HC-SR04超声波模块

工作原理参考： 超声波模块_star-air的博客-CSDN博客_超声波模块 https://blog.csdn.net/qq_41262681/article/details/95940707

使用超声波测距的操作步骤：

• 触发：向T（脉冲触发引脚）发出一个大约10us的高电平。
• 模块就自动发出8个40Khz的超声波，超声波遇到障碍物后反射回来，模块收到返回来的超声波。
• 回响：模块接收到反射回来的超声波后，Echo引脚输出一个与检测距离成比例的高电平。
• 计算距离原理： 时间 x 速度 = 距离，获取echo引脚维持高电平的时间就可以知道时间T，声速大概340m/s, 由此可计算出距离。

编程实现的两种方法：

• 顺序执行，通过死等计算高电平时间

  伪代码：
  disable_irq();
  while(Echo == 0);      /* 等待变为高电平 */
  while (Echo)      /* 等待变为低电平和计算高电平时间 */
  {
      udelay(1)
      us++;
  }
  enable_irq();
  

• 利用中断计算

  设置Echo引脚为双边沿触发，在上升沿触发中断时记录此刻时刻T0，在下降沿触发中断时记录时刻T1
  高电平时间 = T1 - T0
  
  内核中获取时间的API ：
  ktime_get_ns();          // 获取内核启动到现在的时间，在挂起时会暂停
  ktime_get_boottime_ns(); // 获取内核启动到现在的时间，不受挂起影响，是绝对时间
  ktime_get_real_ns();     // 获取Unix时间(1970年)到现在的时间，可能涉及闰秒更新，用得比较少
  ktime_get_raw_ns();      // 类似ktime_get_ns(),不涉及闰秒更新，用得比较少
  

  参考文档：https://www.kernel.org/doc/html/latest/core-api/timekeeping.html#c.ktime_get_ns

驱动实现

1、设备树编写

imx6ull-mmc-npi.dts

根节点下添加HC-SR04的节点：

hc_sr04 {
        compatible = "hc_sr04";
        pinctrl-names = "default";
         pinctrl-0 = <&pinctrl_sr04_1
                     &pinctrl_sr04_2>;
        trig-gpios = <&gpio1 4 GPIO_ACTIVE_HIGH>;   
        echo-gpios = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        status = "okay"; 
    };

• trig-gpios，触发引脚定义
• echo-gpios，接收信号引脚
• status ，可设置为"okay"或"disabled"，表示启用或者禁用，当其他模块需要使用该gpio，可以直接将状态设置为disabled就可以取消占用，其他模块就可以使用该gpio

设备树编译：

ares@ubuntu:~/work/ebf_linux_kernel-ebf_4.19.35_imx6ul$ cat make_dtb.sh
#!/bin/sh

make ARCH=arm -j4 CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs

将设备树拷贝系统目录：

debian@npi:~/nfs_root/driver$ cat cp_dtb_to_linux.sh
#!/bin/sh

sudo cp imx6ull-mmc-npi.dtb /usr/lib/linux-image-4.19.35-carp-imx6/

• /usr/lib/linux-image-4.19.35-carp-imx6/  ，系统存放设备树的目录

重启系统设备树生效：

sudo reboot

2、驱动编写

头文件数据结构：

#include<linux/init.h>
#include<linux/module.h>
#include<linux/fs.h>
#include<linux/cdev.h>
#include<linux/uaccess.h>
#include<linux/types.h>
#include<linux/kernel.h>
#include<linux/delay.h>
#include<linux/ide.h>
#include<linux/errno.h>
#include<linux/gpio.h>
#include<asm/mach/map.h>
#include<linux/of.h>
#include<linux/of_address.h>
#include<linux/of_gpio.h>
#include<asm/io.h>
#include<linux/device.h>
#include<linux/timer.h>
// #include 
#include<linux/jiffies.h>
#include<linux/platform_device.h>
#include<linux/of_irq.h>
#include<linux/wait.h>
#include<linux/sched/signal.h>
#include<linux/poll.h>
// #include 
#include<linux/atomic.h>

#define HC_SR04_DTS_NAME    "hc_sr04"

#define DEV_NAME            "hc-sr04"

