MS1112驱动开发（iio框架）

作者简介： 一个平凡而乐于分享的小比特，中南民族大学通信工程专业研究生在读，研究方向无线联邦学习
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MS1112驱动开发（iio框架）

ms1112驱动代码及测试程序在ms1112驱动，如有需要自行下载

1.iio框架简介

​ IIO全称是IndustrialI/O，翻译过来就是工业I/O，大家不要看到“工业”两个字就觉得IIO是只用于工业领域的。大家一般在搜索IIO子系统的时候，会发现大多数讲的都是ADC，这是因为IIO就是为ADC类传感器准备的，当然了DAC也是可以的。大家常用的陀螺仪、加速度计、电压/电流测量芯片、光照传感器、压力传感器等内部都是有个ADC，内部ADC将原始的模拟数据转换为数字量，然后通过其他的通信接口，比如IIC、SPI等传输给SOC。
​ 因此，当你使用的传感器本质是ADC或DAC器件的时候，可以优先考虑使用IIO驱动框架。

1.1 iio_dev结构体

IIO子系统使用结构体iio_dev来描述一个具体IIO设备，此设备结构体定义在include/linux/iio/iio.h文件中，结构体内容如下:

571 struct iio_dev {
572         int                             modes;
573         struct device                   dev;
574
575         struct iio_buffer               *buffer;
576         int                             scan_bytes;
577         struct mutex                    mlock;
578
579         const unsigned long             *available_scan_masks;
580         unsigned                        masklength;
581         const unsigned long             *active_scan_mask;
582         bool                            scan_timestamp;
583         struct iio_trigger              *trig;
584         struct iio_poll_func            *pollfunc;
585         struct iio_poll_func            *pollfunc_event;
586
587         struct iio_chan_spec const      *channels;
588         int                             num_channels;
589
590         const char                      *name;
591         const char                      *label;
592         const struct iio_info           *info;
593         const struct iio_buffer_setup_ops       *setup_ops;
594
595         void                            *priv;
596 };

我们来看一下iio_dev结构体中几个比较重要的成员变量：

第571行，modes为设备支持的模式，可选择的模式如表所示：

模式描述
INDIO_DRECT_MODE提供sysfs接口
INDIO_BUFFER_TRIGGERED支持硬件缓冲触发
INDIO_BUFFER_SOFTWARE支持软件缓冲触发
INDIO_BUFFER_HARDWARE支持硬件缓冲区

第575行，buffer为缓冲区
第576行，scan_bytes为捕获到，并且提供给缓冲区的字节数。
第579行，available_scan_masks为可选的扫描位掩码，使用触发缓冲区的时候可以通过设置掩码来确定使能哪些通道，使能以后的通道会将捕获到的数据发送到IIO缓冲区。
第581行，active_scan_mask为缓冲区已经开启的通道掩码。只有这些使能了的通道数据才能被发送到缓冲区。
第582行，scan_timestamp为扫描时间戳，如果使能以后会将捕获时间戳放到缓冲区里面。
第583行，trig为IIO设备当前触发器，当使用缓冲模式的时候。
第584行，pollfunc为一个函数，在接收到的触发器上运行。
第587行，channels为IIO设备通道，为iio_chan_spec结构体类型，稍后会详细讲解IIO通道。
第588行，num_channels为IIO设备的通道数。
第590行，name为IIO设备名字。
第592行，info为iio_info结构体类型，这个结构体里面有很多函数，需要驱动开发人员编写，非常重要!我们从用户空间读取IIO设备内部数据，最终调用的就是iio_info里面的函数。稍后会详细讲解iio_info结构体。
第593行，setup_ops为 iio_buffer_setup_ops 结构体类型，内容如下:

530 struct iio_buffer_setup_ops {
531         int (*preenable)(struct iio_dev *);
532         int (*postenable)(struct iio_dev *);
533         int (*predisable)(struct iio_dev *);
534         int (*postdisable)(struct iio_dev *);
535         bool (*validate_scan_mask)(struct iio_dev *indio_dev,
536                                    const unsigned long *scan_mask);
537 };

