Linux 设备驱动学习25--ADC 气压计等

---TITLE---
Linux IIO驱动开发解析：ADC传感器驱动原理与代码实现
---TAGS---
Linux,IIO,ADC,I2C,驱动开发
---CONTENT---
当需要为ADC（模数转换器）、加速度计、陀螺仪、光线传感器或气压计等工业级传感器编写驱动程序时，传统的字符设备或输入子系统模型往往不再适用。此时，Linux内核提供的IIO（Industrial I/O）子系统便成为理想选择。它提供了统一的Sysfs接口，无论ADC芯片型号如何，用户都可以通过标准的cat in_voltage0_raw命令读取电压值。IIO子系统能够自动处理原始寄存器数值到标准物理单位（如毫伏、米/秒平方）的转换（通过Scale比例因子和Offset偏移量），并且支持硬件FIFO和DMA，可高效处理数千赫兹的高速采样数据。

在IIO驱动模型中，开发者不再直接实现read函数来返回字节流，而是需要定义“通道”。每个物理引脚或测量轴都对应一个通道，例如in_voltage0（通道0电压）、in_accel_x（X轴加速度）、in_temp（温度）。用户空间最终会看到两个主要文件：_raw（寄存器的原始值）和_scale（比例因子）。内核已定义好这套标准，用户空间的应用（如libiio）会自动根据这些文件完成计算。

下面以一个简单的I2C接口ADC芯片为例，说明IIO驱动的基本编写步骤。

步骤一：定义通道

首先，需要定义设备所拥有的通道。这段代码会在/sys/bus/iio/devices/下自动生成对应的接口文件，例如in_voltage0_raw、in_voltage1_raw和in_voltage_scale。

#include <linux/iio/iio.h>

static const struct iio_chan_spec my_adc_channels[] = {
    {
        .type = IIO_VOLTAGE,           // 通道类型：电压
        .channel = 0,                  // 通道编号：0
        .indexed = 1,                  // 这是一个有索引的通道 (会生成voltage0)
        .info_mask_separate = BIT(IIO_CHAN_INFO_RAW),  // 每个通道都有独立的`_raw`文件
        .info_mask_shared_by_type = BIT(IIO_CHAN_INFO_SCALE), // 同类型通道共享一个`_scale`文件
    },
    {
        .type = IIO_VOLTAGE,
        .channel = 1,
        .indexed = 1,
        .info_mask_separate = BIT(IIO_CHAN_INFO_RAW),
    },
};

步骤二：实现读取函数

这是驱动的核心，read_raw回调函数用于响应用户空间对_raw和_scale等文件的读取操作。精通Linux驱动与I2C总线开发是完成这一步的关键。

struct my_adc_dev {
    struct i2c_client *client;
};

static int my_read_raw(struct iio_dev *indio_dev,
                       struct iio_chan_spec const *chan,
                       int *val, int *val2, long mask)
{
    struct my_adc_dev *data = iio_priv(indio_dev);
    int ret;

    switch (mask) {
    case IIO_CHAN_INFO_RAW: // 用户读取 in_voltageX_raw 时进入此分支
        // 1. 根据 chan->channel 判断用户要读取哪个硬件通道
        // 2. 通过I2C发送命令，读取硬件寄存器
        ret = i2c_smbus_read_word_data(data->client, chan->channel);
        if (ret < 0)
            return ret;
        *val = ret; // 将读取到的原始值赋值给*val
        return IIO_VAL_INT; // 告知内核返回值是一个整数

    case IIO_CHAN_INFO_SCALE: // 用户读取 in_voltage_scale 时进入此分支
        // 假设参考电压为3300mV，ADC精度为12位（最大值4096）
        // 换算公式：真实电压 = raw * (3300 / 4096) ≈ raw * 0.80566
        // 此处返回分数形式 3300 / 2^12
        *val = 3300;  // 分子
        *val2 = 12;   // 分母以2为底的对数（即2^12=4096）
        return IIO_VAL_FRACTIONAL_LOG2; // 返回类型：分数对数形式

    default:
        return -EINVAL;
    }
}

static const struct iio_info my_adc_info = {
    .read_raw = my_read_raw, // 挂载核心回调函数
};

步骤三：Probe初始化

在设备的probe函数中，完成IIO设备的初始化与注册。

static int my_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
    struct iio_dev *indio_dev;
    struct my_adc_dev *data;

    /* 1. 分配IIO设备结构体，并为其私有数据预留空间 */
    indio_dev = devm_iio_device_alloc(&client->dev, sizeof(*data));
    if (!indio_dev)
        return -ENOMEM;

    /* 2. 获取私有数据结构的指针 */
    data = iio_priv(indio_dev);
    data->client = client;

    /* 3. 填充IIO设备的核心结构体 */
    indio_dev->name = "my_adc_demo";
    indio_dev->info = &my_adc_info; // 设置操作函数集
    indio_dev->modes = INDIO_DIRECT_MODE; // 设置为直接读取模式
    indio_dev->channels = my_adc_channels; // 设置通道数组
    indio_dev->num_channels = ARRAY_SIZE(my_adc_channels);

    /* 4. 向内核注册IIO设备 */
    return devm_iio_device_register(&client->dev, indio_dev);
}

用户空间访问模式

IIO驱动注册成功后，用户空间主要有两种访问方式：

1. Sysfs模式：通过cat、echo命令直接读写/sys/bus/iio/devices/下的文件。这种方式简单，但速度慢，适用于低速、单次或低频次查询。
2. Buffer模式：启用IIO缓冲区和触发机制，可以实现高速、连续的数据采集。数据通过/dev/iio:deviceX字符设备节点读取，这涉及到DMA和内核缓存机制，适合处理实时流数据。