【Linux 中断】红外接收器设备驱动

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一、概述

现在很多家电都使用了红外，而智能家居的诞生，连音响都带了红外遥控功能。为了解决家里遥控器比较多的情况，多数手机都支持了红外功能，这和以前的万能遥控器一样。这里主要记录红外接收的驱动，当然明白怎么接收的，对于遥控的发射就比较简单了。

二、红外接收器

  1. 外观

  2. 接收的工作原理
    红外探头应该也是光敏电阻的一种，当接收到波长在750-1150NM的光时，OUT 引脚就会产生一个 38kHz 的 PWM 波。一般在电路中都会给 OUT 引脚进行一个上拉，所以没有检测到红外光时，OUT 引脚是稳定的高电平。通过这个现象我们就可以进行无线通信。
    注意：750-1150NM的光时是肉眼不可见的，不过可以通过手机摄像头进行查看

  3. 通信协议
    了解完原理后，只需要配上相应的通信协议就可以使用红外进行无线通信了。常用的红外线信号传输协议有ITT协议、NEC协议、NokiaNRC协议、Sharp协议、SonySIRC协议、PhilipSRC-5协议、PhilipsRC-6协议，以及PhilipsRECS-80协议等。

    需要了解不同协议区别的可以参考：几种常用的红外线信号传输协议，红外的协议种类比较多，部分公司也会自己指定不同的协议，比如小米公司的遥控器，见小米红外遥控器如何适配到其他应用设备之上。

    此笔记主要使用 NEC 协议完成驱动的编写，其他的协议驱动也可以参考完成。

三、 NEC协议

  1. 数据帧格式

    引导码 地址码0 地址码1 命令码 命令反码 引导码（重复）
    LSB-MSB（0-7） LSB-MSB（8-15） LSB-MSB（16-23） LSB-MSB（24-31）

    注意：在标准的NEC协议中，地址码1为地址码0的反码，而在许多遥控器中，地址码0和地址码1共同作为红外遥控器的编码值。

  2. PPM（脉冲位置调制）

  3. 接收波形

    注意：实际波形在低电平期间是一个 38kHz 的 PWM 波。

  4. 数据解析
    在接收数据时需要过滤 38kHz 的波形，如下所示：

    /**
 * @brief 红外中断响应函数
 *
 * @param irq
 * @param dev_id
 * @return 0，成功;其他负值,失败
*/
static irqreturn_t infrared_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
	unsigned previous_offset;		// 上一次的时间
	unsigned start_offset;			// 波型的起始时间差
	long long now = ktime_to_us(ktime_get());

	/* 由于红外接收传感器在接收到红外信号时产生一个38KHz的信号，所以接收时需要过滤，使信号变为一个低电平信号 */
	/*-------------------------------- 滤波 --------------------------------*/

	/* 从当前时刻开始接收一个下降沿开始的方波周期 */
	if (0 == infrared_pwm.flag )
	{
		infrared_pwm.start_time = now;
		infrared_pwm.flag  = 1;
	}

	/* 计算两次下降沿的时差 */
	previous_offset = now - infrared_pwm.previous;
	infrared_pwm.previous = now;

	/* 过滤红外接收器自生产生38KHz的信号，周期大约是 26us */
	if (previous_offset

四、linux 中断驱动

在中断驱动中我使用了异步通知的方式，与应用程序进行通信

/**
 * @brief 红外接收器初始化函数
 *
 * @return 0，成功;其他负值,失败
*/
static int infrared_init(void)
{
	int res;

	/* 申请 GPIO 资源 */
	infrared_dev.gpio = INFRARED_GPIO;
	res = gpio_request(infrared_dev.gpio, "infrared");
	if (res)
	{
		pr_err("infrared dev: Failed to request gpion");
		return res;
	}

	/* 将 GPIO 设置为输入模式 */
	gpio_direction_input(infrared_dev.gpio);

	/* 申请中断 */
	infrared_dev.irq_num = gpio_to_irq(infrared_dev.gpio);
	res = request_irq(infrared_dev.irq_num, infrared_interrupt, IRQF_TRIGGER_FALLING, "infrared", NULL);
	if (res)
	{
		gpio_free(infrared_dev.gpio);
		return res;
	}

	return 0;
}

/**
 * @brief 打开设备
 *
 * @param inode 传递给驱动的 inode
 * @param filp 设备文件，file 结构体有个叫做 private_data 的成员变量
 * 一般在 open 的时候将 private_data 指向设备结构体。
 * @return 0 成功;其他 失败
 */
static int infrared_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	/* 将设备数据设置为私有数据 */
	filp->private_data = &infrared_dev;

	printk(PRINTK_GRADE "infrared_openn");
    return 0;
}

/**
 * @brief 从设备读取数据
 *
 * @param filp 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param buf 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param count 要读取的数据长度
 * @param offt 相对于文件首地址的偏移
 * @return 0 成功;其他 失败
 */
static ssize_t infrared_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offt)
{
	int res = 0;
	// struct infrared_dev_t *infrared_dev = filp->private_data;

	res = copy_to_user(buf, infrared_receive_data, count);
    if(res != 0) {
		printk(PRINTK_GRADE "111111111111111n");
		return -1;
    }