可以看出iio_buffer_setup_ops 里面都是一些回调函数，在使能或禁用缓冲区的时候会调用这些函数。如果未指定的话就默认使用iio_triggered_buffer_setup_ops

1.2 iio_info结构体

iio_dev有个成员变量: info，为iio_info结构体指针变量，这个是我们在编写IIO驱动的时候需要着重去实现的，因为用户空间对设备的具体操作最终都会反映到iio_info里面。iio_info结构体定义在 include/linux/iio/liio.h中，结构体定义如下(有省略):

445 struct iio_info {
446         const struct attribute_group    *event_attrs;
447         const struct attribute_group    *attrs;
448
449         int (*read_raw)(struct iio_dev *indio_dev,
450                         struct iio_chan_spec const *chan,
451                         int *val,
452                         int *val2,
453                         long mask);
454
455         int (*read_raw_multi)(struct iio_dev *indio_dev,
456                         struct iio_chan_spec const *chan,
457                         int max_len,
458                         int *vals,
459                         int *val_len,
460                         long mask);
461
462         int (*read_avail)(struct iio_dev *indio_dev,
463                           struct iio_chan_spec const *chan,
464                           const int **vals,
465                           int *type,
466                           int *length,
467                           long mask);
468
469         int (*write_raw)(struct iio_dev *indio_dev,
470                          struct iio_chan_spec const *chan,
471                          int val,
472                          int val2,
473                          long mask);
474
......
}

第447行，attrs是通用的设备属性。
第449和469行，分别为read_raw和 write_raw函数，这两个函数就是最终读写设备内部数据的操作函数，需要程序编写人员去实现的。比如应用读取一个ms1112的原始数据，那么最终完成工作的就是read_raw函数，我们需要在read_raw函数里面实现对ms1112芯片的读取操作。同理，write_raw是应用程序向ms1112芯片写数据，一般用于配置芯片，比如量程、数据速率等。这两个函数的参数都是一样的，我们依次来看一下:
indio_dev:需要读写的IIO设备。
chan:需要读取的通道。
val，val2:对于read_raw函数来说 val和 val2这两个就是应用程序从内核空间读取到数据，一般就是传感器指定通道值，或者传感器的量程、分辨率等。对于 write_raw来说就是应用程序向设备写入的数据。val和 val2共同组成具体值，val是整数部分，val2是小数部分。但是val2也是对具体的小数部分扩大N倍后的整数值，因为不能直接从内核向应用程序返回一个小数值。比如现在有个值为1.00236，那么val就是1，vla2理论上来讲是0.00236，但是我们需要对0.00236扩大N倍，使其变为整数，这里我们扩大 1000000倍，那么val2就是2360。因此val=1，val2=2360。扩大的倍数我们不能随便设置，而是要使用Linux定义的倍数，Linux 内核里面定义的数据扩大倍数，或者说数据组合形式如表所示:

组合宏描述
IIO_VAL_INT整数值，没有小数。比如5000，那么就是val=5000，不需要设置val2
IIO_VAL_INT_PLUS_MICRO小数部分扩大1000000倍，比如1.00236，此时val=1，val2=2360。
IIO_VAL_INT_PLUS_NANO小数部分扩大1000000000倍，同样是1.00236，此时val=1，val2=2360000。
IIO_VAL_INT_PLUS_MICRO_DBdB数据，和 IIO_VAL_INT_PLUS_MICRO数据形式一样，只是在后面添加 db。
IIO_VAL_INT_MULITIPLE多个整数值，比如一次要传回6个整数值，那么val 和val2就不够用了.此宏主要用于iio_info的read_raw_multi函数。
IIO_VAL_FRACTIONAL分数值，也就是val/val2。比如val=1， val2=4，那么实际值就是1/4。
IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2值为val>>val2,也就是val右移val2位。比如 val=25600，val2=4，那么真正的值就是 25600右移4位﹐25600>>4=1600.

