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

在這個專欄中，本喵要實現(xiàn)一個智能家居的小項目，先基于HAL庫實現(xiàn)裸機(jī)版本，之后再實現(xiàn)一個RTOS版本，為了無縫實現(xiàn)從裸機(jī)到RTOS的移植以及維護(hù)，本喵會使用面向?qū)ο蟮乃枷?，將整個項目分層來實現(xiàn)，構(gòu)建一種編程架構(gòu)。

本項目重點：

• 設(shè)計出優(yōu)秀的程序框架：容易擴(kuò)展、容易維護(hù)。
• 具體：

• 把項目拆分為各個子系統(tǒng)。
• 使用面向?qū)ο蟮乃枷耄炎酉到y(tǒng)抽象為結(jié)構(gòu)體。
• 編寫函數(shù)時，有一定的封裝細(xì)節(jié)，看函數(shù)名就知道怎么用，不需要深入函數(shù)內(nèi)部看它的實現(xiàn)。

??項目簡介

如上圖，使用百問網(wǎng)的STM32F103ZET6開發(fā)板，實現(xiàn)：

• 開發(fā)板啟動后，自動連接家里的路由器，在OLED上顯示出IP。
• 手機(jī)上啟動微信小程序，輸入開發(fā)板OLED上顯示的IP，連接開發(fā)板。
• 在微信小程序里，點擊圖標(biāo)控制開發(fā)板的LED、風(fēng)扇。

如上圖所示，在程序設(shè)計過程中，分為幾個層次：

• 第1層：軟件系統(tǒng)，就是整個系統(tǒng)、整個程序。
• 第2層：分解為子系統(tǒng)，比如我們可以拆分為：輸入子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)。
• 第3層：分解為類，在C語言里沒有類，可以使用結(jié)構(gòu)體來描述子系統(tǒng)。
• 第4層：分解成子程序，實現(xiàn)那些結(jié)構(gòu)體中的屬性和方法(結(jié)構(gòu)體中有函數(shù)指針)。

如上圖所示，在本項目中，可以分為6個子系統(tǒng)：

• 設(shè)備子系統(tǒng)：比如實現(xiàn)LED控制、風(fēng)扇控制。
• 顯示子系統(tǒng)：在OLED上顯示信息。
• 輸入子系統(tǒng)：可以接收按鍵數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
• 網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)：負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)收發(fā)。
• 字體子系統(tǒng)：獲得字符的字庫。
• 業(yè)務(wù)子系統(tǒng)：起綜合作用，根據(jù)輸入值(網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù))，控制設(shè)備。

其中業(yè)務(wù)子系統(tǒng)包含其余5個子系統(tǒng)，可以看作是上層，并且同樣也可以看作一個子系統(tǒng)。

??輸入子系統(tǒng)(按鍵)

首先來實現(xiàn)輸入子系統(tǒng)，它可以接收來自按鍵，網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)準(zhǔn)輸入等設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后供上層業(yè)務(wù)子系統(tǒng)去使用。整個輸入子系統(tǒng)劃分為五個層次實現(xiàn)，這里本喵僅實現(xiàn)按鍵一個輸入設(shè)備。

?應(yīng)用層

• 對于傳遞的"數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)"，我們把它稱為"輸入事件"。

如上圖，在input_system.h輸入子系統(tǒng)頭文件中定義輸入事件結(jié)構(gòu)體，用來描述發(fā)生的輸入事件，無論是按鍵輸入還是網(wǎng)絡(luò)以及標(biāo)準(zhǔn)輸入，都會創(chuàng)建一個這樣的結(jié)構(gòu)體對象，但是INPUT_EVENT_TYPE不同，只有根據(jù)該成員變量的值才可以確定發(fā)生了哪種輸入，通過其他成員變量可以獲取到需要的事件屬性，比如發(fā)生事件，按鍵編號，以及字符串?dāng)?shù)據(jù)等等。

輸入事件類型有多種，在這個項目中并不會用到觸摸屏輸入，本喵這樣寫是為了表明拓展維護(hù)的方便性，在輸入子系統(tǒng)層面，需要增加輸入事件類型，以及描述輸入事件的結(jié)構(gòu)體InputEvent中增加觸摸屏觸摸的位置。

接下來就是輸入事件的來源了，從框圖中看到有按鍵輸入，網(wǎng)絡(luò)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸入，以后甚至可以擴(kuò)展更多的輸入來源，這些輸入來源產(chǎn)生輸入事件。