	// printk(PRINTK_GRADE "infrared_readn");
    return 0;
}

/**
 * @brief 向设备写数据
 * @param filp 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param buf 要写给设备写入的数据
 * @param count 要写入的数据长度
 * @param offt 相对于文件首地址的偏移
 * @return 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
*/
static ssize_t infrared_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offt)
{
    int res = 0;
	// struct infrared_dev_t *infrared_dev = filp->private_data;

	char write_buf[1024] = {"0"};
	res = copy_from_user(write_buf, buf, count);
    if(res != 0) {
        return -1;
    }
	printk("kernel recevdata:%srn", write_buf);
    return 0;
}

static int infrared_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
	struct infrared_dev_t *infrared_dev = filp->private_data;

	printk(PRINTK_GRADE "infrared_fasyncn");
	/* 异步通知初始化 */
    return fasync_helper(fd, filp, on, &infrared_dev->fasync_queue);
}

/**
 * @brief 关闭/释放设备
 * @param filp 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 0 成功;其他 失败
*/
static int infrared_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	int res = 0;
	printk(PRINTK_GRADE "infrared_releasen");

	/* 删除异步通知 */
	infrared_fasync(-1, filp, 0);
    return res;
}

/* 设备操作函数结构体 */
static struct file_operations infrared_ops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = infrared_open,
    .read = infrared_read,
    .write = infrared_write,
    .release = infrared_release,
	.fasync = infrared_fasync,
};

/**
 * @brief 注册字符设备驱动
 *
 * @return 0，成功;其他负值,失败
*/
static int infrared_register(void)
{
    int ret = -1; 						// 保存错误状态码

	/* GPIO 中断初始化 */
	ret = infrared_init();

	/* 1、创建设备号 */
	/* 采用动态分配的方式，获取设备编号，次设备号为0 */
	/* 设备名称为 infrared_NAME，可通过命令 cat /proc/devices 查看 */
	/* INFRARED_CNT 为1，只申请一个设备编号 */
	ret = alloc_chrdev_region(&infrared_dev.devid, 0, INFRARED_CNT, INFRARED_NAME);
	if (ret

五、完整的驱动程序

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


/***************************************************************
文件名 : infrared.c
作者 : jiaozhu
版本 : V1.0
描述 : 红外接收器驱动
其他 : 无
日志 : 初版 V1.0 2023/3/3
***************************************************************/

/* 红外接收器的数据引脚 59 */
#define INFRARED_GPIO 59

#define PRINTK_GRADE KERN_INFO

/*------------------ 字符设备内容 ----------------------*/
#define INFRARED_NAME 	"infrared"
#define INFRARED_CNT	(1)

static unsigned char infrared_receive_data[4];

/*------------------ 设备数据结构体 ----------------------*/
struct infrared_dev_t
{
	dev_t devid; 						// 设备号
	struct cdev cdev; 					// cdev
	struct class *class; 				// 类
	struct device *device; 				// 设备
	struct device_node *nd;				// 设备节点
	int irq_num; 						// 中断号
	int gpio;							// 数据接收引脚
	struct fasync_struct *fasync_queue; // 异步相关结构体
};

struct infrared_dev_t infrared_dev;		// 设备数据结构体

/*------------------ 红外波形过滤结构体 ----------------------*/
struct infrared_pwm_t
{
	long long previous;					// 记录上一次的时间，64bit
	int flag;               			// 表示每个方波周期的开始
	long long start_time;				// 周期的起始时间
	int low_time;						// 低电平时间
	int high_time;						// 高电平时间
};

struct infrared_pwm_t infrared_pwm =		// 红外波形采集
{
	.flag = 0,
	.previous = 0,
	.start_time = 0,
	.low_time = 0,
	.high_time = 0,
};

/*------------------ 红外 NEC 数据解析结构体 ------------------*/
struct nec_decode_buf_t
{
	int flag;               			// 表示 NEC 数据开始
	unsigned  times[128];				// 记录每帧的时间
	int num;							// 表示第几帧
};

struct nec_decode_buf_t nec_buf =
{
	.flag = 0,
	.num = 0,
};


