第022课 传感器
目录
第001节_光敏电阻的使用
这节课我们开始讲的传感器，有光敏电阻、DH11温湿度传感器、DS18B20温度传感器、HS0038红外接收器。
首先介绍光敏电阻传感器。
光敏电阻有一个特点，就是它的阻值随光照强度变化而变化，
看一下它的原理图，R5是一个普通电阻，LAS1是光敏电阻，它们串联组成一个分压电路，
LAS1阻值变化，将会导致中间RES_AO测得的电压发生变化。
这个电路图有点绕，画一个示意图如下：
使用ADC测量A点的电压，可以得知LAS1的变化情况，这里的测量是一个模拟信号。
现在假如需要这个光敏系统在光照大于/小于某个值时，发出中断，怎么办呢？
这里就需要再加一个比较的电路，B处的电压是可调电阻得到的电压，可以通过调节电阻进行变化。A、B两个电压最后接在一个比较器的“正负端”，当A>B时，输出1，反之输出0。
通过调节可调电阻，可以实现对比较阈值的控制。
现在这个电路就即可得到模拟信号和数字信号。
现在就可以开始写程序了，复制前面024的代码为025_sensors，这是这一章的第一个项目，再创建个001_photoresistor文件夹，将代码都放进去。
再创建一个sensors文件夹用来放本课的所有传感器代码，然后再创建photoresistor文件夹放本节课代码，再在里面创建photoresistor.c。
在代码里面，我们要做两件事：
- 1.启动ADC，读出AIN1电压值；
- 2.注册中断，当光线强度超过或小于某个阈值时，产生中断；
打开工程里的adc代码，原来的adc_init，只初始化了adc0，现在我们要用AIN1，修改下代码，传入个参数就能初始化对应的AIN:
void adc_init(int channel)
{
/* [15] : ECFLG, 1 = End of A/D conversion
* [14] : PRSCEN, 1 = A/D converter prescaler enable
* [13:6]: PRSCVL, adc clk = PCLK / (PRSCVL + 1)
* [5:3] : SEL_MUX, 000 = AIN 0
* [2] : STDBM
* [0] : 1 = A/D conversion starts and this bit is cleared after the startup.
*/
ADCCON = (1<<14) | (49<<6) | (channel<<3);
ADCDLY = 0xff;
}
后面的adc_read_ain0只能读取AIN0的数据，现在修改一下，传入个通道参数，就能读取对应通道的ADC值：
int adc_read(int channel)
{
adc_init(channel);
/* 启动ADC */
ADCCON |= (1<<0);
while (!(ADCCON & (1<<15))); /* 等待ADC结束 */
return ADCDAT0 & 0x3ff;
}
修改了这两个函数，原来的adc_test函数里调用的adc读取函数也要对应进行修改。
参考这个adc_test，编写photoresistor_test函数。
需要修改的内容并不多，首先是修改adc_read参数，将通道0改为通道1。
然后我们想同时再把AIN0上的滑动电阻对应的电压也读出来，因此再做一次ADC0读取的操作。
void photoresistor_test(void)
{
int val, val0;
double vol, vol0;
int m, m0; /* 整数部分 */
int n, n0; /* 小数部分 */
//adc_init();
while (1)
{
val = adc_read(1);
vol = (double)val/1023*3.3; /* 1023----3.3v */
m = (int)vol; /* 3.01, m = 3 */
vol = vol - m; /* 小数部分: 0.01 */
n = vol * 1000; /* 10 */
val0 = adc_read(0);
vol0 = (double)val0/1023*3.3; /* 1023----3.3v */
m0 = (int)vol0; /* 3.01, m = 3 */
vol0 = vol0 - m0; /* 小数部分: 0.01 */
n0 = vol0 * 1000; /* 10 */
/* 在串口上打印 */
printf("photoresistor vol: %d.%03dv, compare to threshold %d.%03dv\r", m, n, m0, n0); /* 3.010v */
/* 在LCD上打印 */
//fb_print_string();
}
以上就完成了我们的第一个目标。
现在开始做第二个目标，注册中断放在interrupt.c里实现。
硬件上RES_DO是EINT15。我们可以仿照之前的按键中断来编写本次的中断。
先分析一下中断，如图：
GPG7作为中断引脚，它会先经过外部中断EINTMASK寄存器，才能进入到中断控制器。
所以，需要做以下操作：
- ①首先初始化：
- a.GPG7配置为中断引脚；
- b.设置中端触发方式：双边沿触发；
- c.设置EINTMASK使能中断；
- ②中断处理：
- a.分辨：读EINTPEND;
- b.读GPG7；
在原来的key_eint_init函数里配置GPG7为中断引脚:
/* 配置GPG7为中断引脚, 用于光敏电阻 */