• "輸入事件"由"輸入設(shè)備"產(chǎn)生。

如上圖，在input_system.h輸入子系統(tǒng)頭文件中定義輸入設(shè)備結(jié)構(gòu)體，用來描述輸入設(shè)備，每一個設(shè)備都會創(chuàng)建一個這樣的結(jié)構(gòu)體對象，其中包含設(shè)備的名稱，獲取輸入事件，初始化設(shè)備，去初始化設(shè)備等方法，以及下一個設(shè)備節(jié)點的指針。

每一個設(shè)備都自帶獲取輸入事件的方法，也就是獲取InputEvent對象的函數(shù)，站在輸入子系統(tǒng)的層面，它并不關(guān)心該方法是如何實現(xiàn)的，只在需要獲取輸入數(shù)據(jù)的時候直接調(diào)取該方法即可。

包括初始化和去初始化也是設(shè)備自帶的方法，上層只需要直接調(diào)用即可，至于去初始化是在不需要某個設(shè)備的時候，將其配置恢復(fù)到初始化狀態(tài)，從系統(tǒng)中抹除該設(shè)備。

為了管理多個設(shè)備，本喵將其放在一個鏈表中，所以還有一個pNext指針指向下一個設(shè)備節(jié)點。

• 在輸入子系統(tǒng)層面，并不關(guān)心獲取輸入事件函數(shù)是如何實現(xiàn)的，而且該函數(shù)的實現(xiàn)涉及到了硬件底層，所以并不在子系統(tǒng)層面實現(xiàn)。

如上圖，在input_system.c源文件中，創(chuàng)建一個全局鏈表，用來讓輸入子系統(tǒng)管理輸入設(shè)備，并且實現(xiàn)注冊輸入設(shè)備，增加輸入設(shè)備，初始化所有輸入設(shè)備等函數(shù)。

注冊輸入設(shè)備的本質(zhì)就是將新增加的輸入設(shè)備節(jié)點插入到鏈表中，讓輸入子系統(tǒng)能夠通過操作鏈表來維護(hù)使用輸入設(shè)備。

增加輸入設(shè)備也是輸入子系統(tǒng)要處理的事情，在增加輸入設(shè)備函數(shù)中再調(diào)用增加具體輸入設(shè)備的函數(shù)，需要增加多少輸入設(shè)備，就將對應(yīng)設(shè)備的增加函數(shù)放進(jìn)去。

初始化所有輸入設(shè)備的時候，只需要變量鏈表中的設(shè)備節(jié)點，調(diào)用每個設(shè)備節(jié)點自帶的初始化化函數(shù)即可。

• 這三個函數(shù)要在input_system.h中聲明。

無論是一個輸入設(shè)備還是多個輸入設(shè)備，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并不只一個，但是使用者只有輸入子系統(tǒng)一個，為了防止數(shù)據(jù)丟失，所以這些數(shù)據(jù)也需要維護(hù)起來，這里使用環(huán)緩沖區(qū)列來維護(hù)，主要有輸入事件產(chǎn)生，就將相應(yīng)的InputEvent對象放入環(huán)形緩沖區(qū)中，子系統(tǒng)只需要從環(huán)形緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)就可以，不用關(guān)心數(shù)據(jù)是怎么來的。

如上圖所示，環(huán)形緩沖區(qū)本質(zhì)上也是一個數(shù)組，就拿寫來說，當(dāng)這個數(shù)組被寫滿后ring_buffer[7] = data，就通過取模運(yùn)算pW = (7 + 1) % 8 = 0重新從數(shù)組的起始位置開始寫數(shù)據(jù)，讀也是類似的道理。

• pR是向環(huán)形緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)時的下標(biāo)。
• pW是向環(huán)形緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)時的下標(biāo)。

通過pR是否等于pW來判斷環(huán)形緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)就相等，有數(shù)據(jù)就不相等，同樣通過pW是否等于pR來判斷環(huán)形緩沖區(qū)是否寫滿數(shù)據(jù)，相等就寫滿了，不相等就沒寫滿。

如上圖所示，定義環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)體，通過維護(hù)pW和pR來維護(hù)環(huán)狀，以及從存放輸入事件的buffer中讀寫事件。

輸入子系統(tǒng)還需要提供讀寫數(shù)據(jù)的方法：

如上圖所示，創(chuàng)建一個全局的環(huán)形緩沖區(qū)對象，由于是靜態(tài)全局變量，且沒有初始化，所以編譯器會用0去初始化，并放在未初始化數(shù)據(jù)段，讀寫事件都是在操作這個全局的環(huán)形緩沖區(qū)。

此時，輸入子系統(tǒng)已經(jīng)具有了上圖所示結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的操作方法，輸入子系統(tǒng)的層就完成了，到目前位置絲毫沒有提及到和STM32F103ZE開發(fā)板有關(guān)的內(nèi)容，連一句相關(guān)的代碼也沒有，實現(xiàn)了應(yīng)用層和硬件的解耦。

