在現(xiàn)代開發(fā)周期中使用傳感器時(shí)，重要的是在編寫任何傳感器代碼之前，開發(fā)人員花時(shí)間仔細(xì)考慮他們的系統(tǒng)架構(gòu)。精心架構(gòu)的應(yīng)用程序?qū)⑻峁┸浖?a target="_blank">接口，不僅提供與傳感器交互的通用方法，而且還將抽象這些傳感器的硬件細(xì)節(jié)。許多嵌入式開發(fā)人員仍在編寫代碼，將他們的傳感器代碼與他們的應(yīng)用程序緊密耦合，這使得重用、擴(kuò)展和測(cè)試軟件變得具有挑戰(zhàn)性。開發(fā)人員可以遵循的一個(gè)很好的最佳實(shí)踐是花時(shí)間在他們的架構(gòu)中設(shè)計(jì)一個(gè)合適的接口，然后產(chǎn)生這些好處。在我之前的帖子中，我討論了不同類型的驅(qū)動(dòng)程序。在這篇文章中，我將討論接口設(shè)計(jì)概念以及如何將它們應(yīng)用于與傳感器的接口。

創(chuàng)建接口的好處

使用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的開發(fā)人員自然會(huì)理解接口可以為應(yīng)用程序提供的好處，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)仍然使用 C 編寫，因此這些開發(fā)人員可能會(huì)忽略這些好處。在嵌入式系統(tǒng)中創(chuàng)建與 I/O 設(shè)備交互的接口有很多好處，例如：

• 反轉(zhuǎn)代碼依賴方向
• 增強(qiáng)便攜性
• 抽象的復(fù)雜性和低級(jí)細(xì)節(jié)
• 提高重用性和可擴(kuò)展性
• 簡(jiǎn)化軟件維護(hù)

當(dāng)使用接口與傳感器交互時(shí)，開發(fā)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)許多低級(jí)細(xì)節(jié)都是從高級(jí)應(yīng)用程序中抽象出來(lái)的。這意味著應(yīng)用程序不知道傳感器是否連接到 ADC、I2C 總線、SPI 總線或其他一些硬件接口。

例如，花點(diǎn)時(shí)間看一下下圖：

在此示例中，應(yīng)用程序通過傳感器 API 進(jìn)行調(diào)用，并使用其操作之一與傳感器進(jìn)行交互。應(yīng)用程序不知道 Sensor API 的幕后發(fā)生了什么，它可能有函數(shù)調(diào)用，例如：

• Sensor_Read
• Sensor_Write

該傳感器接口可能正在直接調(diào)用 ADC 外圍設(shè)備，或者它可能正在創(chuàng)建從通信外圍設(shè)備發(fā)送出去的消息包。界面的好處是應(yīng)用程序開發(fā)人員不需要知道這些細(xì)節(jié)。（事實(shí)上??，接口層可能只是取消對(duì)已配置為指向正確模塊以處理傳感器通信的函數(shù)指針的引用！這在我們的 C 應(yīng)用程序中提供了一種簡(jiǎn)單的繼承形式。）

設(shè)計(jì)傳感器接口

有興趣創(chuàng)建良好、可重復(fù)使用的傳感器接口的開發(fā)人員應(yīng)該遵循幾個(gè)步驟。這些步驟有助于確保界面在第一次交互時(shí)盡可能可用，即使在界面完全穩(wěn)定之前可能需要多次迭代。

第一步是確定將在您將設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)中使用的傳感器類型，然后檢查數(shù)據(jù)表。在此步驟中，您希望熟悉所有不同傳感器類型之間共有的操作和數(shù)據(jù)，以及哪些不常見。您會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使跨不同類型的傳感器，操作和數(shù)據(jù)之間也始終存在共性。我們希望將這種共性構(gòu)建到界面中。我們將不常見的操作和數(shù)據(jù)構(gòu)建到該接口的擴(kuò)展中，這允許我們根據(jù)正在開發(fā)的應(yīng)用程序添加和刪除這些功能。

