Linux+Qt驱动dht11温湿度传感器实验过程遇到的问题及解决办法

CHANBAEK 2023-05-23 2981

描述

最近想要做一个基于嵌入式Linux+Qt驱动dht11温湿度传感器的实验。想要实现的功能是通过野火的imx6ull开发板控制dht11传感器，然后使用Qt做一个上位机，在上位机上面把数据显示出来。

这里把我在做的过程中遇到的一些问题先记录一下，免得日后忘记。

在网上关于这方面的资料不多，大多数都是基于stm32来控制的，所以在做的过程中遇到一些问题解决起来也比较麻烦。

下面简述一下我做的过程及遇到的问题

首先查看原理图看使用到了哪个管脚，然后在设备树里添加相应的节点。这里用到了gpio子系统和pinctrl子系统。

接着参考网上的相关代码，进行了改写，因为这个传感器的时序也比较简单，所以有关时序的部分基本上可以不用改。

遇到的第一个问题 ：写好驱动后，在应用程序中使用read函数来读取设备文件，如果只读取一次，可以得到结果，但是如果使用while(1)来尝试反复读取，就会失败。

按照手册来说，只要两次读取间隔超过1秒就行了，但是我使用while(1)即使休眠sleep(3)之类的依然会在第二次读取的失败，而且整个函数会卡死在读取这里，这个进程怎么也杀不死，kill -9杀不死，kill -15 也杀不死。这里很快把问题定位在了read函数。

后面，我在代码中做了如下修改：本来在驱动程序里面有使用while函数来等待管脚电平的跳变，我认为这样是不合理的，因为没有超时处理，容易卡死，所以我加了一个计数，当超过一定计数值时就跳出while循环。 后来这个问题就解决了。虽然我是不确定一开始是不是因为这个原因，因为中间过了挺久的时间，我不确定有没有别的因素存在 ，总之后来就不会卡死了，可以使用while循环来反复读取。

遇到的第二个问题 ：在解决了上面的问题之后，insmod安装驱动，可以工作，然后rmmod卸载驱动，再次insmod安装驱动就会发现安装不上去。

温湿度传感器

使用dmesg命令查看内核打印的信息，比较容易猜到应该是卸载驱动的时候没有卸载干净，然后仔细看了一下驱动，在结合网上查找资料，发现我的驱动里没有写remove函数。所以我添加了remove函数，在remove函数里注销掉那些东西。 而且要注意注销的顺序，和注册是相反的，比如在驱动中最先是申请设备号，在注销的时候就是最后注销它，否则会出现很多错误，包括段错误 。

遇到的第三个问题 ：在解决了第二个问题之后，已经可以反复卸载和安装驱动了，但是发现一个问题，就是在第二次安装的时候，总是会出现gpio_request失败，按道理讲我已经在remove函数里使用gpio_free释放掉了，不应该会失败才对，后来发现是在gpio_request的时候还没拿到引脚号，全局变量没有初始化默认是0，所以request的是0，后来通过一个函数（忘记叫什么了，总之是gpio子系统的那些函数）从设备树中拿到引脚号，这个引脚号是2，所以后面free的是2，也就是说request和free的不是同一个引脚，当然会出错了。

这属于粗心的错，把这个问题解决了之后，这个驱动总算可以正常工作了，也完全可以反复卸载和安装。

遇到的第四个问题 ：在第一个问题里提到我在while里加了超时处理，防止一直死等卡死。最开始我是这样写的

while(gpio_get_value(gpio)==0 &&cnt<6)< span="">
{
       cnt++;
       udelay(10);
}

这里通过cnt来防止while死掉，也就是说最多等待60微秒就退出循环。 但是直觉告诉我这样不好 ，因为中间延时10个微秒太长了，导致响应性不好。所以我改成了这样：

while(gpio_get_value(gpio)==0 &&cnt<60)< span="">
{
       cnt++;
       udelay(1);
}

