代码收藏家技术教程 2025-02-14

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。

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。

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`)

在 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:
在 cal_gpio_key.c 和 cal_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:
在 cal_time.c 和 cal_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:
在 kal_gpio_key.c 和 kal_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:
在 kal_time.c 和 kal_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.c 和 input_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)

在 input_test.c 和 input_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。
        }
    }
}