​ mask:掩码，用于指定我们读取的是什么数据，我们只有读出原始值以及对应的分辨率(量程)，才能计算出真实的电压值。此时就有两种数据值:传感器原始值、分辨率。Linux 内核使用IIO_CHAN_INFO_RAW和IIO_CHAN_INFO_SCALE这两个宏来表示原始值以及分辨率，这两个宏就是掩码。至于每个通道可以采用哪几种掩码，这个在我们初始化通道的时候需要驱动编写人员设置好。掩码有很多种，稍后讲解IIO通道的时候详细讲解!
​ 第462行的read_avail这种函数指针通常用于嵌入式系统中，特别是在驱动程序或数据采集模块中。它允许系统在运行时动态地选择或调用不同的读取可用数据的函数，具体操作可能涉及从传感器或其他数据源中获取数据，并将数据类型、长度等信息返回给调用者。

1.3 iio_chan_spec结构体

​ iio的核心就是通道，一个传感器可能有多路数据，比如一个ms1112ADC芯片支持4路数据采集，那么它就有4个通道。

在这里插入图片描述

​ Linux内核使用iio_chan_spec结构体来描述通道，定义在include/linux/iio/iio.h文件中，内容如下：

238 struct iio_chan_spec {
239         enum iio_chan_type      type;
240         int                     channel;
241         int                     channel2;
242         unsigned long           address;
243         int                     scan_index;
244         struct {
245                 char    sign;
246                 u8      realbits;
247                 u8      storagebits;
248                 u8      shift;
249                 u8      repeat;
250                 enum iio_endian endianness;
251         } scan_type;
252         long                    info_mask_separate;
253         long                    info_mask_separate_available;
254         long                    info_mask_shared_by_type;
255         long                    info_mask_shared_by_type_available;
256         long                    info_mask_shared_by_dir;
257         long                    info_mask_shared_by_dir_available;
258         long                    info_mask_shared_by_all;
259         long                    info_mask_shared_by_all_available;
260         const struct iio_event_spec *event_spec;
261         unsigned int            num_event_specs;
262         const struct iio_chan_spec_ext_info *ext_info;
263         const char              *extend_name;
264         const char              *datasheet_name;
265         unsigned                modified:1;
266         unsigned                indexed:1;
267         unsigned                output:1;
268         unsigned                differential:1;
269 };

​ 来看一下iio_chan_spec结构体中一些比较重要的成员变量:
第239行，type为通道类型,iio_chan_type是一个枚举类型，列举出了可以选择的通道类型，定义在include/uapi/linux/iio/types.h文件里面，内容如下:

enum iio_chan_type {IIO_VOLTAGE,                                //电压IIO_CURRENT,								//电流IIO_POWER,									//功率IIO_ACCEL,									//加速度IIO_ANGL_VEL,								//角速度IIO_MAGN,									//磁场强度IIO_LIGHT,									//光强度IIO_INTENSITY,								//强度IIO_PROXIMITY,								//接近度IIO_TEMP,									//温度IIO_INCLI,									//倾斜度IIO_ROT,									//旋转IIO_ANGL,									//角度IIO_TIMESTAMP,								//时间戳IIO_CAPACITANCE,							//电容IIO_ALTVOLTAGE,								//备用电压IIO_CCT,									//色温IIO_PRESSURE,								//压力IIO_HUMIDITYRELATIVE,						//相对湿度IIO_ACTIVITY,								//活动状态IIO_STEPS,									//步数IIO_ENERGY,									//能量IIO_DISTANCE,								//距离IIO_VELOCITY,								//速度IIO_CONCENTRATION,							//浓度IIO_RESISTANCE,								//电阻IIO_PH,										//pH 值IIO_UVINDEX,								//紫外线指数IIO_ELECTRICALCONDUCTIVITY,					//电导率	IIO_COUNT,									//计数IIO_INDEX,									//索引IIO_GRAVITY,								//重力IIO_POSITIONRELATIVE,						//相对位置IIO_PHASE,									//相位IIO_MASSCONCENTRATION,						//质量浓度
};

