Nunchuk I²C drajver za Raspberry Pi

0. Autori

Igor Ilić
Kosta Svrdlan
Mario Perić

1. Uvod

1.1 Wii Nunchuk

Wii Nunchuk je prvi dodatak za Nintendo Wii kontroler, koji je premijerno prikazan javnosti 2005. godine. Povezuje se na Wii kontroler preko specijalnog konektora koji je razvijen od strane Nintenda. Wii Nunchuk ima analogni džojstik, 2 dugmeta i akcelerometar koji radi na sve 3 ose. Na početku je Nunchuk pravljen isključivo u beloj boji, dok su se kasnije pojavile i verzije u drugim bojama. Slika 1 Pokazuje beli Nunchuk.

Slika 1 - Beli Nunchuk

Wii Nunchuk interno ima 6 registara veličine bajta, u kojima čuva redom: x koordinatu džojstika, y koordinatu džojstika, x, y i z koordinate akcelerometra i stanja prekidača.

Redni broj registra	1	2	3	4	5	6
Funkcija	Džojstik – x koordinata	Džojstik – y koordinata	Akcelerometar – x koordinata	Akcelerometar – y koordinata	Akcelerometar – z koordinata	Ostali biti akcelerometara i tasteri C i Z
Tabela 1 - Nunchuk
registri

1.1.1 Komunikacija sa RPI računarom

Za komunikaciju sa drugim uređajima Nunchuk koristi I²C tehnologiju. Kako Nunchuk koristi specijalan priključak, nije moguće povezati ga direktno na Raspberry Pi. U te svrhe koristimo specijalno dizajniran konektor (Slika 2) koji nam omogućava da Nunchuk spojimo direktno na slobodne pinove Raspberry Pi-a.

Slika 2 - Keyes1 W11Chuck Kduino1 konektor

1.1.2 I²C

Kako Nunchuk za komunikaciju koristi I²C, potrebno je povezati ga na određene pinove, koji su zaduženi za ovaj vid komunikacije. U ovom slučaju to su pinovi GPIO2 i GPIO3 (Slika 3). Primer povezivanja dat je na slici 4.

Slika 3 - GPIO header

Slika 4 - Primer povezivanja na Raspberry Pi

1.2 Zadatak

Realizovati Linux rukovodilac za Raspberry Pi 2 uređaj. Uredjaj treba da omogući komunikaciju korisničkog programa i I²C Master periferije dostupne na uređaju (BSCI kontroler)

U načelu, rukovalac treba da omogući:

• Inicijalizaciju I2C kontrolera prilikom učitavanja rukovaoca

• Upis podataka ( datog niza bajtova date dužine ) u I²C uređaj koji se nalazi na zadatoj I²C slave adresi. Zahtev za upis dolazi kroz odgovarajuću operaciju nad datotekom uređaja

• Čitanje podataka ( niza bajtova date dužine ) iz I²C uređaja koji se nalazi na zadatoj I²C slave adresi. Zahtev za čitanje dolazi kroz odgovarajuću operaciju nad datotekom uređaja

2. Analiza problema

Glavni problem u izradi zadatka je realizacija I²C protokola. Jedan on načina da se ovo reši je korišćenjem BC2835 čipa koji se nalazi na Raspberry Pi uređaju. Ovaj čip služi za I²C komunikaciju. Kako bi se čip koristio potrebno je poznavati memorijske adrese njegovih registara, kao i njihovu funkciju. Funkcija i adrese ovih registara mogu se naći u priloženom dokumentu, a njihova detaljnija funkcija data je u sledećem poglavlju.

Prilikom transfera podataka potrebno je iz dobijenih registara izvući potrebne informacije. Ovo ne predstavlja nikakav problem i uz malo logike nad bitima se može lako realizovati.

Sledeći problem koji se javlja je način komunikacije sistemskih aplikacija sa datim fajlom. Odlučeno je da se ovaj problem reši tako što će se za komunikaciju koristiti struktura nunchuk iz testne aplikacije data u nunchuk_test_app/src/nunchuk.h, međutim i ostala rešenja mogu biti podjednako dobra.

Primećeno je da se stanje tastera vraća u obrnutoj logici (logička 0 kada je taster pritisnut, odnosno 1 kada taster nije pritisnut), te je potrebno invertovati ove bite.

3. Koncept rešenja

3.1. BC2835

Kako Raspberry Pi na sebi već sadrži Broadcom BC2835 čip, koji služi za I²C komunikaciju, nije potrebno implementirati je na potpuno niskom nivou. Međutim potrebno je poznavati memorijske adrese njegovih registara i način na koji oni funkcionišu. Za ovaj projekat važni su sledeći registri datog kontrolera:

• S – status registar (govori o tome da li je sve prošlo kako treba)

• C – komunikacioni registar (zadužen za izbor smera komunikacije)

• FIFO – registar u kojem se nalaze podaci koje treba poslati

• DLEN – dužina podataka koje treba poslati/primiti

Adrese ovih registara date su u header fajlu.

3.2 I²C modul

Kako Raspbian već sam po sebi ima kernel modul koji služi za komunikaciju sa BC2835 čipom, potrebno je isključiti ga, kako bi naš drajver mogao da pristupa adresama bez konflikata i eventualne međusobne ometnje. Ovaj drajver može se isključiti pokretanjem komande „sudo raspi-config“, nakon čega je potrebno izabrati opciju 9 (Advanced options), a zatim A6 (I2C), nakon čega je potrebno izabrati No i restartovati uređaj (Slika ).