?設(shè)備層

此時輸入子系統(tǒng)中的上層部分已經(jīng)完成了，還需要處理輸入子系統(tǒng)設(shè)備層，這里本喵僅實現(xiàn)按鍵輸入設(shè)備：

如上圖所示，在gpio_key.h中定義了兩個按鍵的編號，之后直接使用即可。

如上圖所示，在gpio_key.c中實例化出一個按鍵對象，并進(jìn)行初始化，賦值設(shè)備名，初始化函數(shù)等，還要提供一個增加按鍵設(shè)備的函數(shù)AddInputDeviceGPIOKey供應(yīng)用層在初始化所有設(shè)備時候調(diào)用。

• 對于裸機(jī)程序，事件獲取方法不用注冊到設(shè)備隊列中，而是在后面中斷函數(shù)中調(diào)用。

此時，已經(jīng)實現(xiàn)了按鍵的設(shè)備層，包括按鍵設(shè)備的實例化，按鍵設(shè)備的初始化方法，以及增加按鍵設(shè)備的方法。

? 內(nèi)核層抽象層

本喵想讓這個系統(tǒng)支持多個系統(tǒng)，包括裸機(jī)，F(xiàn)reeRTOS，RT-Thread，甚至是Linux，這里將裸機(jī)也看作是一種內(nèi)核。

不同內(nèi)核下的數(shù)據(jù)來源：

• 裸機(jī)：數(shù)據(jù)來自中斷，在中斷中解析數(shù)據(jù)并放入環(huán)形緩沖區(qū)。
• RTOS：創(chuàng)建任務(wù)，在任務(wù)中解析數(shù)據(jù)并放入環(huán)形緩沖區(qū)。

內(nèi)核抽象層中，根據(jù)不同的內(nèi)核對按鍵進(jìn)行初始化，本喵這里僅實現(xiàn)裸機(jī)的按鍵初始化：

如上圖，初始化按鍵的時候，調(diào)用KAL_GPIOKeyInit，在函數(shù)內(nèi)部再調(diào)用不同內(nèi)核對按鍵的初始化函數(shù)，對于裸機(jī)則調(diào)用芯片層的CAL_GPIOKinit函數(shù)進(jìn)行初始化，如果是RTOS，則僅需要將該函數(shù)改成對應(yīng)的初始化函數(shù)即可。

• 設(shè)備抽象層調(diào)用的是該層的KAL_GPIOKeyInit，根本不關(guān)心具體的實現(xiàn)邏輯。

在描述輸入事件的結(jié)構(gòu)體InputEvent中有一個time成員變量用來記錄事件發(fā)生的事件，而這個時間在不同的內(nèi)核中表現(xiàn)方式不同，所以在內(nèi)核抽象層需要實現(xiàn)獲取時間的函數(shù)。

如上圖，在使用的時候，直接調(diào)用內(nèi)核抽象層的KAL_GetTime獲取時間即可，在該函數(shù)內(nèi)部，根據(jù)具體的獲取方式調(diào)用對應(yīng)的函數(shù)。

如本喵使用的STM32F103ZET6是通過滴答定時器來獲取時間的，需要獲取芯片中寄存器的值，所以要調(diào)用CAL_GetTime從芯片獲取時間。

對于Linux，它在系統(tǒng)內(nèi)部會記錄著時間，此時就可以直接返回時間，不用再向下調(diào)用。

此時，內(nèi)核抽象層也實現(xiàn)了，設(shè)備層會調(diào)用內(nèi)核抽象層的初始化函數(shù)。

?芯片抽象層

項目的最終實現(xiàn)需要依托具體的芯片，本喵用的STM32F103ZET6是支持HAL庫的，但是也有一些芯片并沒有HAL庫，需要用它自己的庫來操作，所以在這一層要實現(xiàn)對不同類型芯片的支持。

如上圖，在芯片抽象層會調(diào)用CAL_GPIOKeyInit來初始化按鍵，在函數(shù)內(nèi)部根據(jù)不同的芯片再調(diào)用它對應(yīng)的初始化函數(shù)，如ST芯片就調(diào)用KEY_GPIO_ReInit。

同樣，不同芯片獲取時間的方式也不同，這里也要實現(xiàn)針對不同芯片獲取時間的方式：

如上圖所示，從芯片寄存器中獲取時間的時候，對于ST芯片，調(diào)用HAL_GetTick獲取即可，對于其他芯片，放入對應(yīng)的獲取方式即可。

此時芯片抽象層也實現(xiàn)了，內(nèi)核抽象層會調(diào)用該層的CAL_GPIOKeyInit初始化按鍵。

?硬件操作

本喵使用的是STM32F103ZET6芯片，使用CubeMX和HAL庫進(jìn)行按鍵初始化，在初始化的時候，要在中斷函數(shù)中進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的讀取，并放入環(huán)形緩沖區(qū)中。

