gsensor架构和原理分析【转】

本文转载自：http://blog.csdn.net/u012296694/article/details/48055491

本文主要描述了在android2.3平台G-sensor相关软硬件的体系架构和实现原理，按照Applications、Framework、HAL、Driver和Hardware五大层次分别介绍。

1.系统架构 (Architecture)

1.1 Android体系架构图

 

1.2 Sensor子系统架构图

· Application Framework

Sensor应用程序通过Sensor应用框架来获取sensor数据，应用框架层的Sensor Manager通过JNI与C++层进行通信。

· Sensor Libraries

Sensor中间层主要由Sensor Manager、Sensor service和Sensor硬件抽象层组成。

· Input Subsystem

通用的Linux输入框架专为与键盘、鼠标和触摸屏等输入设备而设计，并定义了一套标准事件集合。Sensor输入子系统采用采用了通用的Linux输入框架，它通过/sys/class/input节点和用户空间进行交互。

· Event Dev

Evdev提供了一种访问/dev/input/eventX输入设备事件的通用方法。

· AccelerometerDriver

此驱动通过SIRQ和I2C总线与MMA7660模组进行通信。SIRQ用来产生传感器事件中断。

2 应用 (Applications)

2.1 应用开发五步曲

（1）   获取传感器管理器对象；

mSensorManager =(SensorManager) getSystemService(SENSOR_SERVICE);

（2）   获取传感器对象；

mSensor = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER);

（3）  定义事件监听器；

mEventListener =new SensorEventListener() {

1. @Override
2. publicvoid onSensorChanged(SensorEvent event) {
3. float[] values = event.values;
4. mTextView.setText("Accelerometer:" + values[0] +", "
5. + values[1] +", " + values[2]);
6. }
7. @Override
8. publicvoidonAccuracyChanged(Sensor sensor,int accuracy) {
9. }

（4）   注册事件监听器；

protectedvoid onResume() {

1. super.onResume();
2. mSensorManager.registerListener(mEventListener, mSensor,
3. SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL);

（5）   卸载事件监听器；

protectedvoid onPause() {

1. super.onPause();
2. mSensorManager.unregisterListener(mEventListener);

3 框架 (Framework)

3.1 工作模型

 

3.1.1 SensorManager的创建

 

nativeClassInit(): 初始化Native类信息；
sensors_module_init(): 创建Native SensorManager实例，从SensorService读取Sensor设备列表；
sensors_module_get_next_sensor(): 从SensorService读取下一个Sensor设备；

 

3.1.2 SensorThread数据接收处理

 

sensors_create_queue(): 创建和SensorService共享的消息队列；
sensors_data_poll(): 从消息队列中读取SensorService发过来的消息；

 

3.1.3 SensorService的工作原理

 

SensorDevice::poll(): 调用HAL接口读取数据；
SensorEventConnection::sendEvents(): 往消息队列中写入消息，SensorThread后续会读取该消息；

 

3.1.4 SensorDevice对HAL的访问

4 硬件抽象层 (HAL)

在linux操作系统中，应用同硬件之间的交互都是通过设备驱动来实现，Android系统为了降低应用开发人员开发难度，屏蔽硬件差异，定义出硬件抽象层，为开发人员提供获取各种设备相关的信息的接口。

4.1 Sensors HAL关键流程

4.1.1 打开Sensor设备

SensorBase ::openInput() : 打开input子系统的sensor消息文件句柄；
ioctl(EVIOCGABS(...)) : 获取ABS_X/ABS_Y/ABS_Z的加速度；

 

4.1.2 轮循Sensor事件

InputEventCircularReader::fill(): 调用read()从input子系统中读取事件放入环形缓冲区；
InputEventCircularReader::readEvent(): 从环形缓冲区中读取事件；
InputEventCircularReader::next(): 移动环形缓冲区当前指针；

 

5.2 Sensors HAL关键数据结构

5.2.1 sensors_module_t

1. struct sensors_module_t {
2. struct hw_module_t common;
3. /**
4. * Enumerate all available sensors. The list is returned in "list".
5. * @return number of sensors in the list
6. */
7. int (*get_sensors_list)(struct sensors_module_t* module,
8. struct sensor_t const** list);
9. };

hw_get_module()会加载HAL模块，并返回HAL入口数据结构(hw_module_t)。HAL_MODULE_INFO_SYM默认是“HAL”，在hw_get_module中用dlsym获取。

1. const struct sensors_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {
2. .common = {
3. .tag = HARDWARE_MODULE_TAG,
4. .version_major = 1,
5. .version_minor = 0,
6. .id = SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID,
7. .name = "MMA7660 Sensors Module",
8. .author = "The Android Open Source Project",
9. .methods = &sensors_module_methods,
10. },
11. .get_sensors_list = sensors__get_sensors_list
12. };

