Linux驱动（中断、异步通知）：红外对射，并在Qt StatusBus使用指示灯进行显示

本文工作：

1、Linux驱动与应用程序编写：使用了设备树、中断、异步通知知识点，实现了红外对射状态的异步信息提醒。

2、QT程序编写：自定义了一个“文本指示灯”类，并放置在QMainWidget的StatusBus中。

3、C与C++混合编程与调试：将Linux C下的面向过程转化为QT C++的面向对象。但是Linux C下signal函数需要使用static函数作为传入参数，但是C++中static的用法与C语言不一样，因此在C++中对抽象出的类进行了适配与修改。

参考资料

1、《正点原子：I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.6》

2、C/C++ static关键字详解（最全解析，static是什么，static如何使用，static的常考面试题）-CSDN博客

3、【创龙AM4379 Cortex-A9试用体验】之I/O中断异步通知驱动程序+QT捕获Linux系统信号+测试信号通知 - ARM技术论坛 - 电子技术论坛 - 广受欢迎的专业电子论坛! (elecfans.com)

4、Qt 封装一个简单的LED(指示灯)控件_qt 指示灯-CSDN博客

本文不对基础知识进行讲解，因此阅读本文需要一定的驱动/QT基础。

开发板：IMX6ULL

内核版本：4.1.15

QT版本：5.12

一、项目需求与效果

1、项目需求：

项目中的一个简单传感器：使用红外对射，检查物品是否放入了盒子中，并在QT界面的statusBus中，使用指示灯的形式进行显示与说明。

2、代码效果

红外对射-Linux驱动-QT

代码效果：屏幕左下角文本指示灯的变化

二、Linux驱动与应用程序编写

1、使用引脚说明

本次所使用的引脚为GPIO2_2，查看了I.MX6ULL核心板对GPIO的描述，该引脚可复用到GPIO1_IO02引脚上，因此我们需要先修改下设备树的文件。

2、修改设备树文件

在根节点目录下先添加节点：

gpio_infrared {compatible = "csx-gpio-infrared";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_infrared>;infrared-gpio = <&gpio1 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;interrupts = < IRQ_TYPE_EDGE_BOTH>;status = "okay";};

项目中，我们需要极度关注是否有物体存入，进拿进取出都需要通知用户，因此需要中断类型使用IRQ_TYPE_EDGE_BOTH。

其中的pinctrl_infrared为：

pinctrl_infrared: infraredgrp {fsl,pins = <MX6UL_PAD_GPIO1_IO02__GPIO1_IO02 0x10B0>;};

修改完之后，执行make dtbs，更换开发板的设备树之后，我们使用 ls /proc/device-tree查看是否有我们增加的设备树节点。

如上图，设备树修改成功，接下来就是编写驱动文件。

3、驱动文件编写

（1）结构体编写

/* 设备中断结构体 */
struct irq_gpio_infrared{int gpio;				/* gpio */int irqnum;				/* 中断号 */unsigned char value;	/* 读取的值 */char name[10];			/* 名字 */irqreturn_t (*handler)(int,void *); /* 中断服务函数 */};/* gpioinfrared设备结构体 */
struct gpio_infrared_dev{dev_t devid;			/* 设备号 	 */struct cdev cdev;		/* cdev 	*/struct class *class;	/* 类 		*/struct device *device;	/* 设备 	 */int major;				/* 主设备号	  */int minor;				/* 次设备号   */struct device_node	*nd; /* 设备节点 */struct irq_gpio_infrared irqgpioinfrared;	/* 中断结构体 */struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};struct gpio_infrared_dev gpioinfrared;	/* infrared设备 */

代码中我们需要注意的是，使用了中断结构体，用于红外对射，检测到物体时通知用户，在各种通知方法中，使用异步通知是最可行的，其他方法需要占据大量的cpu资源，不适合本次的应用场景，因此，中断服务其实就是使用异步通知对用户进行通知，因此，我们还需要使用异步通知的结构体。