GPGCON &= ~((3<<14));
GPGCON |= ((2<<14));
然后设置中端触发方式：双边沿触发
/* 设置中断触发方式: 双边沿触发 */
EXTINT0 |= (7<<0) | (7<<8); /* S2,S3 */
EXTINT1 |= (7<<12); /* S4 */
EXTINT2 |= (7<<12); /* S5 */
最后再使能中断：
/* 使能中断GPG7/EINT15, 用于光敏电阻 */
EINTMASK &= ~((1<<15));
修改key_eint_irq中断处理函数，先判断是哪个中断产生，再读取电平，打印。
else if (val & (1<<15)) /* eint15, 用于光敏电阻 */
{
if (val2 & (1<<7))
{
printf("\n\rphotoresistor dark!\n\r");
}
else
{
printf("\n\rphotoresistor light!\n\r");
}
}
至此，代码就写完了，最后还要修改对应的Makefile和主函数。
第002节_高精度延时函数
在后续我们对讲解多个传感器，这几个传感器对时序的要求都比较高，比如温湿度传感器DH11，查看芯片手册时序，至少就需要微秒级的延时函数。
延时函数的方式一般有两种:
- ①：使用for循环，利用示波器等工具测得精确值；
- ②：使用定时器，通过不断检测定时器的计数值获得精确时间；
使用for循环的方式，可能会因为硬件的差异，导致延时函数不准，因此这里我们使用定时器的方式。
打开之前的timers.c文件，修改timer_init函数的配置。
PCLK仍然等于50000000，将prescaler value改为4，divider value设置为2，
这样，每减1, 对应0.2us；每减5, 对应1us；从50000减到0，对应10ms。
修改对应的寄存器：
TCFG0 = 4; /* Prescaler 0 = 4, 用于timer0,1 */
TCFG1 &= ~0xf; /* MUX0 : 1/2 */
/* 设置TIMER0的初值 */
TCNTB0 = 50000; /* 10Ms中断一次 */
我们先写一个us延时的函数，然后ms延时就调用us即可。
因此，us延时函数里，尽量少调用函数。
假如现在要延时nus，我们先将n*5，得到nus对应的“计数时钟数”。
然后如果传入“计数时钟周期”如果大于0，则一直计算过去了多少个“计数时钟数”，与传入的“计数时钟数”相减，直到为零，退出循环，也就实现了延时nus。
怎样计算过去了多少个“计算周期”呢？
自然是当前的值，减去一开始进入函数的值。
但还有一种情况是定时器里的计数记到0时，会自动变成5000，计数计数，这时候，计算方式就变成了pre+(5000-cur)：
/* 尽量少调用函数 */
void udelay(int n)
{
int cnt = n * 5; /* u us 对应n*5个计数值 */
int pre = TCNTO0;
int cur;
int delta;
while (cnt > 0)
{
cur = TCNTO0;
if (cur <= pre)
delta = pre - cur;
else
delta = pre + (50000 - cur);
cnt = cnt - delta;
pre = cur;
}
}
然后时ms延时函数：
void mdelay(int m)
{
udelay(m*1000);
}
我们可以写一个测试函数，简单的测试下是否可用，测试函数隔1分钟进行打印一下。
如果us不准的话，放大至s，会有比较大的偏差，这样可以进行粗略的检测，精确检测可以使用示波器等工具。
void hrtimer_test(void)
{
int cnt = 0;
while (1)
{
printf("delay one min: ");
mdelay(60000); /* 延时1分钟 */
printf("%d\n\r", ++cnt);
}
}
前面延时里的计算还是比较耗费时间的，因此，我们尽量提高CPU的运行时钟，并且 将尽可能的启动icache、dcache和mmu。
此外，如果延时过程中，发生了中断，如果中断比较耗时的话，就会导致延时可能出现不准确，所以，我们可以延时之前关中断, 延时之后开中断；
课后作业:
- a. 禁止icache, 禁止mmu, 修改lds, 测试延时函数是否还准确；
- b. 测试延时之前关中断, 延时之后开中断；
第003节_DHT11温湿度传感器的使用
这节课开始讲解DH11温湿度传感器的使用，首先查看芯片手册，里面的典型应用电路如下：
MCU通过一条数据线与DH11连接，MCU通过这条线发命令给DH11，DH11再通过这条线把数据发送给MCU。
因此，温湿度模块的核心就是 MCU发给DH11的命令格式和DH11返回的数据格式。
再来先简单看一下通讯的时序：
灰色这条线是由MCU驱动控制的，浅色的部分是由DH11驱动控制的。
首先MCU发送一个开始信号，这个开始信号是一个低脉冲，然后再拉高。
然后，DH11拉低，做出一个响应信号，再拉高。
接着就是DH11返回的数据。
这些数据一共有40bit,高位先出。
数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和
且当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.
