在現代開發周期中使用傳感器時，重要的是在編寫任何傳感器代碼之前，開發人員花時間仔細考慮他們的系統架構。精心架構的應用程序將提供軟件接口，不僅提供與傳感器交互的通用方法，而且還將抽象這些傳感器的硬件細節。許多嵌入式開發人員仍在編寫代碼，將他們的傳感器代碼與他們的應用程序緊密耦合，這使得重用、擴展和測試軟件變得具有挑戰性。開發人員可以遵循的一個很好的最佳實踐是花時間在他們的架構中設計一個合適的接口，然后產生這些好處。在我之前的帖子中，我討論了不同類型的驅動程序。在這篇文章中，我將討論接口設計概念以及如何將它們應用于與傳感器的接口。

創建接口的好處

使用面向對象語言的開發人員自然會理解接口可以為應用程序提供的好處，但大多數嵌入式系統仍然使用 C 編寫，因此這些開發人員可能會忽略這些好處。在嵌入式系統中創建與 I/O 設備交互的接口有很多好處，例如：

• 反轉代碼依賴方向
• 增強便攜性
• 抽象的復雜性和低級細節
• 提高重用性和可擴展性
• 簡化軟件維護

當使用接口與傳感器交互時，開發人員會發現許多低級細節都是從高級應用程序中抽象出來的。這意味著應用程序不知道傳感器是否連接到 ADC、I2C 總線、SPI 總線或其他一些硬件接口。

例如，花點時間看一下下圖：

在此示例中，應用程序通過傳感器 API 進行調用，并使用其操作之一與傳感器進行交互。應用程序不知道 Sensor API 的幕后發生了什么，它可能有函數調用，例如：

• Sensor_Read
• Sensor_Write

該傳感器接口可能正在直接調用 ADC 外圍設備，或者它可能正在創建從通信外圍設備發送出去的消息包。界面的好處是應用程序開發人員不需要知道這些細節。（事實上??，接口層可能只是取消對已配置為指向正確模塊以處理傳感器通信的函數指針的引用！這在我們的 C 應用程序中提供了一種簡單的繼承形式。）

設計傳感器接口

有興趣創建良好、可重復使用的傳感器接口的開發人員應該遵循幾個步驟。這些步驟有助于確保界面在第一次交互時盡可能可用，即使在界面完全穩定之前可能需要多次迭代。

第一步是確定將在您將設計的嵌入式系統中使用的傳感器類型，然后檢查數據表。在此步驟中，您希望熟悉所有不同傳感器類型之間共有的操作和數據，以及哪些不常見。您會發現，即使跨不同類型的傳感器，操作和數據之間也始終存在共性。我們希望將這種共性構建到界面中。我們將不常見的操作和數據構建到該接口的擴展中，這允許我們根據正在開發的應用程序添加和刪除這些功能。

接下來，一旦我們確定了操作和數據，我們就可以用 C 語言勾勒出一個可以滿足我們傳感器需求的接口。該接口的復雜性完全取決于開發人員。例如，我們可以設計一個簡單的基于函數調用的接口，其中函數原型可能如下所示：

bool Sensor_Init(const SensorConfig_t * const Config);
bool Sensor_Read(const SensorObj_t * const, SensorData_t * const SensorData);
bool Sensor_Write(const SensorObj_t * const, SensorData_t * const SensorData);

在這種情況下，對接口的任何調用都會返回一個布爾值，該布爾值提供有關操作結果的信息。例如，我們可能會調用Sensor_Read，如果底層實現是輪詢設備以獲取傳感器數據就緒，那么如果沒有新數據，我們可能會返回 false。如果數據可用，則可能會將其復制到提供給接口的SensorData位置并返回 true。（我們當然可以變得更復雜并創建錯誤代碼和其他返回值，但我們應該從簡單開始）。

該接口可用于與任意數量的傳感器進行交互，我們只需將SensorObj信息傳遞給接口，然后讓接口完成我們需要完成的操作即可。我們也可以將其用作模板并為傳感器名稱重命名Sensor，盡管這開始最小化抽象的有用性和可重用性。

我們可以設計接口的最后一種有趣的方式是成為函數指針的結構。然后，開發人員將實例化該結構并使用與他們想要連接的傳感器相關的特定函數調用對其進行初始化。此實現可能如下所示：

typedef struct
{
bool ( Init)(const SensorConfig_t * const Config);
bool ( Read)(const SensorObj_t * const, SensorData_t * const SensorData);
bool (*Write)(const SensorObj_t * const, SensorData_t * const SensorData);
} 傳感器_t;

然后，我們可以通過簡單地創建和初始化這個結構來為多個傳感器使用相同的接口，例如：

常量 Sensor_t 模擬 =
{
Adc_Init,
Adc_Read,
Adc_Write
};
常量 Sensor_t Gyro =
{
Gyro_Init,
Gyro_Read,
Gyro_Write
};

調用傳感器的接口然后看起來像：

模擬.Init(AdcConfig);
Gryo.Init(GyroConfig);

正如你所看到的，這種類型的接口是非常可擴展和可重用的。這可能會讓一些開發人員感到緊張，因為它確實使用了函數指針。必須注意確保這些函數指針正常運行。

結論

將傳感器連接到嵌入式系統時，自然的本能是檢查該傳感器，然后開始為其編寫驅動程序。不幸的是，這導致軟件緊密耦合并且不具有可擴展或可重用的優點。正如我們在這篇文章中所看到的，我們應該首先關注我們的軟件架構以及我們的傳感器如何適應該架構。然后我們可以開發一個接口來抽象出我們傳感器的細節，這樣應用程序就不會意識到復雜性或低級細節。這樣一來，如果在設計周期后期發現傳感器不適合應用程序，則可以輕松更換傳感器，而無需修改核心應用程序代碼。

審核編輯 黃昊宇