#define USE_GPIO_LIB        0

structhc_sr04 {
int irq;                        /* 中断号 */
enumof_gpio_flagsflag;
structgpio_desc *trig_gpio;/* trig-gpio */
structgpio_desc *echo_gpio;/* echo-gpio */
dev_t dev_no;                   /* 设备号 */
structcdevchrdev;
structclass *class;
structmutexm_lock;
wait_queue_head_t  wq;          /* 等待队列 */
};

staticstructhc_sr04sr04;
staticint sr04_trig_gpio;
staticint sr04_echo_gpio;
staticint sr04_data_ns = 0;

两种方式实现一致的地方：

staticatomic_t sr04_atomic = ATOMIC_INIT(1);   /*  定义原子变量 */

/* 使设备只能被一个进程打开 */
staticint _drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
if (!atomic_dec_and_test(&sr04_atomic))  {
atomic_inc(&sr04_atomic);
return  -EBUSY;               /*  已经打开 */
    }

    gpio_direction_input(sr04_echo_gpio);   
    gpio_direction_output(sr04_trig_gpio, 0);

return0;
}

/* 使驱动支持多路复用IO */
static__poll_t _drv_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{
__poll_t mask = 0;

// // wait_event_interruptible
// mutex_lock(&sr04.m_lock);

// poll_wait(filp, &sr04.wq, wait); 

// if (sr04_val)
// {
//     mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
// }

// mutex_unlock(&sr501.m_lock);

return mask;
}

staticint _drv_release(struct inode *node, struct file *file)
{
atomic_set(&sr04_atomic, 1);      /* 释放时设置原子变量值为1 */
    printk("hc-sr04 release\n");
return0;
}


staticstructfile_operationssr04_drv_ops = { 
    .owner    = THIS_MODULE,
    .open   = _drv_open,
    .read   = _drv_read,
    .poll   = _drv_poll,
    .release = _drv_release,
};

/* 设备树的匹配列表 */
staticstructof_device_iddts_match_table[] = {
    {.compatible = HC_SR04_DTS_NAME, },                     /* 通过设备树来匹配 */
};

staticstructplatform_driver _platform_driver = {
      .probe = _driver_probe,
      .remove = _driver_remove,
      .driver = {
        .name = HC_SR04_DTS_NAME,
        .owner = THIS_MODULE,
        .of_match_table = dts_match_table,         /* 通过设备树匹配 */
      },
};

/* 入口函数 */
staticint __init _driver_init(void)
{
int ret;
    printk("hc-sr04 %s\n", __FUNCTION__);

    ret = platform_driver_register(&_platform_driver);   //注册platform驱动
return ret;
}

/*  出口函数 */
staticvoid __exit _driver_exit(void)
{
    printk("hc-sr04  %s\n", __FUNCTION__);
    platform_driver_unregister(&_platform_driver);
}

module_init(_driver_init);
module_exit(_driver_exit);

MODULE_AUTHOR("Ares");
MODULE_LICENSE("GPL");

方式1

staticssize_t _drv_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
int ret;
int time_us = 0;
int timeout = 1000000;

unsignedlong flags;
/* 中断屏蔽 */
    local_irq_save(flags);

/* 启动触发信号 */
    gpio_set_value(sr04_trig_gpio, 1);  
    udelay(40);
    gpio_set_value(sr04_trig_gpio, 0); 

/* 等接收信号GPIO变为高电平*/
while (gpio_get_value(sr04_echo_gpio)==0 && timeout)   
    {
        udelay(1);
        timeout--;
    }   
if (timeout == 0) 
    {
        local_irq_restore(flags);
return -EAGAIN;
    }

    timeout = 1000000;
while (gpio_get_value(sr04_echo_gpio)==1 && timeout)  
    {
        udelay(1);  
        time_us++;                                /* 计算信号高电平时间 */
        timeout--;                                /* 超时计算 */
    }

if (timeout == 0) 
    {
        printk("timeout 2\r\n");
        local_irq_restore(flags);
return -EAGAIN;   
    }    