数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
DH11的难点是前面所说的时序脉冲,需要满足一定的时长.比如开始信号:
MCU必须先拉低至少18ms,然后再拉高20-40us,DH11再拉低80us以响应,最后再拉高80us.
接下来就是传输数据,我们的目的就是读到温湿度的数据,这些数据由DH11提供,那它怎么传回这些数据,怎么表示0和1呢?
可以看到，不管是0还是1，都开始是50us的低电平，
对于0数据，之后是26~28us的高电平；
对于1数据，之后是70us的高电平;
有了上面的知识，加上之前的高精度延时，现在就可以开始写程序了。
复制前面的第二个程序，文件名改为003_dht11_022_003，然后在sensors目录里新建dht11目录，再创建一个dht11.c文件。
我们的目的是，控制GPIO读取DHT11的数据，流程如下：
- 1. 主机发出至少18MS的低脉冲: start信号
- 2. start信号变为高, 20-40us之后, dht11会拉低总线维持80us，然后拉高80us: 回应信号
- 3. 之后就是数据, 逐位发送
- bit0 : 50us低脉冲, 26-28us高脉冲
- bit1 : 50us低脉冲, 70us高脉冲
- 4. 数据有40bit: 8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和
DH11的DATA引脚连接到了GPG5。
先实现GPIO的基本操作，配置GPIO模式，实现输出、输入引脚的功能：
static void dht11_data_cfg_as_output(void)
{
GPGCON &= ~(3<<10);
GPGCON |= (1<<10);
}
static void dht11_data_cfg_as_input(void)
{
GPGCON &= ~(3<<10);
}
再设置输出电平或读取引脚数据：
static void dht11_data_set(int val)
{
if (val)
GPGDAT |= (1<<5);
else
GPGDAT &= ~(1<<5);
}
static int dht11_data_get(void)
{
if (GPGDAT & (1<<5))
return 1;
else
return 0;
}
再来实现DHT11的读操作。
在芯片手册里介绍说，DH11传感器上电后，要等待1s，以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。
因此首先写一个初始化函数，跳过这个不稳定状态：
void dht11_init(void)
{
dht11_data_cfg_as_output();
dht11_data_set(1);
mdelay(2000);
}
根据start时序要求，编写程序，维持一个大于18ms的低电平，然后释放引脚，及设置为输入引脚即可。
因为该引脚接有上拉电阻，一旦MCU设置为输入，引脚电平将有上拉电阻决定。
static void dht11_start(void)
{
dht11_data_set(0);
mdelay(20);
dht11_data_cfg_as_input();
}
然后等待40us以上，再去读取引脚电平，判断是否被拉低，以确定DH11给了响应。
static int dht11_wait_ack(void)
{
udelay(60);
return dht11_data_get();
}
再写个延时函数，用于时序中的，等待响应信号结束：
static int dht11_wait_for_val(int val, int timeout_us)
{
while (timeout_us--)
{
if (dht11_data_get() == val)
return 0; /* ok */
udelay(1);
}
return -1; /* err */
}
后面的数据会有五个字节组成，这里先写出读取一个字节，每个字节要读取8位。
先等待直到高电平，过滤到共同的50us延时，然后延时28us以上，再读取引脚电平，
如果引脚电平是1，则数据是1，反之是0。
然后再直到低电平的到来，循环8次，完成一个字节数据的读取。
static int dht11_recv_byte(void)
{
int i;
int data = 0;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
if (dht11_wait_for_val(1, 1000))
{
printf("dht11 wait for high data err!\n\r");
return -1;
}
udelay(40);
