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STM32 物联网智能家居 (三) 输入子系统

STM32 物联网智能家居 (三) 输入子系统

下面是物联网智能家居的输入子系统,见下图,在输入子系统中会实现按键输入、网络输入、标准输入Scanf,其中的网络输入放入到网络子系统中进行讲解。

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一、输入子系统核心功能

STM32 物联网智能家居输入子系统是一个模块化的、分层的输入管理框架,具备以下核心功能:

1. 多种输入设备的支持与抽象
  • 通过设备抽象层 (InputDevice) 统一管理不同类型的输入设备。
  • 提供了灵活的接口,方便扩展更多输入设备(如触摸屏、网络事件等)。
2. 输入事件的统一管理与处理
  • 环形缓冲区(Input Buffer):作为输入事件的核心传输通道,确保事件按顺序可靠传递。
    • 支持事件的高效写入和读取。
    • 处理缓冲区溢出和空闲状态,提升系统稳定性。
  • 支持多种输入事件类型(按键、触摸、网络等),为未来扩展打下基础。
3. 平台与操作系统的无关性
  • 通过 芯片抽象层 (CAL)屏蔽了硬件平台的差异,支持多种芯片的接入。
    • 如 GPIO 初始化、系统时间获取等功能根据芯片特性动态适配。
  • 通过 内核抽象层 (KAL) 屏蔽了裸机和 RTOS(如 FreeRTOS、RT-Thread)的实现差异。
    • 支持在多种操作系统或无操作系统的环境下运行。

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4. 事件的实时处理与测试
  • 提供了 input_test()模块,用于实时测试输入子系统。
    • 注册和初始化所有输入设备。
    • 实时读取输入事件,并通过串口输出事件详情(时间戳、类型、按键编号等)。
5. 模块化设计与扩展性
  • 采用了分层架构:
    • 硬件抽象层(HAL):操作与芯片相关的寄存器。
    • 芯片抽象层 (CAL):与硬件相关,处理芯片特定实现。
    • 内核抽象层 (KAL):统一接口,适配不同的操作系统。
    • 应用层(APPL):管理设备与事件,提供用户接口。
  • 分层设计确保代码的可移植性和可扩展性,方便未来添加新设备或支持新平台。
6. 时间与事件的精确管理
  • 基于 HAL_GetTick()的系统时间管理:
    • 提供了精确的时间戳,用于标记每个输入事件的发生时刻。
    • 支持长时间运行的系统中按键事件的去抖动和超时管理。
7. 稳定性与容错性
  • 缓冲区的防溢出与边界检测。
  • 输入设备初始化过程中的防御式编程,确保设备未正常注册或初始化时系统不会崩溃。

综上所述,该输入子系统为 STM32 智能家居系统 提供了可靠、高效、可扩展的输入事件处理能力。通过模块化设计和抽象分层,无论是添加新设备还是适配不同的操作系统和硬件平台,都能快速实现。此系统不仅为物联网项目的输入管理奠定了坚实基础,还展现了优秀的代码组织与工程设计思想。

二、代码解析

1. 主进入函数 (main.c)

main.c中,main()函数作为全系统的进入点:

  • 初始化STM32的硬件设备:GPIO和USART。
  • 调用 input_test() 测试全部输入功能,实时监测输入事件。

代码详解

int main(void)
{
    HAL_Init();  // 初始化HAL库,设置系统相关的中断和时钟。
    SystemClock_Config();  // 配置系统时钟,使芯片工作在目标频率。
    MX_GPIO_Init();  // 初始化GPIO外设,为输入输出做准备。
    MX_USART1_UART_Init();  // 初始化USART1,用于调试信息输出。
    MX_USART3_UART_Init();  // 初始化USART3,用于串口通信。
    
    ring_buffer_init(&test_buffer); // 初始化环形Buffer缓冲区。
    EnableDebugIRQ();

    printf("Hello World!\r\n");  // 打印调试信息,确认系统启动成功。

    while (1)
    {
        input_test();  // 进入输入测试循环,处理输入事件。
    }
}

2. 芯片抽象层 (CAL)

CAL层实现了与种类芯片相关的具体功能:

  • GPIO按键初始化和事件处理:
    cal_gpio_key.ccal_gpio_key.h 中实现。
    • 通过实现 CAL_GPIOKkeyInit() 函数来初始化GPIO按键。
    • 举例:对ST芯片调用 KEY_GPIO_ReInit() ;对非ST芯片将调用其实现。

代码详解

void CAL_GPIOKkeyInit(void)
{
#if defined(CONFIG_ST_HAL)
    // 对于ST芯片,调用专用的GPIO初始化函数。
    KEY_GPIO_ReInit();
#else
    // 对于其他芯片,调用通用的GPIO初始化函数。
    MY_KEY_GPIO_ReInit();
#endif
}
  • 时间获取:
    cal_time.ccal_time.h 中实现 CAL_GetTime() 函数,能够从系统中获取时间。