/* 恢复中断 */
    local_irq_restore(flags);

    size = size > 4 ? 4 : size;
if (copy_to_user(buf, &time_us, size))     /* 将获取的时间拷贝到用户空间 */
    {
        ret = -EFAULT;
    } 
else
    {
        ret = size;
    }

return ret;
}

• 需要注意在死等的时候要加超时机制返回，否则等不信号时系统就会卡死

方式2

与普通死等获取的方式不同的是

• 使用中断方式，在_drv_read中只会发起启动信号
• 在中断函数hc_sr04_isr中获取超声波时间
• 在_driver_probe申请中断：request_irq(sr04.irq, hc_sr04_isr, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, DEV_NAME, NULL);
• 在_driver_remove中记得要释放中断，否则下次再insmod内核模块就使用不了该中断，必须要重启系统

staticssize_t _drv_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
int ret;
int timeout;

unsignedlong flags;
/* 中断屏蔽 */
    local_irq_save(flags);
/* 启动触发信号 */
    gpio_set_value(sr04_trig_gpio, 1);  //gpiod_set_value(sr04.trig_gpio, 1);
    udelay(40);
    gpio_set_value(sr04_trig_gpio, 0);//gpiod_set_value(sr04.trig_gpio, 0);    
/* 恢复中断 */
    local_irq_restore(flags);

    timeout = wait_event_interruptible_timeout(sr04.wq, sr04_data_ns, HZ);      /* wait 1 sec */
if (!timeout) return -EAGAIN;

if (copy_to_user(buf, &sr04_data_ns, size > 4 ? 4 : size)) 
    {
        ret = -EFAULT;
    } 
else
    {
        ret = size;
    }
    sr04_data_ns = 0;
return ret;
}

staticirqreturn_thc_sr04_isr(int irq_num, void *dev)
{
if (gpio_get_value(sr04_echo_gpio))
    {
        sr04_data_ns = ktime_get_ns();
    }
else
    {
        sr04_data_ns = ktime_get_ns() - sr04_data_ns;
        wake_up(&sr04.wq);                             /* 唤醒等待队列中进入休眠的进程 */
    }

return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);   
}

staticint _driver_probe(struct platform_device *pdev)
{ 
int err;
structdevice *sr04_dev;

structdevice_node *node = pdev->dev.of_node;

if (!node) {          
        printk("hc-sr501 dts node can not found!\r\n");    
return -EINVAL; 
    }

#if USE_GPIO_LIB
    sr04.trig_gpio = gpiod_get(&pdev->dev, "trig", GPIOD_OUT_LOW);
if (IS_ERR(sr04.trig_gpio)) {              
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to get trig-gpio for hc-sr04\n");             
return PTR_ERR(sr04.trig_gpio);      
    }

    sr04.echo_gpio = gpiod_get(&pdev->dev, "echo", GPIOD_IN);
if (IS_ERR(sr04.echo_gpio)) {              
        dev_err(&pdev->dev, "Failed to get trig-gpio for hc-sr04\n");     
        gpiod_put(sr04.trig_gpio);           /* 释放trig-gpio */
return PTR_ERR(sr04.echo_gpio);      
    }
#else
structdevice_node *dev_node = of_find_node_by_path("/hc_sr04");       /* 找到hc-sr04的设备树节点  */
if (IS_ERR(dev_node)) {          
        printk("hc-sr04 DTS Node not found!\r\n"); 
return PTR_ERR(dev_node); 
    }

    sr04_trig_gpio = of_get_named_gpio(dev_node, "trig-gpios", 0);   /* 获取trig-gpio的编号 */
if (sr04_trig_gpio < 0) {
        printk("trig-gpio not found!\r\n"); 
return -EINVAL;
    }

    err = gpio_request(sr04_trig_gpio, "trig-gpios");  
if(err) 
    {
        printk("gpio_request trig-gpios is failed!\n");
return -EINVAL;
    }

    sr04_echo_gpio = of_get_named_gpio(dev_node, "echo-gpios", 0);   /* 获取echo-gpio的编号 */
if ( sr04_echo_gpio < 0) {
        printk("echo-gpio not found!\r\n"); 
return -EINVAL;
    }
    err = gpio_request(sr04_echo_gpio, "echo-gpios");  
if(err) 
    {
        gpio_free(sr04_trig_gpio);
        printk("gpio_request echo-gpios is failed!\n");
return -EINVAL;
    }

