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第022课 传感器
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=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。 [[File:chapter22_lesson1_001.png|800px]] 这个电路图有点绕,画一个示意图如下: [[File:chapter22_lesson1_002.png|800px]] 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: <syntaxhighlight lang="c" > 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; } </syntaxhighlight> 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: <syntaxhighlight lang="c" > 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; } </syntaxhighlight> 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。 <syntaxhighlight lang="c" > 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(); } </syntaxhighlight> 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: [[File:chapter22_lesson1_003.png|800px]] 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: <syntaxhighlight lang="c" > /* 配置GPG7为中断引脚, 用于光敏电阻 */ GPGCON &= ~((3<<14)); GPGCON |= ((2<<14)); </syntaxhighlight> 然后设置中端触发方式:双边沿触发 <syntaxhighlight lang="c" > /* 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 */ </syntaxhighlight> 最后再使能中断: <syntaxhighlight lang="c" > /* 使能中断GPG7/EINT15, 用于光敏电阻 */ EINTMASK &= ~((1<<15)); </syntaxhighlight> 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。 <syntaxhighlight lang="c" > 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"); } } </syntaxhighlight> 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: <syntaxhighlight lang="c" > 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 */ </syntaxhighlight> 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): [[File:chapter22_lesson2_001.png|700px]] <syntaxhighlight lang="c" > /* 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; } } </syntaxhighlight> 然后时ms延时函数: <syntaxhighlight lang="c" > void mdelay(int m) { udelay(m*1000); } </syntaxhighlight> 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。 <syntaxhighlight lang="c" > 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); } } </syntaxhighlight> 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: [[File:chapter22_lesson3_001.png|700px]] 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: [[File:chapter22_lesson3_002.png|700px]] 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: [[File:chapter22_lesson3_003.png|700px]] 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? [[File:chapter22_lesson3_004.png|700px]] [[File:chapter22_lesson3_005.png|700px]] 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: <syntaxhighlight lang="c" > 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); } </syntaxhighlight> 再设置输出电平或读取引脚数据: <syntaxhighlight lang="c" > 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; } </syntaxhighlight> 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: <syntaxhighlight lang="c" > void dht11_init(void) { dht11_data_cfg_as_output(); dht11_data_set(1); mdelay(2000); } </syntaxhighlight> 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。 <syntaxhighlight lang="c" > static void dht11_start(void) { dht11_data_set(0); mdelay(20); dht11_data_cfg_as_input(); } </syntaxhighlight> 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。 <syntaxhighlight lang="c" > static int dht11_wait_ack(void) { udelay(60); return dht11_data_get(); } </syntaxhighlight> 再写个延时函数,用于时序中的,等待响应信号结束: <syntaxhighlight lang="c" > 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 */ } </syntaxhighlight> 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。 <syntaxhighlight lang="c" > 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; } </syntaxhighlight> =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: [[File:chapter22_lesson6_001.png|700px]] 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: [[File:chapter22_lesson6_002.png|700px]] 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。 [[File:chapter22_lesson6_003.png|700px]] 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? [[File:chapter22_lesson6_004.png|700px]] 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。 [[File:chapter22_lesson6_005.png|700px]] 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: [[File:chapter22_lesson6_006.png|700px]] 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: [[File:chapter22_lesson6_007.png|700px]] 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= =第008节_HS0038红外线接收器的编程_打印原始脉冲= =第009节_HS0038红外线接收器的编程_解析数据= ='''《《所有章节目录》》'''= <categorytree mode=all background*color:white;">ARM裸机加强版</categorytree> [[Category:ARM裸机加强版 ]] [[Category:Jz2440 ]] [[Category:Irda红外传感器]] [[Category:ds18b20温湿度传感器]] [[Category:光敏电阻传感器]]
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