（2）获取设备树节点的信息【设备树API、GPIO子系统API】

	/* 1、获取设备节点：gpioinfrared */gpioinfrared.nd = of_find_node_by_path("/gpio_infrared");if(gpioinfrared.nd == NULL) {printk("gpioinfrared node not find!\r\n");return -EINVAL;} else {printk("gpioinfrared node find!\r\n");}/* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到GPIO所使用的编号 */gpioinfrared.irqgpioinfrared.gpio = of_get_named_gpio(gpioinfrared.nd, "infrared-gpio", 0);if(gpioinfrared.irqgpioinfrared.gpio < 0) {printk("can't get infrared-gpio");return -EINVAL;}else{printk("infrared-gpio num = %d\r\n", gpioinfrared.irqgpioinfrared.gpio);}/* 3、初始化使用的gpio */memset(gpioinfrared.irqgpioinfrared.name,0,sizeof(gpioinfrared.irqgpioinfrared.name));sprintf(gpioinfrared.irqgpioinfrared.name,"gpioinfrared%d",i);ret = gpio_direction_input(gpioinfrared.irqgpioinfrared.gpio);if(ret < 0) {printk("can't set gpio!\r\n");}

（3）中断申请

	/* 4、设置中断模式，返回中断号 */gpioinfrared.irqgpioinfrared.irqnum = gpio_to_irq(gpioinfrared.irqgpioinfrared.gpio);printk("gpio:%d,irq:%d",gpioinfrared.irqgpioinfrared.gpio,gpioinfrared.irqgpioinfrared.irqnum);/* 申请中断 */gpioinfrared.irqgpioinfrared.handler = goio_infrared_handler;ret = request_irq(gpioinfrared.irqgpioinfrared.irqnum, gpioinfrared.irqgpioinfrared.handler, IRQF_TRIGGER_FALLING|IRQF_TRIGGER_RISING,gpioinfrared.irqgpioinfrared.name, &gpioinfrared);if(ret < 0){printk("irq %d request fail infrared!\r\n", gpioinfrared.irqgpioinfrared.irqnum);printk("irq_name: %s\r\n",gpioinfrared.irqgpioinfrared.name);return -EFAULT;}if (ret==-EBUSY){printk("irq already apply\r\n");}

（4）编写红外对射的中断函数

/*GPIO红外中断服务函数，用于发送异步信息
*/
static irqreturn_t goio_infrared_handler(int irq,void *dev_id)
{struct gpio_infrared_dev *dev = (struct gpio_infrared_dev *)dev_id;printk("irq happend!\r\n");kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN);return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

如上述所说，就是用于发送异步通信的！在这里还使用内核进行打印输出，方便检测。

（5）编写异步通信函数

static int imx6uirq_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{struct gpio_infrared_dev *dev = (struct gpio_infrared_dev *)filp->private_data;return fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue);
}static int imx6uirq_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return imx6uirq_fasync(-1, filp, 0);
}

（6）编写用户层数据接口

/** @description		: 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 - cnt 	: 要读取的数据长度* @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移* @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t infrared_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int ret = 0;unsigned char value=-1;struct gpio_infrared_dev *dev = (struct gpio_infrared_dev *)filp->private_data;value = gpio_get_value(dev->irqgpioinfrared.gpio);printk("gpioinfrared read:%d!\r\n",value);ret = copy_to_user(buf, &value, sizeof(value));return ret;
}

重点的内容都介绍完了，接下来就是检查下是否正确驱动编写是否正确了！make生成.ko文件后，传到开发板，使用insmod命令，会有如下输入：

此时，我们将红外进行对射后，就会有如下输出：

即驱动编写正确。接下来，我们先编写应用程序的代码，接收异步通知的提醒。

4、Linux C应用程序代码编写

应用程序接收异步通知需要以下三个步骤：

（1）使用signal函数设置（驱动程序所使用的）信号处理函数；

（2）将当前应用程序的内核号告知内核

（3）开启异步通知

signal(SIGIO, sigio_signal_func);   /* 设置信号SIGIO的处理函数     */
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());		/* 设置当前进程接收SIGIO信号   */
flags = fcntl(fd, F_GETFL);			/* 获取当前的进程状态 		  */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);	/* 设置进程启用异步通知功能 	  */
在此处的异步处理函数就很简单了，使用GPIO子系统的API获取当前的引脚数值，但是值得一提的是， signal函数的传入函数必须是使用static进行修饰的，在后面与C++代码对接时，就是因为static增加了不少的限制。 
/** SIGIO信号处理函数* @param - signum 	: 信号值* @return 			: 无*/
static void sigio_signal_func(int signum)
{int err = 0;unsigned int infrared_value = 0;err = read(fd, &infrared_value, sizeof(infrared_value));if(err < 0) {/* 读取错误 */printf("read error!\r\n");} else {printf("sigio signal:%d!\r\n",infrared_value);}}

