Linux外设驱动开发1 - 单总线驱动开发__dht11

设备树描述硬件 + 驱动解析协议 + 应用层处理数据

硬件信息由设备树描述，硬件操作由驱动实现，业务逻辑由应用处理

一、单总线介绍

1、单总线协议是一种巧妙的设计，它只用一根数据线（外加地线）就能实现设备间的双向通信

2、通信模式半双工，主从结构，所有信号由主机发起

3、关键优势布线极简、成本低、易于扩展、支持“寄生供电”主要局限带宽受限、时序要求严格、长距离传输需抗干扰

二、DHT11测温湿度传感器

1、基本信息

核心功能	同时测量环境温度和湿度
输出信号	单总线数字信号，与微控制器连接简单
测量范围	湿度：20% ~ 90% RH；温度：0℃ ~ 50℃
测量精度	湿度：±5% RH；温度：±2℃
分辨率	湿度：1% RH；温度：1℃
工作电压	3.3V ~ 5.5V，兼容常见的单片机逻辑电平
功耗	平均工作电流约0.5mA，功耗很低
引脚封装	常见为3针或4针单排引脚（4针款有一引脚悬空）

2、时序图

1）主机发送起始信号（总线空闲时状态是拉高）

• 步骤 1：主机将总线拉低 至少 18ms
  • 唤醒 DHT11，确保传感器检测到信号
• 步骤 2：主机释放总线（拉高），等待 20~40us
  • 给传感器准备响应的时间
• 步骤 3：主机将总线切换为输入模式，等待传感器响应

2）从机响应信号（传感器收到主机信号并答复）

• 步骤 1：传感器拉低总线 80us
  • 告诉主机 “已收到请求”
• 步骤 2：传感器拉高总线 80us
  • 告诉主机 “准备发送数据”

3）数据传输时序：

        传感器响应后，连续发送 40 位数据（高位在前），40 位数据的最后 8 位是 “校验和”，其值等于前 4 字节（32 位）之和，格式为：

[8 位湿度整数] + [8 位湿度小数] + [8 位温度整数] + [8 位温度小数] + [8 位校验和]

        通常校验：校验和 = 湿度整数 + 湿度小数 + 温度整数 + 温度小数

   单个 bit 的表示方式：    

• 数据 “0”：传感器拉低总线 50us左右，然后拉高总线 26~28us。
• 数据 “1”：传感器拉低总线 50us左右，然后拉高总线 68-74us。

4）完整时序图：

dht11 完整时序图

三、DHT11单总线外设驱动开发过程

1、设备树准备过程：

1. 修改设备树，添加传感器硬件描述配置（arch/arm/boot/dts/imx6ull-alientek-emmc.dts）
   1. 设备树的根节点或对应子系统节点下：添加设备节点
      1. 
   2. 设备树的iomuxc节点下：配置GPIO 引脚的 复用功能、电器特性
      1. 
2. 编译设备树
   1. make dtbs
3. 将编译好的（arch/arm/boot/dts/imx6ull-alientek-emmc.dtb）复制到tftpboot目录下
   1. tftpboot：利用TFTP协议实现开发板的远程文件加载
      1. TFTP（简单文件传输协议）：是一种基于 UDP 的轻量级协议，专为嵌入式开发设计，支持无认证的文件下载 / 上传，常用于开发板的远程启动和文件更新。
      2. 目录作用：开发板（如 IMX6ULL）在启动阶段（如 U-Boot 环境下），可通过网络从tftpboot目录下载所需文件，无需依赖本地存储（如 SD 卡、NAND Flash），极大提升开发调试效率。

2、代码大体框架：

• dht11_app（应用层程序）
  • dht11_app.c
  • makefile
• dht11_drv（驱动层程序）
  • dht11_drv.c
  • makefiel
• makefie

1）dht11_app（应用层程序）

• dht11_app.c

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

int main(void)
{
  int fd = 0;
  ssize_t nret = 0;
  unsigned char data[4] = {0};
  char hum[8] = {0};
  char temp[8] = {0};