接下來(lái)，一旦我們確定了操作和數(shù)據(jù)，我們就可以用 C 語(yǔ)言勾勒出一個(gè)可以滿足我們傳感器需求的接口。該接口的復(fù)雜性完全取決于開發(fā)人員。例如，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的基于函數(shù)調(diào)用的接口，其中函數(shù)原型可能如下所示：

bool Sensor_Init(const SensorConfig_t * const Config);
bool Sensor_Read(const SensorObj_t * const, SensorData_t * const SensorData);
bool Sensor_Write(const SensorObj_t * const, SensorData_t * const SensorData);

在這種情況下，對(duì)接口的任何調(diào)用都會(huì)返回一個(gè)布爾值，該布爾值提供有關(guān)操作結(jié)果的信息。例如，我們可能會(huì)調(diào)用Sensor_Read，如果底層實(shí)現(xiàn)是輪詢?cè)O(shè)備以獲取傳感器數(shù)據(jù)就緒，那么如果沒有新數(shù)據(jù)，我們可能會(huì)返回 false。如果數(shù)據(jù)可用，則可能會(huì)將其復(fù)制到提供給接口的SensorData位置并返回 true。（我們當(dāng)然可以變得更復(fù)雜并創(chuàng)建錯(cuò)誤代碼和其他返回值，但我們應(yīng)該從簡(jiǎn)單開始）。

該接口可用于與任意數(shù)量的傳感器進(jìn)行交互，我們只需將SensorObj信息傳遞給接口，然后讓接口完成我們需要完成的操作即可。我們也可以將其用作模板并為傳感器名稱重命名Sensor，盡管這開始最小化抽象的有用性和可重用性。

我們可以設(shè)計(jì)接口的最后一種有趣的方式是成為函數(shù)指針的結(jié)構(gòu)。然后，開發(fā)人員將實(shí)例化該結(jié)構(gòu)并使用與他們想要連接的傳感器相關(guān)的特定函數(shù)調(diào)用對(duì)其進(jìn)行初始化。此實(shí)現(xiàn)可能如下所示：

typedef struct
{
bool ( Init)(const SensorConfig_t * const Config);
bool ( Read)(const SensorObj_t * const, SensorData_t * const SensorData);
bool (*Write)(const SensorObj_t * const, SensorData_t * const SensorData);
} 傳感器_t;

然后，我們可以通過簡(jiǎn)單地創(chuàng)建和初始化這個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)為多個(gè)傳感器使用相同的接口，例如：

常量 Sensor_t 模擬 =
{
Adc_Init,
Adc_Read,
Adc_Write
};
常量 Sensor_t Gyro =
{
Gyro_Init,
Gyro_Read,
Gyro_Write
};

調(diào)用傳感器的接口然后看起來(lái)像：

模擬.Init(AdcConfig);
Gryo.Init(GyroConfig);

正如你所看到的，這種類型的接口是非常可擴(kuò)展和可重用的。這可能會(huì)讓一些開發(fā)人員感到緊張，因?yàn)樗_實(shí)使用了函數(shù)指針。必須注意確保這些函數(shù)指針正常運(yùn)行。

結(jié)論

將傳感器連接到嵌入式系統(tǒng)時(shí)，自然的本能是檢查該傳感器，然后開始為其編寫驅(qū)動(dòng)程序。不幸的是，這導(dǎo)致軟件緊密耦合并且不具有可擴(kuò)展或可重用的優(yōu)點(diǎn)。正如我們?cè)谶@篇文章中所看到的，我們應(yīng)該首先關(guān)注我們的軟件架構(gòu)以及我們的傳感器如何適應(yīng)該架構(gòu)。然后我們可以開發(fā)一個(gè)接口來(lái)抽象出我們傳感器的細(xì)節(jié)，這樣應(yīng)用程序就不會(huì)意識(shí)到復(fù)雜性或低級(jí)細(xì)節(jié)。這樣一來(lái)，如果在設(shè)計(jì)周期后期發(fā)現(xiàn)傳感器不適合應(yīng)用程序，則可以輕松更換傳感器，而無(wú)需修改核心應(yīng)用程序代碼。

審核編輯 黃昊宇