養台四軸當寵物: 用 Raspberry pi 寫驅動程式 -- 範例2：DHT11

這邊會用傳統kernel的code驅動DHT11(測量溫度跟溼度)
DHT11的規格與使用方法在此：

PS: 其實Raspberry pi已有內建的溫度測量(不過是測量raspberry pi 機板的溫度，不是室溫喔)：在terminal下執行以下命令即可。
/opt/vc/bin/vcgencmd measure_temp

DHT11有四個接腳，接法如下(圖片來源：www.aosong.com)：

這邊VDD可以用raspberry pi 提供的3.3V或是5V source(我是用5V，據說會穩定點)，Pin2的data out就接gpio。由於DHT11是使用1-Wire傳輸協定傳送data，所以只需要1個gpio。
1-Wire協定有點像這樣(以下為擬人化示範)：
使用者：喂！把資料丟給我阿！(傳送一個已經約定好長度的訊號，然後等接收)
DHT11：OK！我要丟囉！(傳送一個已經約定好長度的訊號表示OK，然後準備資料)
DHT11：OO_OO___OOO__OOO(O表示0，_表示1，全部傳好後你自己翻譯吧)
這邊由於使用者要先送一個訊號出去，DHT11才會開始發送data。如果在DHT11發送data的時候，另一個白目的使用者也送訊號說要data，DHT11就會發生錯亂，這樣前後兩個使用者可能都不會收到正確data(嚴重時會造成crash)。所以我們必須要避免這種情況。

再說DHT11的一些優缺點。
優點：便宜、穩定、體積小、功耗低
缺點：測量範圍略小(20-90%RH，0-50°C)、反應慢(讀取間隔至少1s)、精度低(溼度+-5%RH，溫度+-2°C)、讀取失敗率有點高

基於這些優缺點，DHT11不適合以高頻率(>1/s)密集測量，所以這次的驅動程式規格為：

gpio pin預設值為2，載入時可更改設定
將DHT11設成字元裝置/dev/DHT11
當使用者"開啟"/dev/DHT11時，執行測量(並自動檢查數據結果，若是無效數據可以重試五次以內)
當使用者"讀取"/dev/DHT11時，告訴使用者測量的結果 (與上一個步驟合併就是"cat"啦)
當有另一個使用者想要開啟已經被開啟的/dev/DHT11時，告訴此使用者系統忙碌。

這邊又到了沒圖沒真相的時候：

所以在這個例子裡，struct file_operations需要定義的有：.owner(模組本身)，.open(開啟字元設備檔案的動作)，.read(讀取字元設備檔案的動作)，.release(關閉字元檔案的動作)

static struct file_operations fops = {
        .owner = THIS_MODULE,
        .read = read_dht11,
        .open = open_dht11,
        .release = close_dht11
};

開啟字元檔案的時候，要做這些事：

如果設備沒有被人佔用，那第一件事就要做個「佔用」的動作(mutex_lock)。
重新初始一個「完成量」(completion)：由於每讀取一次DHT11的資料至少需要4ms，必須要有一個機制告訴系統「我們做完了，可以繼續了！」，不然就是限時做完不然系統不等了。這邊的completion就是要做這件事。
設定指定的gpio為output，停個20ms後(這邊用msleep為宜，這樣CPU就不用守在那)給個約40us的信號，然後轉成input並紀錄時間
進入中斷(interrupt)處理程序以便接收資料(後面解釋)
接收完就把中斷處理程序取消掉
開始處理資料，如果資料不正確就等1s後重新讀取(從"設定指定的gpio為output"開始...)

static int open_dht11(struct inode *inode, struct file *file)
{
    char result[3];                     //To say if the result is trustworthy or not
    int retry = 0, ret;

    // 試著"鎖上"，如果鎖成功表示沒人佔用，不成功則相反
    if (!mutex_trylock(&gpio_mutex)) {
        printk(KERN_ERR DHT11_DRIVER_NAME " another process is accessing the device\n");
        return -EBUSY;
    }

    // 重新初始完成量
    reinit_completion(&gpio_completion);
    printk(KERN_INFO DHT11_DRIVER_NAME " Start setup (read_dht11)\n");

start_read:
    nBit = 0;
    // gpio output
    gpio_direction_output(gpio_pin, 0);
    msleep(20);                                 // DHT11 needs min 18mS to signal a startup
    gpio_direction_output(gpio_pin, 1);
    udelay(40);                                 // Stay high for a bit before swapping to read mode
    // gpio轉成input
    gpio_direction_input(gpio_pin);

    //Start timer to time pulse length
    do_gettimeofday(&lasttv);