data <<= 1;
if (dht11_data_get() == 1)
data |= 1;
if (dht11_wait_for_val(0, 1000))
{
printf("dht11 wait for low data err!\n\r");
return -1;
}
}
return data;
}
第004节_DS18B20温度传感器介绍
第005节_DS18B20温度传感器编程
第006节_红外线遥控协议简介及编程思路
本节开始讲解红外遥控器信号的接收和解码，视频分为三部分，每一部分都专注做一件事情，让每节视频更短一点。
红外遥控器的操作比前面的温度、温湿度传感器都要简单。
首先看一下原理图上的红外遥控接收器：
我们用遥控器对它按动的时候，它就可以接收到红外信号，然后把红外信号转换成电平信号，通过IRD这根线，传给SOC。
整个传输，只涉及单向传输，由HS0038向主芯片传送。
因此，我们只需要编写程序，从IRD上获取数据即可，在这之前，我们需要先了解下数据是怎么表示的，也就是传输的红外数据的格式。
红外协议有：NEC、SONY、RC5、RC6等，常用的就是NEC格式，因此我们主要对NEC进行讲解。
可以参考这个文章，直观的了解下NEC格式波形的样子：
https://www.cnblogs.com/openusb/archive/2010/01/07/1641357.html
在分析文章中的波形之前，我们先想象一下怎么在一条数据线上传输信号。
开始传输数据之前，一般都会发出一个start起始信号，通知对方我开始传输数据了，后面就是每一位每一位的数据。
NEC协议的开始是一段引导码：
这个引导码由一个9ms的低脉冲加上一个4.5ms的高脉冲组成，它用来通知接收方我要开始传输数据了。
然后接着的是数据，数据由4字节组成：地址、地址(取反)、数据、数据(取反)，这些取反是用来校验用的。
地址是指遥控器的ID，每一类遥控器的ID都不一样，数据就是遥控器上的不同按键。
从前面的图可以知道，NEC每次要发32位的数据，每一位用什么来表示0和1呢？
数据1和01，开始都是0.56ms的低脉冲，对于数据1，后面的高脉冲比较长，对于数据0，后面的高脉冲比较短。 可以看出，红外遥控器的数据表示方法是比较简单的。
我们长按一个按键，第一次按的时候，他会发出引导码，地址，地址取反，数据，数据取反。
接着由于长按，遥控器会发送一个不一样的引导码，这个引导码由9ms的低脉冲，2.25ms的高脉冲组成，表示现在按的还是上次一样的按键，然后再一直是引导码(重复)，直到松开。
在后面的调试中，发现以上并不是NEC协议的全部，打开bing国际版搜索“ir nec protocal”，得到一篇官方文章：http://techdocs.altium.com/display/FPGA/NEC+Infrared+Transmission+Protocol
里面的内容和前面文章基本一致，但这个更详细，发现每次数据传输完还有一个0.5625ms的低脉冲表示数据传输结束。
对于引导码(重复)也一样，也有一个0.5625ms的低脉冲表示传输结束。
大部分文章都漏掉了结束的低脉冲。
NEC协议里有很多时间，这些时间有一个有趣的现象，把所有时间里面最小的0.53ms看作基本脉冲宽度，假设用t表示，那么其它所有时间都是t的倍数：
我们可以看到对于所有的时间，最小的单位都是0.56ms，这个时间对人来说是非常短的，但对嵌入式系统它是非常非常长的了，足够我们做很多事情了，那么我们可以使用中断来处理这些数据。
并且对于红外遥控器来说，我们根本不知道用户什么时候按下遥控器，使用轮询的方式特别耗资源，因此直接使用中断来处理。
使用官方文档的时序图：
图中的脉冲方向正好相反，绿色表示低脉冲，白色表示高脉冲。
涉及内容：
- ①中断引脚设置为双边缘触发，在每一个脉冲变化的地方都会产生中断；
- ②发生中断时，计算当前中断与上次中断之间的时间差，就得到脉冲宽度，放入buffer，同时还要记录引脚极性；
- ③主循环从buffer取出数据，并解析时序；
我们可以估算下，每按下一次遥控器，会产生多少中断，2+32*2+1=67次。
中断发生时，将数据放入buffer，主函数从buffer取出数据，用什么数据结构来实现数据的存取？
最好的方式就是环形缓冲区，所谓环形缓冲区就是一边存储数据一边读取数据，下节课再详细讲解。
编程要点：
- ①中断
- ②系统时间
- ③环形缓冲区
- ④NEC解析
第007节_前期编程_系统时间与环型缓冲区
这节课实现两个小功能：系统时间和环形缓冲区。
在上一课的基础上添加代码，打开timer.c，前面的设置的定时器，每10ms产生一次中断，这里定义一个全局变量，来记录产生次数，
static unsigned int g_system_time_10ms_cnt = 0;