可以看出，目前Linux内核支持的传感器类型非常丰富，而且支持类型也会不断的增加。ms1112是ADC，那就是IIO_VOLTAGE类型。
继续来看iio_chan_spec结构体，第266行，当成员变量indexed 为1时候,channel为通道索引。
第265行，当成员变量modified为1的时候，channel2为通道修饰符。通道修饰符主要是影响sysfs下的通道文件名字，后面我们会讲解sysfs下通道文件名字组成形式。
第242行的address成员变量用户可以自定义，但是一般会设置为此通道对应的芯片数据寄存器地址。address 也可以用作其他功能，自行选择，也可以不使用address，一切以实际情况为准。
第243行，当使用触发缓冲区的时候，scan_index是扫描索引。
第244~251，scan_type是一个结构体，描述了扫描数据在缓冲区中的存储格式。我们依次来看一下scan_type各个成员变量的涵义:
scan_type.sign:如果为‘u’表示数据为无符号类型，为‘s’的话为有符号类型。
scan_type.realbits:数据真实的有效位数，比如很多传感器说的10位ADC，其真实有效数据就是10位。
scan_type.storagebits:存储位数，有效位数+填充位。比如有些传感器ADC是12位的，那么我们存储的话肯定要用到2个字节，也就是16位，这16位就是存储位数。
scan_type.shift:右移位数，也就是存储位数和有效位数不一致的时候，需要右移的位数，这个参数不总是需要，一切以实际芯片的数据手册位数。
scan_type.repeat:实际或存储位的重复数量。
scan_type.endianness:数据的大小端模式，可设置为IIO_CPU、IIO_BE(大端)或IIO_LE(小端)。
第252行，info_mask_separate标记某些属性专属于此通道，include/linux/iio/types.h文件中的iio chan_info_enum枚举类型描述了可选的属性值。
第254行，info_mask_shared_by_type标记导出的信息由相同类型的通道共享。也就是iio_chan_spec.type成员变量相同的通道。
第256行，info_mask_shared_by_dir标记某些导出的信息由相同方向的通道共享。
第258行，info_mask_shared_by_all表设计某些信息所有的通道共享，无论这些通道的类型、方向如何，全部共享。
第265行，modified为1的时候，channel2为通道修饰符。
第266行，indexed为1的时候，channel为通道索引。
第267行，output表示为输出通道。
第268行，differential表示为差分通道。

2. 程序编写

2.1 驱动程序编写

主要结构体：

static const struct iio_info ms1112_info = {.read_raw = ms1112_read_raw,.write_raw = ms1112_write_raw,.read_avail = ms1112_read_avail,
};

struct ms1112_data {struct ms1112_channel_data channel_data[MS1112_CHANNELS];struct ms1112_thresh_data thresh_data[MS1112_CHANNELS];const struct ms1112_chip_data *chip;struct mutex lock;void *private_data;     /* 私有数据 *///int16_t value;                /* adc数据 */struct i2c_client *client;
};

主要函数：

static int ms1112_get_adc_result(struct ms1112_data *data, int chan, int *val)
{int ret, pga, dr , mode;unsigned int  mask, cfg;ret = 0;if (chan < 0 || chan >= MS1112_CHANNELS)return -EINVAL;mode = data->channel_data[chan].mode;pga = data->channel_data[chan].pga;dr = data->channel_data[chan].data_rate;mask = MS1112_CFG_MUX_MASK | MS1112_CFG_PGA_MASK |MS1112_CFG_DR_MASK | MS1112_CFG_MOD_MASK | MS1112_SINGLESHOT << 7;cfg = chan << MS1112_CFG_MUX_SHIFT | pga << MS1112_CFG_PGA_SHIFT |dr << MS1112_CFG_DR_SHIFT | mode << MS1112_CFG_MOD_SHIFT | MS1112_SINGLESHOT << 7;printk("mask = %u\n", mask);printk("cfg = %u\n", cfg);cfg = (cfg & mask);#if 0ms1112_write_reg(data, MS1112_CFG_REG, MS1112_DEFAULT_CONFIG);
#elsems1112_write_reg(data, MS1112_CFG_REG, cfg);
#endifret = ms1112_readdata(data,val);if(ret<0){printk("Failed to read data!\n");}return ret;
}