    // Set up interrupts
    setup_interrupts();

    //Give the dht11 time to reply
    //這邊的 HZ是系統給定，在RPi=100，在這裡也就是說過了1/100秒如果還沒完成就不等了
    ret = wait_for_completion_killable_timeout(&gpio_completion,HZ);
    //取消中斷
    clear_interrupts();
    //Check if the read results are valid. If not then try again!
    if(dht11_decode()==0) sprintf(result, "OK");    // 用checksum確認是否是正確的值
    else {
        retry++;
        sprintf(result, "BAD");
        if(retry == 10) goto return_result;             //We tried 5 times so bail out
        ssleep(1);
        goto start_read;
    }

return_result:
    sprintf(msg, "Humidity: %d.%d%%\nTemperature: %d.%dC\nResult:%s\n", dht11.Humidity[0], dht11.Humidity[1], dht11.Temperature[0], dht11.Temperature[1], result);
    msg_Ptr = msg;
    printk("strlen is %d", strlen(msg));
    return SUCCESS;
}

然後關閉檔案的步驟就超簡單，把互斥鎖解掉就好了：

static int close_dht11(struct inode *inode, struct file *file)
{
    mutex_unlock(&gpio_mutex);
    printk(KERN_INFO DHT11_DRIVER_NAME ": Device release (close_dht11)\n");

    return 0;
}

至於中斷(interrupt)是個超級好用的東西，我們可以想像一個CPU在沒有中斷的情況下要怎麼工作(以下擬人化)：
CPU：賈爸鎂？    硬體A：阿鎂
CPU：賈爸鎂？    硬體B：阿鎂
CPU：賈爸鎂？    硬體C：阿鎂
CPU：賈爸鎂？    硬體D：阿鎂
....問到Z以後，重來
(以上就是所謂的「輪詢」(polling))

若是有中斷就好多了：
硬體A：挖巴豆夭阿      CPU：ㄆㄨㄣ來囉
硬體C：挖巴豆夭阿      CPU：ㄆㄨㄣ來囉
硬體F：挖巴豆夭阿      CPU：ㄆㄨㄣ來囉
......(以上就是誰先靠腰誰就先吃的中斷模式)

至於讀取DHT11為何要用到中斷呢？
看DHT11的使用說明，當系統/使用者給了他一個40us的訊號以後轉接收模式，約80us後DHT11會送個約80us長的訊號表示他收到了然後準備輸出。接下來每個bit訊號以50us(Off)開始，若是這50us Off後面接的是約70us的長訊號就是bit1，若是只有約24-26us的短訊號就是bit0(如圖，圖片來源：www.aosong.com)。

所以，當gpio接收的訊號從0轉成1或1轉成0，CPU都要去看看到底發生了啥事(看是給我bit0還是bit1)，然後CPU又很忙不可能一天到晚問改變了沒，所以要使用「中斷」-- 當gpio接收的訊號改變，就同時送一個硬體訊號給CPU，告訴CPU來處理。

設定中斷的函式很簡單：

static int setup_interrupts(void)
{
    int result;
    // 跟系統提出使用中斷的請求
    // gpio_to_irq(gpio_pin) 是系統給的irq值
    // irq_handler 是告訴CPU如果中斷發生要怎麼處理
    result = request_irq(gpio_to_irq(gpio_pin), (irq_handler_t) irq_handler, IRQF_TRIGGER_RISING|IRQF_TRIGGER_FALLING, DHT11_DRIVER_NAME, NULL);

    switch (result) {
        case -EBUSY:
            printk(KERN_ERR DHT11_DRIVER_NAME ": IRQ %d is busy\n", INTERRUPT_GPIO0);
            return -EBUSY;
        case -EINVAL:
            printk(KERN_ERR DHT11_DRIVER_NAME ": Bad irq number or handler\n");
            return -EINVAL;
        default:
            printk(KERN_INFO DHT11_DRIVER_NAME ": Interrupt %d obtained\n", gpio_to_irq(gpio_pin));
            break;
    };

    return 0;
}

irq_handler長這樣：

// IRQ handler - where the timing takes place
static irqreturn_t irq_handler(int i, void *blah)
{
    // 測量中斷發生的時間
    do_gettimeofday(&tv);
    // 進入前已經先mark好時間，所以訊號持續的時間只要相減就好
    int data = (int) ((tv.tv_sec-lasttv.tv_sec)*1000000 + (tv.tv_usec - lasttv.tv_usec));
    // 現在的訊號，如果現在是0，就表示剛才是1
    int signal = gpio_get_value(gpio_pin);
    // mark這次中斷的時間，下次中斷的時候就能用
    lasttv = tv;    //Save last interrupt time
    // use the GPIO signal level
    //如果剛才那是1，就把持續時間放在timeBit(資料大小40bit，還要加1bit的開始)裡
    if (signal==0) {
        timeBit[nBit++] = data;
    }
    // 傳完了就告訴系統已經完全了
    if (nBit >= TOTAL_INT_BLOCK) complete(&gpio_completion);
    return IRQ_HANDLED;
}