接下来，我们在进行交叉编译之后

arm-linux-gnueabihf-gcc infrared_asy.c -o infrared_asy

进行测试一下。

上图所示，测试成功！

三、C++ Qt程序编写

1、自定义LedWithText

 先根据自己的需要，对参考资料第四点对自封装的LED控件进行了简化，类名为QSimpleLed

QSimpleLed.cpp文件

#include "qsimpleled.h"#include <QGradient>
#include <QPainter>
#include <QDebug>
#include <QColor>QSimpleLed::QSimpleLed(QWidget *parent, QColor color,int radius): QLabel(parent), mColor(color)
{setMinimumSize(radius, radius);setMaximumSize(radius,radius);
}void QSimpleLed::setStates(QSimpleLed::LEDSTATES states)
{switch (states) {case ON:resetStatus();mStates = ON;break;case OFF:resetStatus();break;case BLINK:resetStatus();if (!mBlinkTimer) {mBlinkTimer = new QTimer(this);connect(mBlinkTimer, &QTimer::timeout, this, &QSimpleLed::onBlinkTimerTimeout);}mBlinkTimer->setInterval(mInterval);mBlinkTimer->start();mStates = BLINK;break;default:qDebug() << "LED - unknown states!!!";}update();
}void QSimpleLed::setColor(QColor color)
{mColor = color;
}void QSimpleLed::paintEvent(QPaintEvent *event)
{Q_UNUSED(event);qreal realSize = qMin(width(), height());QPainter painter(this);painter.setRenderHint(QPainter::Antialiasing);      // 反锯齿painter.translate(width()/2, height()/2);           // 绘点移到控件中心处if(blinkState)painter.setBrush(QBrush(QColor(111,111,111)));elsepainter.setBrush(QBrush(mColor));painter.drawEllipse(QPointF(0, 0), realSize/2, realSize/2);}void QSimpleLed::resizeEvent(QResizeEvent *event)
{Q_UNUSED(event);update();
}void QSimpleLed::onBlinkTimerTimeout()
{blinkState = !blinkState;update();
}void QSimpleLed::resetStatus()
{if (mBlinkTimer && mBlinkTimer->isActive()) {mBlinkTimer->stop();}mStates = OFF;
}

QSimpleLed.h文件

#ifndef QSIMPLELED_H
#define QSIMPLELED_H#include <QLabel>
#include <QTimer>
#include <QColor>class QSimpleLed : public QLabel
{Q_OBJECTpublic:enum LEDSTATES {ON       = 0,OFF      = 1,BLINK    = 2,};QSimpleLed(QWidget *parent = nullptr, QColor color = Qt::green,int radius=16);void setStates(LEDSTATES states);void setInterval(int msec) { mInterval = msec; }void setColor(QColor color);protected:virtual void paintEvent(QPaintEvent *event) override;virtual void resizeEvent(QResizeEvent *event) override;private slots:void onBlinkTimerTimeout();private:void resetStatus();LEDSTATES mStates = OFF;QColor mColor;QTimer *mBlinkTimer = nullptr;int mInterval = 500;bool blinkState = false;};#endif // QSIMPLELED_H

再根据自己的需求，自定义一个widget，用于存放led（左）与text（右），我们在外部只需要传入led的状态、颜色、文本的内容即可，该类的名称为LedWithText。

