)目》
??格言：你只管努力，剩下的交給時間！

輸入子系統(tǒng)中目前僅實(shí)現(xiàn)了按鍵輸入，剩下的網(wǎng)絡(luò)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸入在以后會逐步實(shí)現(xiàn)，今天先來實(shí)現(xiàn)設(shè)備子系統(tǒng)，包含LED設(shè)備(GPIO控制)，風(fēng)扇設(shè)備，OLED設(shè)備。

??設(shè)計(jì)思路

不同內(nèi)核下是訪問設(shè)備的方式是不同的：

• 裸機(jī)里怎么訪問設(shè)備？

對于ST芯片可以使用HAL庫訪問設(shè)備，對于一些國產(chǎn)芯片可以使用廠家自己封裝的庫，甚至自己編寫代碼直接訪問寄存器來訪問設(shè)備。

• FreeRTOS怎么訪問設(shè)備？

FreeRTOS中并沒有驅(qū)動程序框架，它訪問設(shè)備時方法和裸機(jī)一樣。

• RT-Thread怎么訪問設(shè)備？

RT-Thread可以使用兩種方法訪問設(shè)備：

1. 像裸機(jī)一樣訪問
2. 使用RT-Thread的驅(qū)動程序框架

如上圖便是RT-Thread驅(qū)動程序框架的示意圖，所謂驅(qū)動框架就是事先定義好的接口函數(shù)，無論是訪問設(shè)備還是添加新設(shè)備，直接調(diào)用這些接口函數(shù)即可。

所以我們要做的就是實(shí)現(xiàn)這些接口函數(shù)好讓應(yīng)用層去直接調(diào)用，這樣做的好處是，無論硬件怎么修改，驅(qū)動程序的接口并不會改變，上層的應(yīng)用程序也就不需要改變。

如上圖所示是RT-Thread驅(qū)動框架下“I/O設(shè)備管理”的接口，應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)的接口來訪問設(shè)備：

• rt_device_find：查找設(shè)備
• rt_device_open：打開設(shè)備
• rt_device_read：從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)
• rt_device_write：向設(shè)備中寫數(shù)據(jù)

• Linux下怎么訪問設(shè)備？

Linux系統(tǒng)中，和驅(qū)動程序嚴(yán)格分離開，應(yīng)用程序無法直接讀寫寄存器，應(yīng)用程序必須通過驅(qū)動程序訪問設(shè)備，應(yīng)用程序使用的接口只有open/read/write/ioctl等。

如上圖所示，APP就是應(yīng)用程序，在Linux下一切皆文件，所以設(shè)備在Linux內(nèi)核中都被抽象成了一個文件，所以應(yīng)用層必須通過系統(tǒng)調(diào)用接口通過文件系統(tǒng)來訪問設(shè)備。

再來看我們要實(shí)現(xiàn)的設(shè)備子系統(tǒng)，目前暫時將其分為兩層，虛線之上寫出統(tǒng)一的應(yīng)程序接口，虛線之下根據(jù)不同的系統(tǒng)，調(diào)用不同的函數(shù)，這樣一來就統(tǒng)一了設(shè)備的訪問方式。

對于開發(fā)應(yīng)用程序的人，他不關(guān)心LED使用哪個GPIO引腳，GPIO是輸出高還是低來控制LED，open的是什么設(shè)備、read/write的又是什么設(shè)備，也不用去看原理圖，芯片手冊，以及研究HAL庫，RT-Thread，或者Linux的驅(qū)動函數(shù)怎么調(diào)用。

甚至不用理解我們抽象出來的設(shè)備結(jié)構(gòu)體，只需要關(guān)心結(jié)構(gòu)體中的Init和Contral兩個函數(shù)指針怎么使用即可，其他的一概不用關(guān)心，所以非常有必要提供更高層的API接口。