static int ms1112_read_avail(struct iio_dev *indio_dev,struct iio_chan_spec const *chan,const int **vals, int *type, int *length,long mask)
{struct ms1112_data *data = iio_priv(indio_dev);if (chan->type != IIO_VOLTAGE)return -EINVAL;switch (mask) {case IIO_CHAN_INFO_SCALE:*type = IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2;*vals =  data->chip->scale;*length = data->chip->scale_len;return IIO_AVAIL_LIST;case IIO_CHAN_INFO_SAMP_FREQ:*type = IIO_VAL_INT;*vals = data->chip->data_rate;*length = data->chip->data_rate_len;return IIO_AVAIL_LIST;default:return -EINVAL;}
}

static int ms1112_read_raw(struct iio_dev *indio_dev, struct iio_chan_spec const *chan, int *val, int *val2, long mask)
{int ret, idx;struct ms1112_data *data = iio_priv(indio_dev);mutex_lock(&data->lock);switch (mask) {case IIO_CHAN_INFO_RAW:ret = iio_device_claim_direct_mode(indio_dev);if (ret)break;ret = ms1112_get_adc_result(data, chan->address, val);if (ret < 0) {goto release_direct;}*val = sign_extend32(*val >> chan->scan_type.shift,chan->scan_type.realbits - 1);ret = IIO_VAL_INT;
release_direct:iio_device_release_direct_mode(indio_dev);break;case IIO_CHAN_INFO_SCALE:idx = data->channel_data[chan->address].pga;*val = ms1112_fullscale_range[idx];*val2 = chan->scan_type.realbits - 1;ret = IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2;break;case IIO_CHAN_INFO_SAMP_FREQ:idx = data->channel_data[chan->address].data_rate;*val = data->chip->data_rate[idx];ret = IIO_VAL_INT;break;default:ret = -EINVAL;break;}mutex_unlock(&data->lock);return ret;
}

static int ms1112_write_raw(struct iio_dev *indio_dev,struct iio_chan_spec const *chan, int val,int val2, long mask)
{struct ms1112_data *data = iio_priv(indio_dev);int ret;mutex_lock(&data->lock);switch (mask) {case IIO_CHAN_INFO_SCALE:ret = ms1112_set_scale(data, chan, val, val2);break;case IIO_CHAN_INFO_SAMP_FREQ:ret = ms1112_set_data_rate(data, chan->address, val);break;default:ret = -EINVAL;break;}mutex_unlock(&data->lock);return ret;
}

static int ms1112_probe(struct i2c_client *client,const struct i2c_device_id *id)
{struct iio_dev *indio_dev;const struct ms1112_chip_data *chip;struct ms1112_data *data;int ret;int i;chip = device_get_match_data(&client->dev);if (!chip)chip = (const struct ms1112_chip_data *)id->driver_data;if (!chip)return dev_err_probe(&client->dev, -EINVAL, "Unknown chip\n");indio_dev = devm_iio_device_alloc(&client->dev, sizeof(*indio_dev));if (!indio_dev)return -ENOMEM;data = iio_priv(indio_dev);i2c_set_clientdata(client, indio_dev);mutex_init(&data->lock);indio_dev->name = MS1112_DRV_NAME;indio_dev->info = chip->info;indio_dev->modes = INDIO_DIRECT_MODE;indio_dev->channels = chip->channels;indio_dev->num_channels = chip->num_channels;data->chip = chip;data->client = client;for (i = 0; i < MS1112_CHANNELS; i++) {int realbits = indio_dev->channels[i].scan_type.realbits;data->thresh_data[i].low_thresh = -1 << (realbits - 1);data->thresh_data[i].high_thresh = (1 << (realbits - 1)) - 1;}/* we need to keep this ABI the same as used by hwmon ADS1015 driver */ms1112_get_channels_config(client);ret = iio_device_register(indio_dev);printk("ret = %d\n",ret);if (ret)dev_err(&client->dev, "Failed to register IIO device\n");return ret;
}