5.2.2 hw_module_methods_t

 static struct hw_module_methods_t sensors_module_methods = {

1. .open = open_sensors

5.2.3 sensors_poll_context_t

1. struct sensors_poll_context_t {
2. struct sensors_poll_device_t device; // must be first
3. sensors_poll_context_t();
4. ~sensors_poll_context_t();
5. int activate(int handle, int enabled);
6. int setDelay(int handle, int64_t ns);
7. int pollEvents(sensors_event_t* data, int count);
8. int handleToDriver(int handle);
9. };

5.2.4 sensors_poll_device_t

 

1. struct sensors_poll_device_t {
2. struct hw_device_t common;
3. int (*activate)(struct sensors_poll_device_t *dev,
4. int handle, int enabled);
5. int (*setDelay)(struct sensors_poll_device_t *dev,
6. int handle, int64_t ns);
7. int (*poll)(struct sensors_poll_device_t *dev,
8. sensors_event_t* data, int count);
9. };

5.2.5 sensor_t

定义传感器的基本参数。

1. static const struct sensor_t sSensorList[] = {
2. { "MMA7660 3-axis Accelerometer",
3. "Freescale Semiconductor",
4. 1, SENSORS_HANDLE_BASE+ID_A,
5. SENSOR_TYPE_ACCELEROMETER, 3.0f*9.81f, (3.0f*9.81f)/64.0f, 0.35f, 0, { } },
6. };

1. struct sensor_t {
2. const char*     name;
3. const char*     vendor;
4. int             version;
5. int             handle;
6. int             type;
7. float           maxRange;
8. float           resolution;
9. float           power;
10. int32_t         minDelay;
11. void*           reserved[8];
12. };

6 驱动 (driver)

6.1 mma7660驱动框架

mma7660与主机通信是通过I2C接口，因此mma7660驱动程序采用Linux系统的I2C子系统框架来实现，主要由3部分组成：

 
(1) I2C核心
I2C核心提供了I2C总线驱动和设备驱动的注册、注销方法，I2C通信方法(即“algorithm”)上层的、与具体适配器无关的代码以及探测设备、检测设备地址的上层代码等。这部分是与平台无关的。
此部分在Linux内核的I2C驱动中实现，mma7660驱动使用其提供的功能接口来注册设备驱动。

(2) I2C总线驱动
I2C总线驱动是对I2C硬件体系结构中适配器端的实现。I2C总线驱动主要包含了I2C适配器数据结构i2c_adapter、I2C适配器的algorithm数据结构i2c_algorithm和控制I2C适配器产生通信信号的函数。经由I2C总线驱动的代码，我们可以控制I2C适配器以主控方式产生开始位、停止位、读写周期，以及以从设备方式被读写、产生ACK等。不同的CPU平台对应着不同的I2C总线驱动。
此部分在Linux内核的I2C驱动中实现，mma7660驱动直接获取其提供的adapter，并调用I2C核心的接口来注册。

(3) I2C设备驱动
I2C设备驱动是对I2C硬件体系结构中设备端的实现。设备一般挂接在受CPU控制的I2C适配器上，通过I2C适配器与CPU交换数据。I2C设备驱动主要包含了数据结构i2c_driver和i2c_client，mma7660驱动需要实现其中的成员函数。
在Linux内核源代码中的drivers目录下的i2c_dev.c文件，实现了I2C适配器设备文件的功能，应用程序通过“i2c-%d”文件名并使用文件操作接口open()、write()、read()、ioctl()和close()等来访问这个设备。应用层可以借用这些接口访问挂接在适配器上的I2C设备的存储空间或寄存器并控制I2C设备的工作方式。

6.2 mma7660操作流程

6.2.1 初始化

6.2.2 探测设备

 

6.2.3 移除设备

 

6.2.4 采集数据

 

6.2.5 睡眠和唤醒

Suspend处理：关闭mma7660模组；
Resume处理：使能mma7660模组；

1. static int mma7660_suspend(struct i2c_client *client, pm_message_t mesg)
2. {
3. int result;
4. result = i2c_smbus_write_byte_data(client, MMA7660_MODE,
5. MK_MMA7660_MODE(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0));
6. assert(result==0);
7. return result;
8. }
9. static int mma7660_resume(struct i2c_client *client)
10. {
11. int result;
12. result = i2c_smbus_write_byte_data(client, MMA7660_MODE,
13. MK_MMA7660_MODE(0, 1, 0, 0, 0, 0, 1));
14. assert(result==0);
15. return result;
16. }
17. static struct i2c_driver mma7660_driver = {
18. .driver = {
19. .name = MMA7660_DRV_NAME,
20. .owner = THIS_MODULE,
21. },
22. .class = I2C_CLASS_HWMON,
23. .suspend = mma7660_suspend,
24. .resume = mma7660_resume,
25. .probe = mma7660_probe,
26. .detect = mma7660_detect,
27. //  .address_data = &addr_data,
28. .remove = __devexit_p(mma7660_remove),
29. .id_table = mma7660_id,
30. };