以LCD的使用為例，可以分為三層：

如上圖，其中設(shè)備驅(qū)動層中的驅(qū)動程序負(fù)責(zé)提供像素操作的功能，但是顯示什么字符、顯示多大、在哪顯示，不用關(guān)心。

文字/圖像顯示層中包含庫函數(shù)/函數(shù)功能，提供顯示字符、顯示圖片功能的接口，但是顯示什么字符、顯示多大、在哪顯示，不用關(guān)心。

應(yīng)用程序則通過庫函數(shù)來顯示字符以及圖片，并且決定顯示什么字符，顯示在哪里，顯示多大等問題，但是并不用關(guān)心驅(qū)動程序。

• 驅(qū)動只提供功能，不提供策略，應(yīng)用程序只提供策略，不提供功能的實(shí)現(xiàn)。
• 不同的層要各司其職不要越界，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)知識的隔離。

在實(shí)現(xiàn)設(shè)備子系統(tǒng)的時候，使用面向?qū)ο蟮乃枷?，對于每一種設(shè)備，抽象出一個結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體里有設(shè)備相關(guān)的函數(shù)指針，不同設(shè)備，不強(qiáng)求統(tǒng)一，不強(qiáng)求用一個結(jié)構(gòu)體類型來支持所有設(shè)備。

編寫函數(shù)時要注意：

• 頭文件：這些函數(shù)是面向應(yīng)用程序開發(fā)者，假設(shè)他們對硬件一無所知。
• C文件：函數(shù)內(nèi)部，再根據(jù)不同系統(tǒng)、不同芯片，調(diào)用其他函數(shù)。

??LED設(shè)備

如上圖所示，我們把LED設(shè)備分為4層，接下來就是一層一層來實(shí)現(xiàn)。

??設(shè)備層

LED設(shè)備的功能：

• LED的開和關(guān)
• 設(shè)置LED的顏色
• 設(shè)置LED的亮度

雖然本喵使用的LED燈并不支持設(shè)置顏色和直接設(shè)置亮度，但是有一些高級的LED燈是支持的，這里我們?yōu)榱艘院蟾玫木S護(hù)和擴(kuò)展，所以在抽象LED設(shè)備結(jié)構(gòu)體的時候都考慮上：

如上圖所示，抽象出來的LEDDevice結(jié)構(gòu)體就是用來描述LED設(shè)備的，包含LED編號，初始化和控制方法，以及設(shè)置顏色和亮度的方法，還需要在LED的設(shè)備層提供一個獲取LED設(shè)備的方法。

如上圖所示，因?yàn)長ED設(shè)備只有三個，所以通過一個全局的LEDDevice數(shù)組來管理LED設(shè)備，對每一個LED設(shè)備進(jìn)行了初始化，實(shí)現(xiàn)了LED設(shè)備的初始化函數(shù)以及控制函數(shù)，為了達(dá)到分層的目的，在函數(shù)內(nèi)部調(diào)用內(nèi)核抽象層的初始化和控制函數(shù)。

至于設(shè)置顏色和亮度的函數(shù)并沒有實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楸具魇褂玫腖ED燈并不支持這兩種功能，還實(shí)現(xiàn)了一個獲取LED設(shè)備的函數(shù)，在上層使用訪問LED設(shè)備的時候，必須先調(diào)用該函數(shù)獲取LED設(shè)備。

??內(nèi)核抽象層

如上圖，無論是訪問LED設(shè)備還是控制LED設(shè)備，甚至初始化LED設(shè)備，在內(nèi)核抽象都有不同的方式，這里定義一個配置文件，用來控制是使用哪種方式:

如上圖所示，用到哪種內(nèi)核就定義相應(yīng)的標(biāo)識符常量。

如上圖所示頭文件，提供了內(nèi)核抽象層對LED設(shè)備初始化和控制的函數(shù)聲明。

如上圖所示內(nèi)核抽象層源文件，提供了LED設(shè)備初始化和控制函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，通過宏開關(guān)來控制調(diào)用對應(yīng)內(nèi)核下的LED初始化和控制函數(shù)。