LedWithText.cpp

#include "ledwithtext.h"
#include <QFont>
#include <QDebug>ledWithText::ledWithText(QWidget *parent, QColor color, const QString &text):QWidget(parent)
{ledLabel = new QSimpleLed(this);ledLabel->setColor(color);
//    ledLabel->setStyleSheet("border-width: 1px;border-style: solid;border-color: rgb(255, 170, 0);");textLabel = new QLabel(text,this);textLabel->adjustSize();textLabel->setAlignment(Qt::AlignVCenter);textLabel->setMinimumHeight(ledLabel->height()+5);textLabel->setVisible(!text.isEmpty());QFont ft;ft.setPointSize(14);textLabel->setFont(ft);layout = new QHBoxLayout(this);layout->addWidget(ledLabel);layout->addWidget(textLabel);layout->setSpacing(5);setLayout(layout);int adjustWith = ledLabel->width()+textLabel->width()+25;int adjustHeight = textLabel->height()+10;
//    qDebug()<<adjustHeight<<adjustWith;setGeometry(0,0,adjustWith,adjustHeight);
}ledWithText::~ledWithText()
{delete  ledLabel;delete  textLabel;
}void ledWithText::setLedColor(QColor color)
{ledLabel->setColor(color);
}void ledWithText::setLedState(QSimpleLed::LEDSTATES states)
{ledLabel->setStates(states);
}void ledWithText::setText(const QString &text)
{textLabel->setText(text);textLabel->adjustSize();textLabel->setVisible(!text.isEmpty());int adjustWith = ledLabel->width()+textLabel->width()+25;int adjustHeight = textLabel->height()+10;setGeometry(0,0,adjustWith,adjustHeight);
}void ledWithText::setTextFontSize(int size)
{QFont ft;ft.setPointSize(size);textLabel->setFont(ft);textLabel->adjustSize();int adjustWith = ledLabel->width()+textLabel->width()+25;int adjustHeight = textLabel->height()+10;setGeometry(0,0,adjustWith,adjustHeight);
}

LedWithText.h

#ifndef LEDWITHTEXT_H
#define LEDWITHTEXT_H
#include <QLabel>
#include <ui_optimize/qsimpleled.h>
#include <QWidget>
#include <QHBoxLayout>class ledWithText:public QWidget
{Q_OBJECT
public:ledWithText(QWidget *parent = nullptr, QColor color = Qt::green, const QString &text = "");~ledWithText();void setLedColor(QColor color);void setLedState(QSimpleLed::LEDSTATES states);void setText(const QString &text);void setTextFontSize(int size);private:QSimpleLed *ledLabel;QLabel *textLabel;QHBoxLayout *layout;
};#endif // LEDWITHTEXT_H

2、使用MainWidget的StatusBus存放文本指示灯

我们要把这些控件放置在状态栏中，不管切换到什么界面都可以看到，就不需要一直重复写代码了，因此，我们需要使用MainWidget的StatusBus，Widget类没有StatusBus！不要用错。

void MainWindow::state_bus_init()
{device_connect_label = new ledWithText(this,Qt::green,"设备正在连接");device_connect_label->setLedColor(Qt::blue);device_connect_label->setLedState(QSimpleLed::BLINK);device_connect_label->setTextFontSize(10);ui->statusbar->addWidget(device_connect_label);device_place_label = new ledWithText(this,Qt::green,"设备未放置");device_place_label->setTextFontSize(10);ui->statusbar->addWidget(device_place_label);
}

 就可以看到如下效果了。我们自定义的LedWithText类的效果就显示在左下角了。

3、Qt接受异步通知，并根据结果改变文本指示灯

按道理，最简单的做法，这一步只需要将应用层的代码搬过来就可以，但是在上文我们提到，在Linux C的应用程序中，signal函数需要传入static修饰的函数，但是Qt使用C++语言，想要将其转化为类（而不是面向过程），就需要解决static在C语言和C++的差异。