  //名字别错了
  fd = open("/dev/dht11", O_RDWR);
  if (-1 == fd)
  {
    perror("fail to open");
    return -1;
  }

  while (1)
  {
    nret = read(fd, data, sizeof(data));
    if (4 == nret)
    {
      sprintf(hum, "%d.%d", data[0], data[1]);
      sprintf(temp, "%d.%d", data[2], data[3]);
      printf("temp = %s, hum = %s\n", temp, hum);
    }

    sleep(2);
  }

  close(fd);

  return 0;
}

• makefile

modulename:=dht11_app

cc:=arm-linux-gnueabihf-gcc

#$()引用变量或调用函数
$(modulename):$(modulename).c
    $(cc) $^ -o $@
    cp $(modulename) ~/nfs/imx6/rootfs

#将可执行文件复制到该目录下

.PHONY:
clean:
    rm $(modulename) -r
distclean:
    rm $(modulename) -r
    rm ~/nfs/imx6/rootfs/$(modulename) -r

2）dht11_drv（驱动层程序）

• dht11_drv.c

#include <asm/delay.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include "asm-generic/gpio.h"
#include "asm/gpio.h"
#include "linux/mod_devicetable.h"
#include "linux/nodemask.h"
#include "linux/printk.h"

static int gpio_dht11 = 0;
extern void msleep(unsigned int msecs);

// -7.1- MCU发送复位函数(启动信号)
static void dht11_reset(void)
{
  /* "敲门告诉传感器,我要准备读数据"
  1.初始化GPIO为输出模式并置高
  2.主机拉低总线，发送起始信号
  3.保持低电平至少18ms
  4.主机释放总线，等待传感器响应*/

  gpio_direction_output(gpio_dht11, 1);//设置刚开始是空闲拉高状态
  gpio_set_value(gpio_dht11, 0);
  msleep(20);
  gpio_set_value(gpio_dht11, 1);

  return;
}

// -7.2- 检测传感器是否响应MCU (先拉低80微秒,在拉高80微秒)
static int recv_dht11_respone(void)
{
  int timeout = 0;

  gpio_direction_input(gpio_dht11);  // GPIO引脚设置为输入模式，准备读取传感器信号

  timeout = 0;
  while (gpio_get_value(gpio_dht11) && timeout <= 10)  //等待DHT11将数据线拉低(100微秒) &&逻辑与不是按位与
  {
    udelay(10);  //微秒
    timeout++;
  }
  if (timeout > 10)  //超时未处理,失败返回
  {
    return -1;
  }
  while (!gpio_get_value(gpio_dht11));  //等待结束低电平
  while (gpio_get_value(gpio_dht11));  //等待结束高电平

  return 0;
}

// -7.3-
static unsigned char recv_dht11_byte(void)
{
  int cnt = 0;
  //在计算机内部本身就是以二进制形式存储
  unsigned char value = 0;
  int n = 0;

  gpio_direction_input(gpio_dht11);

  for (n = 7; n >= 0; n--)
  {
    while (!gpio_get_value(gpio_dht11));

    cnt = 0;
    while (gpio_get_value(gpio_dht11))
    {
      udelay(10);
      cnt++;
    }

    // value的初始状态是0,当判断出某位是1时,才需要进行对应某位进行"或"
    if (cnt > 5)
    {
      value |= (0x1 << n);
    }
  }
  return value;
}

static void recv_dht11_data(unsigned char *pdata)
{
  //湿度整数部分
  pdata[0] = recv_dht11_byte();
  //湿度小数部分
  pdata[1] = recv_dht11_byte();
  //温度整数部分
  pdata[2] = recv_dht11_byte();
  //温度小数部分
  pdata[3] = recv_dht11_byte();
  //校验位
  pdata[4] = recv_dht11_byte();

  return;
}

// -7- 调函数
/*fp: puser: n: off:*/
static ssize_t dht11_read(struct file *fp, char __user *puser, size_t n, loff_t *off)
{
  int ret = 0;
  long nret = 0;
  unsigned char data[5] = {0};

  dht11_reset();
  ret = recv_dht11_respone();
  if (ret)
  {
    return ret;
  }
  recv_dht11_data(data);
  gpio_direction_output(gpio_dht11, 1);

  if (data[0] + data[1] + data[2] + data[3] != data[4])
  {
    return -2;
  }

  nret = copy_to_user(puser, data, 4);
  if (nret)
  {
    pr_info("copy_to_user failed\n");
    return -3;
  }

  return 4;
}

// -6- 设备操作函数集
static struct file_operations dht11_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,  //安全机制,避免多次加载
    .read = dht11_read,    //调函数
};