Slika 5 - Postupak isključivanja I2C modula

4. Opis rešenja

4.1 Kernel modul – osnovne metode

4.1.1 Konstante i adrese

Sve konstante i adrese date su u header fajlu nunchuk.h.

4.1.2 Funkcija za slanje podataka send_data(char *buff, int n)

Ova funkcija prvo čisti registar S, a C postavlja na potrebne vrednosti kako bi se moglo započeti slanje, nakon čega se potrebni podaci prepisuju u FIFO refistar kontrolera, a njihova veličina u DLEN registar. Nakon toga pisanjem u registar C započinje se transfer podataka.

4.1.3 Funkcija za primanje podataka receive_data(char *buff, int n)

Slično prethodnoj funkciji registar S se prvo čisti, nakon čega se u registar C upisuje konstanta koja govori da se podaci ovog puta čitaju. U registar DLEN postavlja se očekivana dužina poruke, nakon čega može da se započne komunikacija. Nakon ovoga potrebno je iz FIFO registra podatke prebaciti u bafer.

4.1.4 Funkcija za uspostavljanje veze send_handshake(void)

Kako bi se uspostavila veza sa nunchukom potrebno je na slave adresu nunchuk-a poslati 0xF0 i 0x55 kako bi se prvi registar inicijalizovao, a nakon toga i 0xFB i 0x00 kako bi se drugi registar inicijalizovao. Ova funkcija vraća SUCCESS ukoliko je sve prošlo kako treba, odnosno RET_ERR ukoliko je došlo do greške pri komunikaciji.

4.1.5 Funkcija za čitanje registara read_registers(char *buff, int n)

Ova funkcija čita sa adrese 0x00, na kojoj se nalaze svi registri. Ukoliko se kao n prosledi 6, u bafer će se sekvencijalno smestiti vrednosti svih registara.

4.1.6 Funckija za inicijalizaciju modula

Ova funkcija se poziva prilikom uvezivanja modula u kernel. U njoj se registruje novi chardev, nakon čega se pokušava alocirati deo memorije koji sadrži potrebne adrese za komunikaciju sa BC2835 čipom. Potrebni pinovi se postavljaju na PullUp, što je po standardu I²C komunikacije. Pokazivači na registre se podese na odgovarajuće memorijske adrese. Nakon toga se upišu slave adresa, kao i divizor frekvencije u odgovarajuće registre. Nakon ovoga poziva se funkcija send_handshake, koja služi sa inicijalizaciju perifernog uređaja.

4.1.7 Funkcija za brisanje modula

Ova funkcija se poziva kada se modul uklanja iz kernela. U njoj se oslobađa memorija koja je prethodno zauzeta, oslobađa se chardev i sa pinova se ukljanja PullUp veza

4.1.8 Funkcija za otvaranje

Ova funkcija se poziva kada neko pokuša da otvori fajl koji služi za komunikaciju sa uređajem. Ona proverava da li je datoteka već otvorena i ukoliko jeste vraća grešku, inače otvara datoteku i to evidentira.

4.1.9 Funkcija za zatvaranje

Ova funkcija oslobađa datoteku.

4.1.10 Funkcija za čitanje

Ova funckija poziva se kada neko pokuša da čita iz prethodno otvorene datoteke. U njoj se isčita vrednost iz registara nakon čega se oni smeste u odgovarajuće nizove i vrate i to na sledeći način:

• Džojstik – 2 bajta (za svaku koordinatu po jedna)

• Akceleromerat – 3 šorta (za svaku koordinatu po jedan (10 bita))

• Statusi dugmadi C i Z (po bajt za svaki)

4.1.11 Ostale funkcije

Ostale funkcije preuzete su sa primera iz vežbi 6 i 7 i uglavnom služe za postavljanje stanja pinova na Raspberry Pi ploči.

4.2 Aplikacija za testiranje modula

4.2.1 Status

Aplikacija status predstavlja prostu aplikaciju koja otvara prethodno registrovani chardev /dev/nunchuk nakon čega čita iz njega i rezultat ispisuje na ekran, sve dok je korisnik ne prekine.

4.2.2 2048

Ova aplikacija predstavlja port igrice 2048 koju je napisao Maurits van der Schee, a koja se izvršava u terminalu.

5. Zaključak

Zadatak projekta je realizacija Linux rukovodilac za Raspberry Pi 2 uređaj. Rukovodilac treba da omogući komunikaciju korisničkog programa i I²C Master periferije dostupne na uređaju (BSCI kontroler). Jedno od mogućih rešenja datog problema je ukratko predstavljeno u predhodnim poglavljima. Kako bi demonstrilali funkcionalnost naseg rešenja napravljena je aplikacija koja ispisuje trenutna stanja registra urađaja na standardni izlaz. Radi korisnije ilustracije odrađena je funkcija koja omogućava korišćenje Nintendo Wii Nunchuk uređaja kao ulaznog interfejsa za igranje igrice “2048“. U ovoj igrici postoje četiri komande: gore, dole, levo i desno. Komande se unose preko džojstika, kako se pamte x i y kordinate trenutne lokacije glave džojstika potrebno ih je pretvoriti u neku od mogučih komandi. To se ostvaruje jednostavnim uslovima koji proveravaju dal se kordinata date ose nalazi u najvišh deset ili najnižih deset mogućih vrednosti kordinate, na osnovu toga se zaključuje koji smer je aktivan.