其中對于RT-Thread和Linux下的LED設(shè)備初始化和控制函數(shù)本喵在這里并不會實(shí)現(xiàn)，這里僅僅是為了給大家演示本喵的代碼架構(gòu)寫的。

• 對于裸機(jī)和FreeRTOS，LED設(shè)備的初始化和控制函數(shù)都是一樣的。

??芯片抽象層

如上圖，在真正訪問芯片的時候，不同類型的芯片支持不同的庫，同樣可以通過宏開關(guān)來控制使用哪種庫來訪問芯片：

#define CONFIG_SUPPORT_HAL 		0x10
//#define CONFIG_SUPPORT_OTHER 	0x20

將這部分代碼加入到config.h中去。

如上圖頭文件代碼，提供了芯片抽象層LED設(shè)備初始化和控制的函數(shù)聲明。

如上圖源文件代碼，提供了芯片抽象層LED設(shè)備初始化和控制函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，對于HAL庫，調(diào)用對應(yīng)的HAL庫對應(yīng)的初始化和控制函數(shù)，對應(yīng)其他庫則調(diào)用其他方式。

??硬件操作

本喵使用的是ST的芯片，所以使用HAL庫來操作硬件：

如上圖所示頭文件，提供了LED設(shè)備的GPIO信息以及初始化和控制的函數(shù)聲明。

如上圖所示源文件，提供了初始化和控制函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，在控制函數(shù)中，switch通過LEDDevice結(jié)構(gòu)體中的LED編號操作具體的LED設(shè)備。

??單元測試

LED設(shè)備從設(shè)備層到操作硬件共五層已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，下面就進(jìn)行單元測試，看是否符合預(yù)期：

如上圖所示LED設(shè)備的測試函數(shù)，其中LED點(diǎn)亮和熄滅中間的延時，為了應(yīng)用層和HAL庫的解耦，本喵只是通過循環(huán)進(jìn)行了一個大概的循環(huán)，有興趣的小伙伴可以按照五層的框架，在最底層調(diào)用HAL_Delay()自己實(shí)現(xiàn)一下。

如上圖，白藍(lán)綠三個燈在不停閃爍。

??顯示設(shè)備

為了讓這里的代碼更加容易維護(hù)和擴(kuò)展，適用于多種類型的顯示設(shè)備，本喵通過LCD顯示的原理來抽象出一個具有普適性的顯示設(shè)備結(jié)構(gòu)體，雖然本喵最終用的是OLED屏幕，但是仍然可以用這個結(jié)構(gòu)。

LCD顯示原理：

什么是LCD？就是多行多列的像素點(diǎn)：

• 對于黑白屏幕(單色屏幕)，這些像素點(diǎn)只有2個狀態(tài)：點(diǎn)亮、熄滅。
• 對于彩色屏幕，這些像素點(diǎn)有顏色：可以用RGB三原色來表示。

怎么控制LCD上每個像素的狀態(tài)？

• 通過顯存，就是一塊內(nèi)存，也被稱為FrameBuffer。
• 每個像素在顯存上都有對應(yīng)的數(shù)據(jù)，會在屏幕上對應(yīng)位置顯示。

• 對于黑白屏(單色屏)，每個像素點(diǎn)在顯存里有對應(yīng)的1位數(shù)據(jù)，只有兩種狀態(tài)，表示點(diǎn)亮和熄滅。
• 對于彩色屏，每個像素點(diǎn)在顯存里有幾個字節(jié)(可能是1字節(jié)、2字節(jié)、4字節(jié))，可以表示多種顏色。
• BPP：Bits Per Pixel，用來表示每個像素點(diǎn)有多少位數(shù)據(jù)。