这里的类型选择使用unsigned int类型，2^32*10/1000/3600/24=497天，也就是说如果运行497天后，计数溢出，将会导致一些问题。
改为unsigned long long类型的话，2^64*10/1000/3600/24/365=5849424173年，这个时间就不怕溢出了，因此这里计数变量的类型为unsigned long long：
static unsigned long long g_system_time_10ms_cnt = 0;
在定时器中断timer_irq()函数里面让这个计数值每次加1：
g_system_time_10ms_cnt++;
以后我们就可以读取这个计数值，知道系统时间。
现在开始编写获取系统时间的函数，精度要求是us级别的，读取TCNTO0的值，再加上g_system_time_10ms_cnt的计数：
unsigned long long get_system_time_us(void)
{
unsigned long long us = (50000 - TCNTO0)/5;
return g_system_time_10ms_cnt * 10 * 1000 + us;
}
通过这个函数就知道上电到之后任何一个时刻，过去了多久。
再写一个函数计算两段时间之间的差值：
unsigned int delta_time_us(unsigned long long pre, unsigned long long now)
{
return (now - pre);
}
到此，系统时间相关函数就完成了。
首先介绍一下环形缓冲区，假设有一个数组char Buf[6]，它的结构如下：
定义一个读指针r=0，一个写指针w=0。
- 写数据：
buf[w] = val;
w = (w+1)%LEN = (w+1)%6;
- 读数据：
val = buf(r);
r = (r+1)%LEN;
如何判断buf是空：
r == w； //为空
如何判断buf是满：
(w+1)%LEN == r； //为满
读写指针，每到达最后面，就从0开始，就像一个圆环一样，因此得名环形缓冲区。
对于我们红外数据，保存的数据并不是char，而是一个结构体，里面含有脉冲宽度，引脚极性等。
在sensors文件下创建一个irda文件夹，里面创建irda_raw.h和circle_buffer.c，在irda_raw.h里定义一个数据结构体，包含极性和脉冲宽度：
#ifndef _IRDA_RAW_H
#define _IRDA_RAW_H
typedef struct irda_raw_event {
int pol; /* 极性 */
int duration; /* 脉冲宽度, us */
}irda_raw_event, *p_irda_raw_event;
#endif /* _IRDA_RAW_H */
然后在circle_buffer.c实现环形缓冲区。
先定义个irda_raw_event类型的g_events[]数组，这里大小设置为1024，
之前介绍过，每传一次irda，至少会传67次数据，因此这个buf要至少大于67行，再定义两个读写指针位置。
static irda_raw_event g_events[1024];
static int g_r = 0;
static int g_w = 0;
判断buf是否是空的函数：
static int is_ir_event_buf_empty(void)
{
return g_r = g_w;
}
判断buf是否是满的函数：
static int is_ir_event_buf_full(void)
{
return NEXT_PLACE(g_w) == g_r;
}
其中，(w+1)%LEN使用宏NEXT_PLACE(i)代替，宏的定义如下：
#define NEXT_PLACE(i) ((i+1)&0x3FF)
%的操作使用位&操作实现一样的效果。
然后是把数据放入缓冲区：
int ir_event_put(p_irda_raw_event pd)
{
if (is_ir_event_buf_full())
return -1;
g_events[g_w] = *pd;
g_w = NEXT_PLACE(g_w);
return 0;
}
先判断的缓冲区是否已满，没满的话就在写的位置放入数据，然后写位置再移动到下一个。
最后是读数据：
int ir_event_get(p_irda_raw_event pd)
{
if (is_ir_event_buf_empty())
return -1;
*pd = g_events[g_r];
g_r = NEXT_PLACE(g_r);
return 0;
}
先判断的缓冲区是否是空，没空的话就在读的位置读出数据，然后读位置移到到下一个。
修改Makefile，添加本次写的新文件。