代码详解

TIME_T CAL_GetTime(void)
{
    return HAL_GetTick();  // 返回系统滴答时间,单位为毫秒。
}

3. 内核抽象层 (KAL)

在内核层,通过抽象屏蔽不同OS之间的区别:

  • GPIO初始化:
    kal_gpio_key.ckal_gpio_key.h 中,实现了 KAL_GPIOKkeyInit() 函数:
    • 支持在裸机或RTOS平台上调用 CAL 或特定的RTOS初始化方案。

代码详解

void KAL_GPIOKkeyInit(void)
{
#if defined(CONFIG_NOOS)
    // 对于裸机环境,直接调用芯片抽象层的GPIO初始化函数。
    CAL_GPIOKkeyInit();
#elif defined(CONFIG_FREERTOS)
    // 对于FreeRTOS,使用专用的初始化方案。
    FreeRTOS_GPIOKkeyInit();
#elif defined(CONFIG_RTTHREAD)
    // 对于RT-Thread,使用其对应的初始化方案。
    RTTread_GPIOKkeyInit();
#endif
}
  • 时间获取:
    kal_time.ckal_time.h 中,调用CAL层的时间函数。

代码详解

TIME_T KAL_GetTime(void)
{
    return CAL_GetTime();  // 调用芯片抽象层函数获取系统时间。
}

4. 输入系统模块 (Input System)

通过 input_system.cinput_system.h

  • 实现输入设备的注册和初始化。
  • 通过实例化 InputDevice 实现与设备相关的功能添加。
  • 通过加入输入设备如GPIO键:AddInputDevices()

代码详解

void AddInputDevices(void)
{
    AddInputDeviceGPIOKey();  // 注册GPIO按键设备到系统。
}

void InitInputDevices(void)
{
    PInputDevice pDev = g_ptInputDevices;
    while (pDev)
    {
        pDev->DeviceInit();  // 初始化每个输入设备,确保其功能正常。
        pDev = pDev->pNext;  // 遍历链表,初始化下一个设备。
    }
}

5. 输入事件环形缓冲区 (Input Buffer)

在系统中,Input Buffer 是输入事件的主要传输通道:

  • 实现事件的写入:PutInputEvent()
  • 实现事件读取:GetInputEvent()

代码详解

int PutInputEvent(PInputEvent ptInputEvent)
{
    int i = (g_tInputBuffer.pW + 1) % BUFFER_SIZE;  // 计算写入位置是否超出缓冲区。
    if (i != g_tInputBuffer.pR)  // 缓冲区未满时才允许写入。
    {
        g_tInputBuffer.buffer[g_tInputBuffer.pW] = *ptInputEvent;  // 将事件写入缓冲区。
        g_tInputBuffer.pW = i;  // 更新写指针。
        return 0;  // 写入成功。
    }
    return -1;  // 缓冲区已满,写入失败。
}

int GetInputEvent(PInputEvent ptInputEvent)
{
    if (g_tInputBuffer.pR == g_tInputBuffer.pW)  // 缓冲区为空时,返回失败。
        return -1;

    *ptInputEvent = g_tInputBuffer.buffer[g_tInputBuffer.pR];  // 读取缓冲区中的事件。
    g_tInputBuffer.pR = (g_tInputBuffer.pR + 1) % BUFFER_SIZE;  // 更新读指针。
    return 0;  // 读取成功。
}

6. 测试功能 (Input Test)

input_test.cinput_test.h 中,通过 input_test() 执行输入测试:

  • 调用注册和初始化的输入设备。
  • 展示输入事件(时间,类型,键值)。

代码详解

void input_test(void)
{
    InputEvent event;  // 定义输入事件结构体。
    AddInputDevices();  // 注册设备,将所有输入设备加入系统。
    InitInputDevices();  // 初始化设备,确保其工作状态正常。
    while (1)
    {
        if (GetInputEvent(&event) == 0)  // 从缓冲区中读取事件。
        {
            printf("get input event:\r\n");  // 打印事件详情。
            printf("type: %d\r\n", event.eType);  // 输出事件类型。
            printf("time: %d\r\n", event.time);  // 输出事件发生时间。
            printf("key : %d\r\n", event.iKey);  // 输出按键编号。
            printf("pressure : %d\r\n", event.iPressure);  // 输出按键压力状态。
        }
    }
}

三、示例演示

下面我们将程序下载到开发板中,进行Debug调试

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下面运行到输入子系统的测试,通过注册按键Key设备,然后用串口进行打印信息。

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下面分别按下按键Key1和按键Key2,使用串口助手打印出注册的按键事件。

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四、总结

至此。通过添加设备抽象层,如GPIO键和时间监控,配合输入系统和测试,已构建了一个框架分明的物联网智能家居输入子系统。

此系统能将高度进行抽象和分层,对于事件跨芯片和平台进行多样化处理,最终展现了很好的优化效果。

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http://www.kler.cn/a/504866.html

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