LCD可能自帶顯存，也可能不帶有顯存(要使用LCD的話，就需要在系統(tǒng)內(nèi)存中分配顯存)，有三種類型的LCD。

1. LCD含有顯存, CPU通過I2C協(xié)議訪問顯示

如上圖，很多I支持I2C、SPI接口的屏幕，本身是含有顯存的，要在LCD上顯示文字、圖片，就需要網(wǎng)顯存里寫入數(shù)據(jù)，程序通過I2C接口寫顯存，LCD控制器就會讓LCD屏幕顯示相應(yīng)內(nèi)容。

2. LCD沒有顯存, LCD控制器從內(nèi)存得到數(shù)據(jù)

如上圖，很多TFT LCD本身是沒有顯存的，那么數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)內(nèi)存里分配一塊空間，這塊RAM中的內(nèi)存就可以看作是顯存。設(shè)置好LCD控制器后，它就會自動從這個顯存取出數(shù)據(jù)、發(fā)送給LCD，我們只需要寫數(shù)據(jù)到RAM中的顯存即可。

3. LCD含有顯存, CPU可以直接訪問

如上圖，有些LCD含有顯存，并且CPU可以直接訪問顯存，不需要I2C燈協(xié)議，就像訪問一般內(nèi)存一樣直接訪問顯存，我們只需要寫數(shù)據(jù)到顯存即。

對于軟件來說，這3種LCD都有顯存，第1種無法直接寫顯存；第2、3種可以直接寫顯存，能否讓第1種LCD，能否也直接寫顯存？可以：

• 在系統(tǒng)內(nèi)存RAM中分配另一個顯存FrameBuffer。
• 應(yīng)用程序直接寫這個顯存。
• 設(shè)備層等下層再通過I2C將RAM顯存中的數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD自帶的顯存中。

如上圖，同樣按照五層來實(shí)現(xiàn)程序。

??管理及設(shè)備層

在設(shè)備層要抽象出一個顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)體，根據(jù)前面的分析以及LED設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)體包含：

• 初始化函數(shù)，用來初始化顯示設(shè)備。
• 在RAM中都有顯存，通過顯存的起始地址，顯示設(shè)備的分辨率，以及bpp來描述顯存。
• 對于第一種LCD，還需要一個Flush函數(shù)，把RAM顯存中的數(shù)據(jù)刷到LCD顯存中去。

如上圖頭文件中代碼，抽象出了顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)體，用這個結(jié)構(gòu)體可以描述多種類型的顯示設(shè)備，包括LCD和OLED，這些顯示設(shè)備可以用鏈表管理起來。

• void* FBBase：顯示設(shè)備的顯存。

如上圖所示源文件，創(chuàng)建了一個靜態(tài)的全局顯示設(shè)備鏈表，用這個鏈表來管理所有顯示設(shè)備，提供了向鏈表中注冊新設(shè)備的函數(shù)，以及從鏈表中獲取設(shè)備的函數(shù)。

• 由于pDisplayDevice鏈表頭指針被static修飾了，就只能在當(dāng)前源文件訪問和操作這個鏈表。
• 使用__修飾的函數(shù)表明該函數(shù)會在其他位置被調(diào)用，而且要實(shí)現(xiàn)的功能相同。

此時設(shè)備層的宏觀描述已經(jīng)有了，接下來就是創(chuàng)建具體的顯示設(shè)備了，這里創(chuàng)建的是OLED屏。

如上圖所示，創(chuàng)建一個全局的DisplayDevice變量用來實(shí)例化OLED設(shè)備，根據(jù)OLED的特性填充該結(jié)構(gòu)體變量，其中RAM中的顯存就是一個全局的數(shù)組，用static修飾的初始化和刷新顯存的函數(shù)初始化結(jié)構(gòu)體中的方法。

對于點(diǎn)亮(X , Y)處像素的函數(shù)本喵單獨(dú)講解一下：

如上圖所示坐標(biāo)系便是顯存抽象出來的坐標(biāo)，其中左上角的坐標(biāo)原點(diǎn)就是RAM顯存數(shù)組的首地址，本喵使用的OLED是128*64的，所以可以分為8頁，128列。