这样的实时响应性好多了，测出的数据也更准确了。

到这里为止，驱动就基本没有问题了，使用应用程序来读取设备文件，也基本没问题，就是有时数据校验会失败，但是测出的数据基本可以，而且是有变化的，说明还是比较可靠的。

接下来是把在Qt里把数据读出来并且显示， 下面说一下调试Qt遇到的问题 。

在写完驱动之后，很自然会写一个.c的测试程序，用来验证驱动是否能正常工作，很幸运，一下子就成功了，于是我认为在Qt中也是类似，直接用Qt里的read相关的函数去读取设备文件就好了，但是没想到在这个环节卡了我最久

起初，我使用Qfile 里的readAll方法去读，发现控制台会刷屏（刷屏就是驱动中的read一直被调用而打印出的信息刷屏），一读就停不下来，而且后面的程序也执行不了，也就是说函数没有返回。

我不太清楚是什么原因，只能换一个函数，接着我尝试了readLine方法，一样刷屏，接着尝试read方法，这个方法和C语言的read类似，参数里要填读几个字节，这和前面两个不太一样，所以我想，这回应该不会刷屏了吧。

结果确实没有刷屏，但是读取的数据是错的，体现出来的就是从机无响应（这时我还没有注意这个问题）。

虽然说数据是错的，但是好歹没有刷屏了，只要再想一想为什么会读出错的数据就行了。

我想到Qt里还有一种读文件的方式，就是使用数据流Datastream，但是效果和上面的read一样。

接着我开始思考刷屏的原因，百度了一下，有人说要在末尾加一个"\\0"，尝试，未果。

接着，我在一些技术交流群寻求帮助，因为此刻我的问题确实很奇怪，在自己写的.c测试程序里，调用read读设备文件是完全没有问题的，现在唯一的区别就是在Qt中读，驱动又不变，为什么读出来的是错的呢？我怀疑是Qt的read对数据的解析可能和C语言里不太一样，因为此刻是有数据的， 会不会是因为字节对齐之类的原因导致解析数据不对呢 ？群里大佬建议先排查一下源数据对不对。

于是我拿出了我许久没用过的逻辑分析仪来分析波形，我先观察了我的.c测试程序的波形，和手册描述的基本一致。接着观察Qt里read时的波形，一观察发现根本没有波形，正常情况应该是主机先拉低18ms，再拉高，等待从机应答。而我观察到的波形是主机拉低了30多ms才拉高，再看一下终端打印的数据， 发现驱动里的read被调用了两次 。

这时，我已经猜到原因了，**之所以数据不对，是因为驱动里的read被连续调用了两次，导致时序根本就不对，从机没有应答。 **

再观察之前使用readAll函数来读取，虽然会刷屏，但是偶尔能捕捉到有效的波形。这已经很能说明问题了，就是要解决驱动里的read为什么会被调用多次这个问题，正常应该是应用层调用一次read，驱动里的read就被调用一次。

关于这个问题，这篇文章讲的不错，使用cat读取和echo写内核文件节点的一些问题

这篇文章对我还是有很大的启发。总之就是驱动中read 的返回值会影响它是否被多次调用。

先来看一下驱动中read函数的参数和返回值

ssize_t dht11_chr_dev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *fops)

我经过很多实验，发现以下规律：

对于Qt中的readAll、readLine函数，不管驱动返回什么，readAll都会刷屏，readLine会调用驱动多次。

对于Qt中的read函数，如果驱动返回的是count，将不会刷屏，否则，也会刷屏。（这一点确实很奇怪）

更奇怪的是同样的实验条件，在多次实验中甚至可能得到不同的结果，但是上面这几点结论是反复实验得到的结论。

最后，我发现可以在Qt中使用C和C++混合编程，方法就是使用

extern "C"{
#include    //这里写用到的C头文件
}

然后在用到的C语言的函数前加两个冒号，比如

::read(fd,buf,sizeof(buf));