/**
 * @brief 红外 NEC 数据解析
 *
 * @param period 一个方波周期
*/
static void infrared_nec_decode(int period)
{
	int i, j;
	unsigned char temp;

	if ((period > 13000) && (period  10500) && (period  2100) && (nec_buf.times[i * 8 + j] private_data = &infrared_dev;

	printk(PRINTK_GRADE "infrared_openn");
    return 0;
}

/**
 * @brief 从设备读取数据
 *
 * @param filp 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param buf 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param count 要读取的数据长度
 * @param offt 相对于文件首地址的偏移
 * @return 0 成功;其他 失败
 */
static ssize_t infrared_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offt)
{
	int res = 0;
	// struct infrared_dev_t *infrared_dev = filp->private_data;

	res = copy_to_user(buf, infrared_receive_data, count);
    if(res != 0) {
		printk(PRINTK_GRADE "111111111111111n");
		return -1;
    }

	// printk(PRINTK_GRADE "infrared_readn");
    return 0;
}

/**
 * @brief 向设备写数据
 * @param filp 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param buf 要写给设备写入的数据
 * @param count 要写入的数据长度
 * @param offt 相对于文件首地址的偏移
 * @return 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
*/
static ssize_t infrared_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offt)
{
    int res = 0;
	// struct infrared_dev_t *infrared_dev = filp->private_data;

	char write_buf[1024] = {"0"};
	res = copy_from_user(write_buf, buf, count);
    if(res != 0) {
        return -1;
    }
	printk("kernel recevdata:%srn", write_buf);
    return 0;
}

static int infrared_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
	struct infrared_dev_t *infrared_dev = filp->private_data;

	printk(PRINTK_GRADE "infrared_fasyncn");
	/* 异步通知初始化 */
    return fasync_helper(fd, filp, on, &infrared_dev->fasync_queue);
}

/**
 * @brief 关闭/释放设备
 * @param filp 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 0 成功;其他 失败
*/
static int infrared_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	int res = 0;
	printk(PRINTK_GRADE "infrared_releasen");

	/* 删除异步通知 */
	infrared_fasync(-1, filp, 0);
    return res;
}

/* 设备操作函数结构体 */
static struct file_operations infrared_ops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = infrared_open,
    .read = infrared_read,
    .write = infrared_write,
    .release = infrared_release,
	.fasync = infrared_fasync,
};

/**
 * @brief 注册字符设备驱动
 *
 * @return 0，成功;其他负值,失败
*/
static int infrared_register(void)
{
    int ret = -1; 						// 保存错误状态码

	/* GPIO 中断初始化 */
	ret = infrared_init();

	/* 1、创建设备号 */
	/* 采用动态分配的方式，获取设备编号，次设备号为0 */
	/* 设备名称为 infrared_NAME，可通过命令 cat /proc/devices 查看 */
	/* INFRARED_CNT 为1，只申请一个设备编号 */
	ret = alloc_chrdev_region(&infrared_dev.devid, 0, INFRARED_CNT, INFRARED_NAME);
	if (ret

六、测试程序

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


/***************************************************************
文件名 : drive_read_app.c
作者 : jiaozhu
版本 : V1.0
描述 : 驱动读取测试
其他 : 使用方法：./drive_read_app [/dev/xxx]
argv[1] 需要读取的驱动
日志 : 初版 V1.0 2023/3/3
***************************************************************/


int fd;
char *filename;

/**
 * @brief 信号响应函数，用于读取红外接收的数据
 *
 * @param num 信号量
*/
void infrared_handler(int num)
{
    int res;
    unsigned char data_buf[4];
    /* 从驱动文件读取数据 */
    res = read(fd, data_buf, sizeof(data_buf));
    if (res == 0)
    {
        printf("infrared data: %02x %02x %02x %02xn", data_buf[0], data_buf[1], data_buf[2], data_buf[3]);
    }
    else
    {
        printf("read file %s failed!rn", filename);
    }
}

/**
 * @brief 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 flags = 0;

    if(argc != 2){
        printf("Error Usage!rn");
        return -1;
    }

    filename = argv[1];

    /* 打开驱动文件 */
    fd = open(filename, O_RDWR);
    if(!fd){
        printf("Can't open file %srn", filename);
        return -1;
    }

    signal(SIGIO, infrared_handler);
    /* 设置当前进程接收信号 */
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
    flags =fcntl(fd, F_GETFL);
    /* 开启异步通知 */
    fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);

    while (1);

    close(fd);

    return 0;
}

参考链接

几种常用的红外线信号传输协议：https://tech.hqew.com/news_1050217
小米红外遥控器如何适配到其他应用设备之上：https://blog.csdn.net/qq_40001346/article/details/108639243

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