Zephyr RTOS和HC-SR04超声波传感器开源

描述

介绍

超声波测距模块HC-SR04提供2cm-400cm非接触测量功能，测距精度可达3mm。这些模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。工作的基本原理：

• (1) 使用IO触发至少10us的高电平信号，
• (2) 模块自动发送八个40kHz 并检测是否有脉冲信号返回。
• (3) IF 信号返回，通过高电平，输出IO 高电平持续时间即为从发送超声波到返回的时间。
• 测试距离=（高电平时间×声速（340M/S）/2

虽然所有这些听起来很简单，但由于涉及到精确计时，我没有找到很多关于在 Zephyr 上实现它的最佳方法。所以我决定自己做一个。

硬件

• 96Boards Carbon：由于传感器具有 5v 的高值，Carbon 是我能用 3v3 获得的最接近的值。3v3 足以在没有任何电平转换的情况下向触发引脚发出信号，但我们仍然需要在回声引脚上安装一个分压器。
• HC-SR04：原因很明显。
• 分压器：它基本上是电阻器的组合，用于将 Echo Pin 上的电压从 5v 降低到 3v3，因此我们最终不会烧毁碳板。这是显示如何设置它的图表：

• 接线非常简单，5v 连接到 5v 引脚，GND 连接到接地引脚，触发器连接到碳上的“PA1”，Echo 引脚的分压器的另一端连接到“PA3”上碳。

计算周期

• 好的，让我们来看看代码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define GPIO_OUT_PIN		1
#define GPIO_INT_PIN		3
#define PORT		"GPIOA"

void main(void)
{
  uint32_t cycles_spent;
  uint32_t nanseconds_spent;
  uint32_t val;
  uint32_t cm;
  uint32_t stop_time;
  uint32_t start_time;
  struct device *dev;
  dev = device_get_binding(PORT);
  gpio_pin_configure(dev, GPIO_OUT_PIN, GPIO_DIR_OUT);
  gpio_pin_configure(dev, GPIO_INT_PIN, (GPIO_DIR_IN | GPIO_INT_EDGE| GPIO_INT_ACTIVE_HIGH | GPIO_INT_DEBOUNCE));

  while (1) {
    gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 1);
    k_sleep(K_MSEC(10));
    gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 0);
    do {
			gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
		} while (val == 0);
		start_time = k_cycle_get_32();

		do {
			gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
      stop_time = k_cycle_get_32();
      cycles_spent = stop_time - start_time;
      if (cycles_spent > 1266720) //260cm for 84MHz (((MAX_RANGE * 58000) / 1000000000) * (CLOCK * 1000000))
      {
        break;
      }
		} while (val == 1);
    nanseconds_spent = SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS(cycles_spent);
    cm = nanseconds_spent / 58000;
    printk("%d\n", cm);
    k_sleep(100);
}
}

1）初始化

头文件

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

管脚定义

#define GPIO_OUT_PIN		1
#define GPIO_INT_PIN		3
#define PORT		"GPIOA"

变量初始化

void main(void)
{
uint32_t cycles_spent;
uint32_t nanseconds_spent;
uint32_t val;
uint32_t cm;
uint32_t stop_time;
uint32_t start_time;

初始化引脚并设置 IO 方向

struct device *dev;
dev = device_get_binding(PORT);
gpio_pin_configure(dev, GPIO_OUT_PIN, GPIO_DIR_OUT);
gpio_pin_configure(dev, GPIO_INT_PIN, (GPIO_DIR_IN | GPIO_INT_EDGE| GPIO_INT_ACTIVE_HIGH | GPIO_INT_DEBOUNCE));

2）主要逻辑

首先，我们将触发引脚设置为高电平 10 微秒

gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 1);
k_sleep(K_MSEC(10));
gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 0);

接下来我们的第一个 do while 循环运行直到 Echo Pin 为低电平，并在它变高时立即中断，然后我们开始计算周期

do {
      gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
  } while (val == 0);
  start_time = k_cycle_get_32();

我们的下一个 do while 循环运行直到 ECHO 引脚保持高电平：在这个 do while 块中，我们计算花费的周期数并不断检查if用于限制最大范围的值。我们使用公式 (((MAX_RANGE * 58000) / 1000000000) * (CLOCK * 1000000)) 并将 MAX_RANGE 替换为以厘米为单位的所需值，并将 CLOCK 替换为微处理器的时钟速度。

do {
  gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
stop_time = k_cycle_get_32();
cycles_spent = stop_time - start_time;
if (cycles_spent > 1266720) //260cm for 84MHz (((MAX_RANGE * 58000) / 1000000000) * (CLOCK * 1000000))
{
break;
}
} while (val == 1);

最后我们使用该SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS函数计算 ECHO 引脚为高电平时的持续时间，它以纳秒为单位返回结果。然后将值乘以 58000 得到以厘米为单位的结果，请记住空气中的声速是 340 米/秒

nanseconds_spent = SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS(cycles_spent);
cm = nanseconds_spent / 58000;
printk("%d\n", cm);

• 首先，有一个主要的 while 循环让事情无限运行
• 计时方法：要为 ECHO 引脚高电平状态计时，我们可以使用普通精度方法，该方法使用系统时钟来确定两个时间点之间经过了多少时间。但是，我们将使用高精度方法来计算两个时间点之间经过的周期，因为我们的逻辑基本上是计算确切的持续时间。

参考

• HC-SR04 数据表
• Zephyr 内核时钟文档
• 示例代码 GitHub GIST