現(xiàn)在要點(diǎn)亮坐標(biāo)(x, y)處的像素點(diǎn)，所以要計(jì)算出該像素點(diǎn)位于RAM顯存中的哪個位置，然后在程序中向該位置寫入數(shù)據(jù)即可。

共有64行像素點(diǎn)，每8行分為一頁，所以(x, y)所在頁為page = y / 8，由于RAM中的顯存是一個數(shù)組，它并不存在頁的概念，所以可以計(jì)算出(x，y)對應(yīng)那個字節(jié)在數(shù)組中的下標(biāo)是page*128 + x，地址就是FrameBuffer + page * 128 + x由于一個字節(jié)有8個bit，而每一個像素點(diǎn)用一個bit，所以(x, y)所用那個bit在該字節(jié)中是第y % 8個bit。

如上圖代碼所示，在將(x, y)坐標(biāo)所對應(yīng)的顯存位置計(jì)算出來后，根據(jù)dwColor顏色值來決定是點(diǎn)亮該像素點(diǎn)函數(shù)熄滅，或者是用哪種顏色點(diǎn)亮。

• OLED不支持顯示不同顏色，所以dwColor的值不為0則表示點(diǎn)亮，為0則表示熄滅。

如上圖所示代碼便是OLED設(shè)備剩下的代碼，在添加OLED顯示設(shè)備的時候用到了static修飾的g_DisplayDevice全局變量，該變量同樣只能在該源文件內(nèi)使用。

AddDisplayDeviceOLED函數(shù)中調(diào)用的DisplayDeviceRegister注冊函數(shù)是屬于display_device.h文件中的，所以需要包含該頭文件。

在display_device中需要有添加顯示設(shè)備的函數(shù)AddDisplayDevices，在該函數(shù)中勢必會調(diào)用oled_device.h中的AddDisplayDeviceOLED函數(shù)，所以要包含該頭文件。

• 此時就產(chǎn)生了互相包含的場景，display_device中包含oled_device.h，oled_device中包含display_device.h。

為了避免互相包含，再創(chuàng)建一個dispaly_system.c文件來管理這兩個導(dǎo)致互相包含的函數(shù)。

如上圖所示，在這里實(shí)現(xiàn)AddDisplayDevices更加合適，而獲取設(shè)備的方法也是放在這里更合適。

如上圖所示便是這些文件中的內(nèi)容概述和調(diào)用關(guān)系，這些所有內(nèi)容構(gòu)成了整個設(shè)備層。

??內(nèi)核抽象層

內(nèi)核抽象層需要實(shí)現(xiàn)的只有顯示設(shè)備的初始化已經(jīng)將數(shù)據(jù)刷新到OLED自帶的顯存中的Flush函數(shù)。

如上圖代碼，同樣為了方便或者和維護(hù)，對于不同的內(nèi)核，調(diào)用不同的方式，本喵使用的是裸機(jī)，所以需要調(diào)用芯片抽象層對應(yīng)的函數(shù)。

??芯片抽象層及硬件操作

芯片抽象層同樣是分為支持HAL庫和支持其他庫，只是需要實(shí)現(xiàn)初始化函數(shù)和CAL_OLEDDeviceFlush函數(shù)即可。

如上圖所示，對于HAL庫，在初始化的時候直接初始化I2C協(xié)議用到的引腳，以及調(diào)用OLED屏幕的初始化函數(shù)，這里部分內(nèi)容本喵在I2C通信協(xié)議 | OLED屏一文中有詳細(xì)講解，這里本喵就直接使用了。

在CAL_OLEDDeviceFlush函數(shù)中，對于HAL庫，調(diào)用OLED_Copy拷貝函數(shù)將數(shù)據(jù)從RAM顯存中搬運(yùn)到OLED自帶的顯存中，該拷貝函數(shù)本喵沒有實(shí)現(xiàn)過，這里實(shí)現(xiàn)一下：