2.2 测试程序

#include <sys/time.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>/* 字符串转数字，将浮点小数字符串转换为浮点数数值 */
#define SENSOR_FLOAT_DATA_GET(ret, index, str, member)\ret = file_data_read(file_path[index], str);\dev->member = atof(str);\/* 字符串转数字，将整数字符串转换为整数数值 */
#define SENSOR_INT_DATA_GET(ret, index, str, member)\ret = file_data_read(file_path[index], str);\dev->member = atoi(str);\/* adc iio框架对应的文件路径 */
static char *file_path[] = {"/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage1_scale","/sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage1_raw",
};/* 文件路径索引，要和file_path里面的文件顺序对应 */
enum path_index {IN_VOLTAGE_SCALE = 0,IN_VOLTAGE_RAW,
};/** ADC数据设备结构体*/
struct adc_dev{int raw;float scale;float act;
};struct adc_dev ms1112adc;/** @description : 读取指定文件内容* @param – filename : 要读取的文件路径* @param - str : 读取到的文件字符串*  @return : 0 成功;其他 失败*/
static int file_data_read(char *filename, char *str)
{int ret = 0;FILE *data_stream;data_stream = fopen(filename, "r"); /* 只读打开 */if(data_stream == NULL) {printf("can't open file %s\r\n", filename);return -1;}ret = fscanf(data_stream, "%s", str);if(!ret) {printf("file read error!\r\n");} else if(ret == EOF) {/* 读到文件末尾的话将文件指针重新调整到文件头 */fseek(data_stream, 0, SEEK_SET);}fclose(data_stream); /* 关闭文件 */return 0;
}/**  @description : 获取ADC数据*  @param - dev : 设备结构体*  @return : 0 成功;其他 失败*/
static int adc_read(struct adc_dev *dev)
{int ret = 0;char str[50];SENSOR_FLOAT_DATA_GET(ret, IN_VOLTAGE_SCALE, str, scale);SENSOR_INT_DATA_GET(ret, IN_VOLTAGE_RAW, str, raw);/* 转换得到实际电压值mV */dev->act = (dev->scale * dev->raw)/1000.f;return ret;
}/**  @description : main主程序*  @param – argc : argv数组元素个数*  @param - argv : 具体参数*  @return : 0 成功;其他 失败*/
int main(int argc, char *argv[])
{int ret = 0;if (argc != 1) {printf("Error Usage!\r\n");return -1;}while (1) {ret = adc_read(&ms1112adc);if(ret == 0) { /* 数据读取成功 */ \printf("ADC原始值：%d，电压值：%.3fV\r\n", ms1112adc.raw, ms1112adc.act);}usleep(100000); /*100ms */}return 0;
}

3. 实验测试

加载驱动后可以看到在开发板的/sys/bus/iio/devices下有iio:device0设备，这个设备正式我们ms1112ADC芯片的sysfs文件信息，进入该目录，可以显示该芯片的目录信息

在这里插入图片描述

解释如下：
in_voltage*_raw:对应该通道采样的adc原始值

in_voltage*_sampling_frequency:对应通道的采样频率

in_voltage*_scale:用于存放对应通道输入电压比例因子

举个例子我们cat in_voltage0_scale显示0.062500000，那这个值是如何算出的呢

其实我们不难发现，

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

我们的结果寄存器一共16位，最高位为符号位，因此结果寄存器的adc采样值范围为-215~215,即-32768-32767。

在这里插入图片描述

我们在IIO_CHAN_INFO_SCALE掩码情况下，设置的组合宏为IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2，值为val>>val2,也就是val右移val2位。假设满量程，则val值为2048，val2为15，2048/(2^15)=0.0625。刚好等于in_voltage0_scale的值。

这里我们测试voltage1通道，voltage1为AIN1,AIN1接MIKRO-BUS,我们只需接一个烟雾传感器，即可测试

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

烟雾传感器连接：
在这里插入图片描述

输入insmod ms1112.ko加载驱动，./adcAPP运行测试程序

我们可以点燃纸张，进行测试

点燃纸张前：
在这里插入图片描述

点燃纸张后：

在这里插入图片描述

我们发现点燃后电压值降低。

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