这样就可以直接调用C语言代码了，而且发现效果还不错，比Qt中的read系列函数稳定。（实验次数有限，从我观察到的结果来看是这样）。

所以，最终的解决方法就是：

方法一 ：使用Qfile 的read函数，使用方法和C语言类似，可以正确读出数据，但是要注意，如果使用这个函数，驱动中的read要返回参数列表中的count，否则会刷屏。

方法二 ：直接使用混合编程的方式，调用C语言中的read ，这样测出的效果是最好的，而且不必要求驱动中的read 返回count，直接返回实际读取的字节即可，也就是copy_to_user的字节数。

驱动代码参考了Linux下DHT11驱动编程，以及测试程序

在此基础上修改得到

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


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


#include 








/*------------------字符设备内容----------------------*/
#define DEV_NAME            "dht11"
#define DEV_CNT                 (1)


typedef struct
{
  uint8_t  humi_int;   //湿度的整数部分
  uint8_t  humi_deci;   //湿度的小数部分
  uint8_t  temp_int;   //温度的整数部分
  uint8_t  temp_deci;   //温度的小数部分
  uint8_t  check_sum;   //校验和





} DHT11_Data_TypeDef;




//定义字符设备的设备号
static dev_t dht11_devno;
//定义字符设备结构体chr_dev
static struct cdev dht11_chr_dev;




struct class *class_dht11;  //保存创建的类
struct device *device;      // 保存创建的设备
struct device_node  *dht11_device_node; //dht11的设备树节点


int dht11_data_pin;         // 保存获取得到的dht11引脚编号


DHT11_Data_TypeDef DHT11_Data;


//从DHT11读取1byte数据,MSB先行
uint8_t DHT11_ReadByte(void)
{
  uint8_t i, temp=0;

    int cnt=0;
  for(i=0;i<8;i++)    
  {   
    /*每bit以50us低电平标置开始，轮询直到从机发出 的50us 低电平 结束*/
    while(gpio_get_value(dht11_data_pin) == 0  && cnt<60)
        {
            cnt++;
            udelay(1);
        }
        cnt =0;
    /*DHT11 以26~28us的高电平表示“0”，以70us高电平表示“1”，
     *通过检测 x us后的电平即可区别这两个状 ，x 即下面的延时 
     */
    udelay(40); //延时x us 这个延时需要大于数据0持续的时间即可         

    if(gpio_get_value(dht11_data_pin))/* x us后仍为高电平表示数据“1” */
    {
      /* 等待数据1的高电平结束 */
      while(gpio_get_value(dht11_data_pin) && cnt<50)
            {
                cnt++;
                udelay(1);
            }

      temp|=(uint8_t)(0x01<<(7-i));  //把第7-i位置1，MSB先行 
    }
    else   // x us后为低电平表示数据“0”
    {         
      temp&=(uint8_t)~(0x01<<(7-i)); //把第7-i位置0，MSB先行
    }
  }


  return temp;

}


/**
 * 一次完整的数据传输为40bit，高位先出
 * 8bit 湿度整数 + 8bit 湿度小数 + 8bit 温度整数 + 8bit 温度小数 + 8bit 校验和的末8位
 */
uint8_t DHT11_Read_TempAndHumidity(DHT11_Data_TypeDef *DHT11_Data)
{
  //  int ret;
    int cnt=0;

    printk(KERN_ERR"DHT11_Read_TempAndHumidity 被调用\\n");

  /*主机拉低*/
  gpio_direction_output(dht11_data_pin, 0);

  /*延时18ms,(>=18ms)*/
  mdelay(18);

  /*总线拉高 主机延时30us*/
  gpio_direction_output(dht11_data_pin, 1);

  udelay(30);   //延时30us,(20~40us)

  /*主机设为输入 判断从机响应信号*/ 
  gpio_direction_input(dht11_data_pin);