如上圖，將RAM顯存中的數(shù)據(jù)分八次寫入OLED自帶的顯存中，每次寫入一個page的數(shù)據(jù)，也就是128字節(jié)。

??單元測試

顯示設(shè)備的五層實(shí)現(xiàn)以后，同樣需要進(jìn)單元測試：

如上圖所示，在測試顯示設(shè)備的時候，先添加所有顯示設(shè)備(本喵這里只有一個OLED顯示設(shè)備)，然后從設(shè)備管理列表中獲取名為OLED的設(shè)備，如果不存在則打印錯誤信息。

獲取成功后，先調(diào)用顯示設(shè)備的初始化函數(shù)進(jìn)行初始化，然后清屏，就是將RAM中的顯存全部清0，再調(diào)用顯示設(shè)備中的SetPixel設(shè)置像素函數(shù)在OLED屏幕上畫一個十字。

如上圖所示，在OLED屏幕上顯示了一個十字。

??風(fēng)扇設(shè)備

如上圖所示，在本喵的開發(fā)板上有一個電機(jī)模塊，上面有一個風(fēng)扇，可以控制它順時針轉(zhuǎn)，逆時針轉(zhuǎn)，停止。

如上圖所示是電機(jī)接口模塊示意圖，風(fēng)扇的控制非常簡單，只需要改變PC6和PE6也就是INB和INA口的電平狀態(tài)就可以，真值表如下：

其中0表示該接口輸入低電平，1表示該接口輸出高電平。風(fēng)扇設(shè)備分為四層，本喵就不詳細(xì)講解了，直接上代碼。

??設(shè)備層

如上圖所示頭文件代碼，定義了描述風(fēng)扇設(shè)備的結(jié)構(gòu)體，包含風(fēng)扇的速度屬性，初始化函數(shù)，設(shè)置速度的函數(shù)，當(dāng)前速度屬性是多余的，本喵這里并不會控制速度，包括設(shè)置速度函數(shù)也只是控制風(fēng)扇的啟停和正反轉(zhuǎn)。

如果使用PWM波來控制電風(fēng)扇就可以控制其速度，所以為了以后方便擴(kuò)展維護(hù)，本喵就保留了速度這個屬性。

如上圖所示是源文件，創(chuàng)建了一個全局的風(fēng)扇設(shè)備變量來實(shí)例化，并進(jìn)行了初始化，還提供了獲取風(fēng)扇設(shè)備的函數(shù)，不再多說。

??內(nèi)核抽象層

如上圖所示，對于不同的內(nèi)核調(diào)用相應(yīng)層的函數(shù)即可，不再講解。

??芯片抽象層

如上圖代碼，在初始化函數(shù)中，對于HAL庫，由于在使用CubeMX創(chuàng)建工程的已經(jīng)配置好了引腳，所以這里不用再調(diào)用HAL庫的初始化函數(shù)了，直接返回0即可，表示初始化成功，對于設(shè)置速度的函數(shù)則需要調(diào)用HAL庫中的設(shè)置速度函數(shù)。

??硬件操作

如上圖代碼所示，根據(jù)iSpeed的不同情況，對照風(fēng)扇的真值表設(shè)置INA和INB引腳的電平狀態(tài)即可。

??單元測試

如上圖所示測試代碼，讓風(fēng)扇順時針轉(zhuǎn)2秒，停止2秒，逆時針轉(zhuǎn)2秒，停止2秒，如此循環(huán)。

為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的獨(dú)立，延時函數(shù)使用的是KAL_Delay，其最在芯片抽象層仍然是封裝的HAL_Delay。

如上圖代碼所示，實(shí)現(xiàn)了延時函數(shù)，頭文件自己加就行，本喵不在講解。

如上圖所示是風(fēng)扇轉(zhuǎn)起來的狀態(tài)，符合我們的要求。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-713930.html

到了這里，關(guān)于【智能家居項(xiàng)目】裸機(jī)版本——設(shè)備子系統(tǒng)(LED && Display && 風(fēng)扇)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！