    printk("trig-gpio %d  echo-gpio %d\n", sr04_trig_gpio, sr04_echo_gpio);

    sr04.irq = gpio_to_irq(sr04_echo_gpio);
#endif

    err = request_irq(sr04.irq, hc_sr04_isr, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, DEV_NAME, NULL);    /* 申请中断 */
if (err) {
        printk(KERN_INFO"failed to request irq %d\r\n", sr04.irq);
        gpio_free(sr04_trig_gpio);
        gpio_free(sr04_echo_gpio);
return err;
    }
/* 内核自动分配设备号 */
    err = alloc_chrdev_region(&sr04.dev_no, 0, 1, DEV_NAME);        
if (err < 0) {
        pr_err("Error: failed to register mbochs_dev, err: %d\n", err);
return err;
    }

    cdev_init(&sr04.chrdev, &sr04_drv_ops);

    cdev_add(&sr04.chrdev, sr04.dev_no, 1);

    sr04.class = class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);
if (IS_ERR(sr04.class)) { 
        err = PTR_ERR(sr04.class);
goto failed1;
    }

/* 创建设备节点 */
    sr04_dev = device_create(sr04.class , NULL, sr04.dev_no, NULL, DEV_NAME); 
if (IS_ERR(sr04_dev)) {       /* 判断指针是否合法 */
        err = PTR_ERR(sr04_dev);
goto failed2;
    }

    init_waitqueue_head(&sr04.wq);     /* 初始化等待队列头  */
    mutex_init(&sr04.m_lock);                 /* 初始化互斥锁  */

    printk("hc-sr04 probe success\r\n");
return0;
failed2:
    device_destroy(sr04.class, sr04.dev_no);
    class_destroy(sr04.class);
failed1:
    unregister_chrdev_region(sr04.dev_no, 1);
    cdev_del(&sr04.chrdev);
#if USE_GPIO_LIB
    gpiod_put(sr04.echo_gpio);           /* 释放echo-gpio*/
    gpiod_put(sr04.trig_gpio);           /* 释放trig-gpio*/
#else
    gpio_free(sr04_trig_gpio);
    gpio_free(sr04_echo_gpio);
#endif
return err;
}

staticint _driver_remove(struct platform_device *pdev)
{
    device_destroy(sr04.class, sr04.dev_no);
    class_destroy(sr04.class);
    unregister_chrdev_region(sr04.dev_no, 1);
    cdev_del(&sr04.chrdev);
    free_irq(sr04.irq, NULL);             /* 释放中断*/
#if USE_GPIO_LIB
    gpiod_put(sr04.echo_gpio);           /* 释放echo-gpio*/
    gpiod_put(sr04.trig_gpio);           /* 释放trig-gpio*/
#else
    gpio_free(sr04_trig_gpio);
    gpio_free(sr04_echo_gpio);
#endif
    printk(KERN_INFO"hc-sr04 drv remove success\n");

return0;
}

3、测试程序编写

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/ioctl.h>
#include<poll.h>

#define DEV_NAME   "/dev/hc-sr04"

voidsleep_ms(unsignedint ms)
{
structtimevaldelay;
    delay.tv_sec = 0;
    delay.tv_usec = ms * 1000; 
    select(0, NULL, NULL, NULL, &delay);
}

intmain(int argc, char **argv)
{
int fd;
int ret;

structpollfdfds[1];

/* 2. 打开文件 */
    fd = open(DEV_NAME, O_RDWR);   // | O_NONBLOCK

if (fd < 0)
    {
printf("can not open file %s, %d\n", DEV_NAME, fd);
return-1;
    }

int time_ns;
while (1)
    {
if ((ret = read(fd, &time_ns, 4)) == 4)
        {
printf("time %d ns %d ms, distance %d mm %d cm\r\n", time_ns, time_ns/1000000, time_ns*340/2/1000000, time_ns*340/2/1000000/10);
        }
else
        {
printf("not get time, err %d\r\n", ret);
        }
        sleep_ms(500);
    }
}

通过逻辑分析仪测量获取时间是否准确