  /*判断从机是否有低电平响应信号 如不响应则跳出，响应则向下运行*/   
  if(gpio_get_value(dht11_data_pin) == 0)     
  {
    /*轮询直到从机发出 的80us 低电平 响应信号结束*/  
    while(gpio_get_value(dht11_data_pin) == 0 && cnt<100)
        {
            cnt++;
            udelay(1);
        }
        cnt = 0;
    /*轮询直到从机发出的 80us 高电平 标置信号结束*/
    while(gpio_get_value(dht11_data_pin) && cnt<100)
        {
            cnt++;
            udelay(1);
        }

    /*开始接收数据*/   
    DHT11_Data->humi_int= DHT11_ReadByte();

    DHT11_Data->humi_deci= DHT11_ReadByte();

    DHT11_Data->temp_int= DHT11_ReadByte();

    DHT11_Data->temp_deci= DHT11_ReadByte();

    DHT11_Data->check_sum= DHT11_ReadByte();




    /*读取结束，引脚改为输出模式,主机拉高*/
    gpio_direction_output(dht11_data_pin, 1);


        printk("humi: %d.%d, temp: %d.%d,check:%d\\n",DHT11_Data->humi_int,\\
                    DHT11_Data->humi_deci,DHT11_Data->temp_int,DHT11_Data->temp_deci,DHT11_Data->check_sum);
    /*检查读取的数据是否正确*/
    //DHT11_Data->check_sum的正确的结果是温湿度总和的末8位,结构体也有定义check_sum为uint8_t类型
    if(DHT11_Data->check_sum == DHT11_Data->humi_int + DHT11_Data->humi_deci + DHT11_Data->temp_int+ DHT11_Data->temp_deci)
      return 0;
    else {
       printk(KERN_ERR " ERROR 数据校验失败");
       return -1;
    }

  }
  else
    {
        printk(KERN_ERR "ERROR 从机无响应");
        return -1;
    }


}




/*字符设备操作函数集，open函数*/
static int dht11_chr_dev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  printk("\\n open form driver \\n");
    return 0;
}


/*字符设备操作函数集，write函数*/
static ssize_t dht11_chr_dev_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{



  unsigned char write_data; //用于保存接收到的数据


  int error = copy_from_user(&write_data, buf, cnt);
  if(error < 0) {
    return -1;
  }


  return 0;
}




ssize_t dht11_chr_dev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *fops)
{




  int size=sizeof(DHT11_Data_TypeDef);
  printk(KERN_ERR " count: %d, fops: %lld\\n", count, *fops);

  printk(KERN_ERR "--------%s---------\\n",__func__);

    /*调用DHT11_Read_TempAndHumidity读取温湿度，若成功则输出该信息*/
  if( DHT11_Read_TempAndHumidity ( & DHT11_Data ) != 0)
  {
    printk(KERN_ERR "Read DHT11 ERROR!\\r\\n");
  }
  else
  {
    if(copy_to_user(buf, &DHT11_Data, size)!=0)
    {
      printk(KERN_ERR " 拷贝失败\\n");
//        return 0;
    }
    else
      printk(KERN_ERR " 拷贝成功\\n");
  }

    // ret= simple_read_from_buffer(buf, count, fops, &DHT11_Data, sizeof(DHT11_Data_TypeDef));
  //   *fops=0;

  return count;
//    return size;
}






/*字符设备操作函数集*/
static struct file_operations  dht11_chr_dev_fops = 
{
  .owner = THIS_MODULE,
    .open = dht11_chr_dev_open,
  .write = dht11_chr_dev_write,
  .read = dht11_chr_dev_read,
};






/*----------------平台驱动函数集-----------------*/
static int dht11_probe(struct platform_device *pdv)
{

  int ret = 0;  //用于保存申请设备号的结果

  printk(KERN_EMERG "\\t  match successed  \\n");