要注意的是進行中斷處理程序的時候，CPU必須先跳開手上的工作進行中斷，結束後跳回原先的工作。如果這樣不斷跳來跳去，會大幅降低整體系統效能，所以必須極力縮短中斷程序。所以我在中斷處理程序只有紀錄訊號持續時間，解碼等中斷處理程序結束之後再說。

接下來就是解碼了：

static unsigned char dht11_decode_byte(int *timing, int threshold)
{
    unsigned char ret = 0;
    int i;

    for (i = 0; i < 8; ++i) {
        ret <<= 1;
        if (timing[i] >= threshold) ++ret;
    }

    return ret;

}

static int dht11_decode(void) {
    // 通常如果訊號是50us Off -> ~70us On 表示1
    // 50us Off -> 24-26us On 表示0
    // 可是如果你嘗試很多次，你會發現DHT11的表現並不總是那樣，會有些bit不長也不短沒法分辨的情況
    // 所以我把長度小於短bit(26us)*1.5的定義為0，長度大於長bit(70us)*2/3的定義為1
    // 如果遇到非0也非1的case，我會顯示"Poor resolution"然後重試
    int i, bitM = DHT11_DATA_BIT_LOW * 3 / 2, bitN = DHT11_DATA_BIT_HIGH*2/3, wtime=0;

    for (i=0; ibitM && timeBit[i]0) {
        printk("Poor resolution \n");
        return 1;
    }



    // 第1個bit是資料傳送開始所以不算
    // 每個資料長8bits，依序為溼度整數位、溼度小數位、溫度整數位、溫度小數位、checksum(前面四個的總和，用以確定資料無誤)
    // 不過要注意的是基本上溼度小數位跟溫度小數位都會是0(我也不知道為何，既然沒數據你加了幹嘛？)
    dht11.Humidity[0] = dht11_decode_byte(&timeBit[1], bitM);
    dht11.Humidity[1] = dht11_decode_byte(&timeBit[9], bitM);
    dht11.Temperature[0] = dht11_decode_byte(&timeBit[17], bitM);
    dht11.Temperature[1] = dht11_decode_byte(&timeBit[25], bitM);
    dht11.checksum = dht11_decode_byte(&timeBit[33], bitM);

    if (dht11.Temperature[0]+dht11.Temperature[1]+dht11.Humidity[0]+dht11.Humidity[1] == dht11.checksum) return 0;
    else return 2;
}

有了結果就可以讀取了：

static ssize_t read_dht11(struct file *filp, // see include/linux/fs.h
      char *buffer, // buffer to fill with data
      size_t length, // length of the buffer
      loff_t * offset)
{
    // 這邊我們使用一個指標來結束read_dht11的動作
    // 如果沒有 return 0，那在cat /dev/DHT11的時候，read_dht11會不斷重複。
    // (一般使用的時候是該這樣，不過這邊我並不希望dht11被頻繁讀取，因為它不是那麼靈敏)
    if (*msg_Ptr == '\0') return 0;
    if (copy_to_user(buffer, msg_Ptr, strlen(msg)+1)!=0 ) return -EFAULT;
    msg_Ptr += strlen(msg);
    return strlen(msg);
}

至於init跟exit跟之前一樣，就不複習了。

編譯後載入模組，然後測試：
pi@raspberrypi ~/work/driver/DHT11 $ sudo insmod ./dht11.ko
pi@raspberrypi ~/work/driver/DHT11 $ sudo cat /dev/DHT11
Humidity: 39.0%
Temperature: 26.0C
Result:OK
pi@raspberrypi ~/work/driver/DHT11 $

原始碼在此：
https://gist.github.com/gnitnaw/744d237d6ea2fd84e756
(PS: 本原始碼參考自http://www.tortosaforum.com/raspberrypi/dht11km.tar)
參考資料：
http://www.tortosaforum.com/raspberrypi/dht11km.tar
台灣樹莓派 <sosorry@raspberrypi.com.tw>：用 Raspberry Pi 學 Linux 驅動程式

養台四軸當寵物

2015年7月2日星期四

用 Raspberry pi 寫驅動程式 -- 範例2：DHT11

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2015年7月2日 星期四

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