#include "infrareddev.h"InfraredDev::InfraredDev(QObject *parent) : QObject(parent)
{fd = open(DEVNAME, O_RDWR);if (fd < 0) {qDebug()<<"Can't open file :"<<DEVNAME;}else{register_infrared_asy();qDebug()<<"infrared:init succeed!";}}InfraredDev::~InfraredDev()
{if(fd){close(fd);}
}void InfraredDev::set_dev_name(char *name)
{dev_name = name;
}char *InfraredDev::get_dev_name()
{return dev_name;
}void InfraredDev::setLedWithText(ledWithText *obj)
{infrared_ledWithText = obj;
}void InfraredDev::sigio_signal_func(int signum)
{int err = 0;unsigned int infrared_value = 0;err = read(fd, &infrared_value, sizeof(infrared_value));if(err < 0) {
//        InfraredDev instance; // 创建对象实例
//        emit instance.infraredSignal(infrared_value);/* 读取错误 */infrared_ledWithText->setLedColor(Qt::red);infrared_ledWithText->setLedState(QSimpleLed::BLINK);infrared_ledWithText->setText("获取设备失败");qDebug()<<"infrared:read error!";} else {if(infrared_value==0){infrared_ledWithText->setLedColor(Qt::green);infrared_ledWithText->setText("设备已放置");}else if(infrared_value==1){infrared_ledWithText->setLedColor(Qt::red);infrared_ledWithText->setLedState(QSimpleLed::BLINK);infrared_ledWithText->setText("设备未放置");}qDebug()<<"infrared:sigio signal!"<<infrared_value;}}void InfraredDev::register_infrared_asy()
{int flags = 0;/* 设置信号SIGIO的处理函数 */signal(SIGIO, &InfraredDev::sigio_signal_func);fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());		/* 设置当前进程接收SIGIO信号 	*/flags = fcntl(fd, F_GETFL);			/* 获取当前的进程状态 			*/fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);	/* 设置进程启用异步通知功能 	*/
}int InfraredDev::fd = -1; // 初始化为无效的文件描述符
ledWithText *InfraredDev::infrared_ledWithText = nullptr;

#ifndef INFRAREDDEV_H
#define INFRAREDDEV_H#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "poll.h"
#include "sys/select.h"
#include "sys/time.h"
#include "linux/ioctl.h"
#include "signal.h"#include <QObject>
#include <QDebug>
#include <QFile>
#include <QTextStream>
#include <QString>#include "ui_optimize/ledwithtext.h"#define DEVNAME "/dev/gpio_infrared"class InfraredDev : public QObject
{Q_OBJECT
public:explicit InfraredDev(QObject *parent = nullptr);~InfraredDev();void set_dev_name(char *name);char * get_dev_name();static ledWithText *infrared_ledWithText;static void setLedWithText(ledWithText *obj);private:static int fd;	/* 文件描述符 */static QFile file;char *dev_name;static void sigio_signal_func(int signum);void register_infrared_asy(void);};#endif // INFRAREDDEV_H

因为static修饰的成员变量、成员函数并没有this指针，因此无法读取其他非static成员只允许读取static变量，因此我们需要将fd也需要使用static函数进行修饰，并且函数内不能包含其他no-static的变量。

因此在signal函数，我们就需要根据C++访问静态函数的规则，对参数进行传入了修改，使用通过（类名::静态成员）的方式来访问。

signal(SIGIO, &InfraredDev::sigio_signal_func);

 然后，我们需要让QMainwindow类知道，接收到异步通信了，需要刷新UI了。

（1）信号机制方法

我一开始是照常使用信号机制，定义了信号函数，使用emit函数进行发送，但是因为异步通知处理函数是static类的，无法直接调用其他non-static的成员，无法发送信号，因此我想是实例化一个类，发送类的实例，进而发送信号：

InfraredDev instance; // 创建对象实例
emit instance.infraredSignal(infrared_value);

代码没报错，但是执行过程出错了，在开发板上只能读取第一次的数值，发送后，就无法进行读取，由于是在开发板上进行运行的，无法进行debug，不知道是什么原因，如果有大神知道，还请不吝赐教！

（2）指针传入做法

之后，我看到了参考资料的3的做法，就想直接传入界面的指针，在异步通知里面，直接读取指针，进行界面的修改。因此我就根据，non-static成员函数可以访问static成员变量的特性，对该做法进行了改进。定义了一个设置控件的函数，外部传入一个控件指针，函数内部设置为static类型，因此完美解决了该问题。

void InfraredDev::setLedWithText(ledWithText *obj)
{infrared_ledWithText = obj;
}// 在static函数就可以使用这个static指针进行设置了
void InfraredDev::sigio_signal_func(int signum){......infrared_ledWithText->setLedColor(Qt::red);infrared_ledWithText->setLedState(QSimpleLed::BLINK);infrared_ledWithText->setText("设备未放置");}

在infrared_dev.h中，存在该声明，为static成员变量

 static ledWithText *infrared_ledWithText;

那么，我们在外部只需要传入该控件的指针即可

device_connect_label = new ledWithText(this,Qt::green,"设备正在连接");......
infrared_dev = new InfraredDev();
infrared_dev->setLedWithText(device_place_label);

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