// -5- 注册设备
static struct miscdevice misc_dht11 = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,  //动态分配"次设备号"
    .name = "dht11",              //"设备节点名",将在/dev下生成
    .fops = &dht11_fops,          //指向"结构体"文件操作函数集(open,read)
};

//  -3- 注册
static int dht11_probe(struct platform_device *pdev)
{
  int ret = 0;
  struct device_node *pht11node = NULL;

  pr_info("dht11_probe: start\n");

  ret = misc_register(&misc_dht11);
  if (ret)
  {
    pr_err("misc_register failed, ret=%d\n", ret);
    return -1;
  }

  pht11node = of_find_node_by_path("/fddht11");
  if (NULL == pht11node)
  {
    pr_info("of_find_node_by_path failed\n");
    return -1;
  }

  gpio_dht11 = of_get_named_gpio(pht11node, "gpio-dht11", 0);
  if (gpio_dht11 < 0)
  {
    pr_info("of_get_named_gpio failed\n");
    return -1;
  }

  ret = devm_gpio_request(misc_dht11.this_device, gpio_dht11, "fd-dht11");
  if (ret)
  {
    pr_info("devm_gpio_request failed\n");
    return -1;
  }

  gpio_direction_output(gpio_dht11, 1);
  pr_info("dht11_probe: success\n");

  return 0;
}

// -4- 销毁
static int dht11_remove(struct platform_device *pdev)
{
  int ret = 0;

  ret = misc_deregister(&misc_dht11);
  if (ret)
  {
    pr_info("misc_deregister failed\n");
    return -1;
  }

  return 0;
}

// -2- 匹配模式
//用于设备树匹配,匹配顺序:最高_会优先进行这个匹配
static struct of_device_id dht11_of_match_table[] = {
    {.compatible = "fd,fddht11"},
    {},
};
//用于非设备树或备选匹配,匹配顺序:次高(不支持设备树的旧系统,增加兼容性)
static struct platform_device_id dht11_id_table[] = {
    {.name = "fddht11"},
    {},
};

//  -1- 
static struct platform_driver dht11_driver = {
    .probe = dht11_probe,
    .remove = dht11_remove,
    .driver =
        {
            .name = "fddht11",
            .owner = THIS_MODULE,
            .of_match_table = dht11_of_match_table,
        },
    .id_table = dht11_id_table,
};

module_platform_driver(dht11_driver);  //带参宏
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("FD");

• makefile

#定义模块名字
modulename:=dht11_drv

#内核源码路径
kerdir:=/home/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek

#获得当前makefile的路径
curdir:=$(shell pwd)

#obj-m:表示将该文件编译为动态加载模块(.ko)
obj-m+=$(modulename).o

#-C :切换到指定目录下
#M=$(curdir) 告诉内核makefile,模块源码在该目录下
all:
    make -C $(kerdir) M=$(curdir) modules
    cp $(modulename).ko ~/nfs/imx6/rootfs

#伪目标:强制 Make 执行目标对应的命令，忽略是否存在同名文件
.PHONY:
#清理过程性生成的中间文件,留下ko

clean:
    make -C $(kerdir) M=$(curdir) modules clean

#彻底清理
distclean:
    make -C $(kerdir) M=$(curdir) modules clean 
    rm ~/nfs/rootfs/$(modulename).ko

3)makefile

modulename:=dht11

all:
    make -C $(modulename)_app
    make -C $(modulename)_drv

.PHONY:
clean:
    make -C $(modulename)_app clean
    make -C $(modulename)_drv clean
distclean:
    make -C $(modulename)_app distclean
    make -C $(modulename)_drv distclean

3、嵌入式应用程序加载与执行

1）通过串口通信工具（如 minicom）连接嵌入式开发板（目标板）

2）将编译生成的内核模块（.ko 文件）加载到目标板的操作系统内核中（insmod dht11_drv.ko）

3）随后运行在目标板上的可执行程序，以验证模块功能或应用程序逻辑（./dht11_app）