    /*获取dht11的设备树节点*/
    dht11_device_node = of_find_node_by_path("/dht11");
    if(dht11_device_node == NULL)
    {
        printk(KERN_EMERG "\\t  get dht11 failed!  \\n");
    }


    dht11_data_pin = of_get_named_gpio(dht11_device_node, "dht11_data_pin", 0);



    printk("dht11_data_pin = %d\\n ", dht11_data_pin);


  ret=gpio_request(dht11_data_pin, "DQ_OUT");
    if(ret==0)
    {
        printk(KERN_ERR "gpio request success\\n");
    }
    else
    {
        printk(KERN_ERR "gpio request failed \\n");

    }




    gpio_direction_output(dht11_data_pin, 1);





  /*---------------------注册 字符设备部分-----------------*/


  //第一步
    //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rgb-leds，可通过命令cat  /proc/devices查看
    //DEV_CNT为1，当前只申请一个设备编号
    ret = alloc_chrdev_region(&dht11_devno, 0, DEV_CNT, DEV_NAME);
    if(ret < 0){
        printk("fail to alloc dht11_devno\\n");
        goto alloc_err;
    }
    //第二步
    //关联字符设备结构体cdev与文件操作结构体file_operations
  dht11_chr_dev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&dht11_chr_dev, &dht11_chr_dev_fops);
    //第三步
    //添加设备至cdev_map散列表中
    ret = cdev_add(&dht11_chr_dev, dht11_devno, DEV_CNT);
    if(ret < 0)
    {
        printk(KERN_ERR"fail to add cdev\\n");
        goto add_err;
    }


  //第四步
  /*创建类 */
  class_dht11 = class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);
    if(class_dht11==NULL)
    {
        printk(KERN_ERR"class creat failed\\n");
        goto add_class;
    }
  /*创建设备*/
  device = device_create(class_dht11, NULL, dht11_devno, NULL, DEV_NAME);
    if(device==NULL)
    {
        printk(KERN_ERR"device creat failed\\n");
        goto add_device;
    }
  return 0;


 //   device_destroy(class_dht11,dht11_devno);
add_device:
    class_destroy(class_dht11);
    printk(KERN_EMERG "\\t  删除类成功  \\n");
add_class:
    cdev_del(&dht11_chr_dev);
    printk(KERN_EMERG "\\t  删除设备成功  \\n");


add_err:
    //添加设备失败时，需要注销设备号
    unregister_chrdev_region(dht11_devno, DEV_CNT);
  printk(KERN_EMERG"\\n 注销设备号成功! \\n");
alloc_err:


  return -1;


}


int  dht11_remove(struct platform_device *dht11_dev)
{
    printk(KERN_EMERG"开始释放资源");
    gpio_free(dht11_data_pin);
    device_destroy(class_dht11,dht11_devno);
    class_destroy(class_dht11);
    cdev_del(&dht11_chr_dev);
    unregister_chrdev_region(dht11_devno, DEV_CNT);
    printk(KERN_EMERG"释放资源完毕");
    return 0;
}




static const struct of_device_id dht11[] = {
{ .compatible = "dht11"},
  { /* sentinel */ }
};


/*定义平台设备结构体*/
struct platform_driver dht11_platform_driver = {
  .probe = dht11_probe,
    .remove = dht11_remove,
  .driver = {
    .name = "dht11-platform",
    .owner = THIS_MODULE,
    .of_match_table = dht11,
  }
};






/*
*驱动初始化函数
*/
static int __init dht11_platform_driver_init(void)
{
  int DriverState;

  DriverState = platform_driver_register(&dht11_platform_driver);

  printk(KERN_EMERG "\\tDriverState is %d\\n",DriverState);
  return 0;
}




/*
*驱动注销函数
*/
static void __exit led_platform_driver_exit(void)
{


  printk(KERN_EMERG "dht11 module exit!\\n");


  platform_driver_unregister(&dht11_platform_driver);  
}




module_init(dht11_platform_driver_init);
module_exit(led_platform_driver_exit);


MODULE_LICENSE("GPL");

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