如上圖，在driver_key.h中進(jìn)行一些芯片的資源定義，方便后面使用。

如上圖，使用HAL庫對按鍵進(jìn)行初始化，在按鍵中斷函數(shù)中處理輸入事件InputEvent并且放入到環(huán)形隊列中

此時，具體芯片的硬件配置也設(shè)置好了，輸入子系統(tǒng)中按鍵設(shè)備就完全寫好了。

如上圖，現(xiàn)在整個代碼結(jié)構(gòu)是這樣，其中智能家居項目部分全部放在了smartdevice文件夾中，包含輸入子系統(tǒng)的應(yīng)用層，設(shè)備抽象層，內(nèi)核抽象層，芯片抽象層。

其余部分是通過CubeMX進(jìn)行的基本外設(shè)配置，整個輸入子系統(tǒng)中，只有在硬件操作的時候會用到這里的配置，其余四層都是獨立的，不存在耦合。

??按鍵單元測試

?串口

為了觀察按鍵按下后的現(xiàn)象，使用串口將發(fā)生的輸入事件InputEvent打印出來，此時串口配置并不屬于我們實現(xiàn)的輸入子系統(tǒng)，只是一個調(diào)試工具，直接使用HAL庫配置就可以。

如上圖所示是串口的頭文件，只包含串口的使能和失能函數(shù)聲明。

如上圖所示是串口的具體配置函數(shù)，這里同樣需要一個環(huán)形緩沖區(qū)，這里本喵就不展示它的實現(xiàn)了，后面本喵會放源碼。

在調(diào)用EnableDebugIRQ打開串口后，在向串口發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，直接調(diào)用printf即可，因為printf底層會調(diào)用fputc函數(shù)，所以需要在這里將fput重定向，使得printf符合我們的要求。

在fputc中，先將發(fā)送完成標(biāo)志清0，然后調(diào)用HAL庫的中斷發(fā)送函數(shù)發(fā)送一個字節(jié)，當(dāng)發(fā)送完成標(biāo)志位為0時就一直等待，說明沒有發(fā)送完成。這個字節(jié)發(fā)送完成以后，會進(jìn)入串口的發(fā)送中斷回調(diào)函數(shù)，在中斷函數(shù)中將發(fā)送標(biāo)志位置1，讓fputc退出循環(huán)等待。printf發(fā)送多個字節(jié)就調(diào)用多次fputc。

在獲取串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)時，直接調(diào)用scanf即可，因為scanf底層會調(diào)用fgetc函數(shù)，所以也需要重定向fgetc函數(shù)，使得scanf符合我們的要求。

當(dāng)串口上有數(shù)據(jù)到來時，會發(fā)生串口中斷，通過判斷SR寄存器的第五位確定是接收到了數(shù)據(jù)，并且將接收到的數(shù)據(jù)放入到環(huán)形緩沖區(qū)中。fgetc直接從環(huán)形緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。

• 為了像在PC端一樣使用標(biāo)準(zhǔn)庫中的printf和scanf，必須重新實現(xiàn)fputc和fgetc函數(shù)，讓終端變成串口，符合我們的要求。

?測試

為了看我們設(shè)計的輸入子系統(tǒng)是否正確，需要專門寫一個單元測試函數(shù)來測試一下：

如上圖所示，將按鍵設(shè)備添加到輸入子系統(tǒng)中，然后進(jìn)行初始化，在while(1)循環(huán)中讀取輸入事件，并通過串口打印輸入事件的信息。

在main函數(shù)中調(diào)用該測試函數(shù)，通過串口調(diào)試助手查看打印信息：

如上圖，將板子的串口和電腦連在一起后，通過串口調(diào)試助手可以看到，當(dāng)按鍵1或者按鍵2按下后，會打印出發(fā)生的事件信息，包括事件類型，發(fā)生事件，按鍵編號，以及按鍵值，說明設(shè)計的輸入子系統(tǒng)是成功的。

??源碼

這部分代碼是在OLED代碼的基礎(chǔ)上寫的，包含源碼以及串口調(diào)試工具，需要的小伙伴自取傳送門。

??總結(jié)

這篇文章實現(xiàn)了智能家居項目中輸入子系統(tǒng)中的按鍵設(shè)備，最重要的是介紹的代碼框架和編程思想，之后的項目部分都會按照這個思路來擴(kuò)展維護(hù)。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-718357.html

到了這里，關(guān)于【智能家居項目】裸機(jī)版本——項目介紹 | 輸入子系統(tǒng)(按鍵) | 單元測試的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY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)！