6.3 命令行调试

6.3.1 sysfs调试接口

（1） 定义sysfs attribute相关数据结构；

1. static SENSOR_DEVICE_ATTR(all_axis_force, S_IRUGO, show_xyz_force, NULL, 0);
2. static SENSOR_DEVICE_ATTR(x_axis_force, S_IRUGO, show_axis_force, NULL, 0);
3. static SENSOR_DEVICE_ATTR(y_axis_force, S_IRUGO, show_axis_force, NULL, 1);
4. static SENSOR_DEVICE_ATTR(z_axis_force, S_IRUGO, show_axis_force, NULL, 2);
5. static SENSOR_DEVICE_ATTR(orientation, S_IRUGO, show_orientation, NULL, 0);
6. static struct attribute* mma7660_attrs[] =
7. {
8. &sensor_dev_attr_all_axis_force.dev_attr.attr,
9. &sensor_dev_attr_x_axis_force.dev_attr.attr,
10. &sensor_dev_attr_y_axis_force.dev_attr.attr,
11. &sensor_dev_attr_z_axis_force.dev_attr.attr,
12. &sensor_dev_attr_orientation.dev_attr.attr,
13. NULL
14. };
15. static const struct attribute_group mma7660_group =
16. {
17. .attrs = mma7660_attrs,
18. };

（2） 在probe函数中创建sysfs文件系统；

1. result = sysfs_create_group(&client->dev.kobj, &mma7660_group);
2. if (result != 0) {
3. ERR("sysfs_create_group err\n");
4. goto exit_sysfs_creat_failed;
5. }

（3） 实现sysfs属性相关的读写函数；

1. ssize_t show_orientation(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)
2. {
3. int result;
4. u8 tilt, new_orientation;
5. mma7660_read_tilt(&tilt);
6. DBG("tilt [0x%x]\n", tilt);
7. new_orientation = tilt & 0x1f;
8. if (orientation!=new_orientation)
9. orientation = new_orientation;
10. switch ((orientation>>2)&0x07) {
11. case 1:
12. result = sprintf(buf, "Left\n");
13. break;
14. case 2:
15. result = sprintf(buf, "Right\n");
16. break;
17. case 5:
18. result = sprintf(buf, "Downward\n");
19. break;
20. case 6:
21. result = sprintf(buf, "Upward\n");
22. break;
23. default:
24. switch(orientation & 0x03) {
25. case 1:
26. result = sprintf(buf, "Front\n");
27. break;
28. case 2:
29. result = sprintf(buf, "Back\n");
30. break;
31. default:
32. result = sprintf(buf, "Unknown\n");
33. }
34. }
35. return result;
36. }

1. ssize_t show_xyz_force(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)
2. {
3. int i;
4. s8 xyz[3];
5. for (i=0; i<3; i++)
6. mma7660_read_xyz(i, &xyz[i]);
7. return sprintf(buf, "(%d,%d,%d)\n", xyz[0], xyz[1], xyz[2]);
8. }
9. ssize_t show_axis_force(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)
10. {
11. s8 force;
12. int n = to_sensor_dev_attr(attr)->index;
13. mma7660_read_xyz(n, &force);
14. return sprintf(buf, "%d\n", force);
15. }

6.3.2 Gsensor调试实例

1. /sys/devices/platform/gl5201-i2c.1/i2c-1/1-004c # ls
2. uevent
3. name
4. modalias
5. subsystem
6. power
7. driver
8. all_axis_force
9. x_axis_force
10. y_axis_force
11. z_axis_force
12. orientation
13. input
14. /sys/devices/platform/gl5201-i2c.1/i2c-1/1-004c # cat all_axis_force
15. (-1,0,22)

 

7 Hardware

7.1 mma7660模组

7.2 关键特性

• Sampling Resolution: 6bit
• Digital Output (I2C)
• 3mm x 3mm x 0.9mm DFN Package
• Low Power Current Consumption:

Off Mode: 0.4 μA,
    Standby Mode: 2 μA, 
    Active Mode: 47 μA at 1 ODR

• Configurable Samples per Second from 1 to 120 samples
• Low Voltage Operation:

Analog Voltage: 2.4 V - 3.6 V
    Digital Voltage: 1.71 V - 3.6 V

• Auto-Wake/Sleep Feature for Low Power Consumption
• Tilt Orientation Detection for Portrait/Landscape Capability
• Gesture Detection Including Shake Detection and Tap Detection

7.2.1 功能模块图

7.2.2 硬件连接图

7.2.3 运动检测原理

mma7660是一种电容式3轴g-sensor，其技术原理是在wafer的表面做出梳状结构，当产生动作时，由侦测电容差来判断变形量，反推出加速度的值。
简单物理模型如下图：

7.2.4 I2C读写时序

7.2.5 工作状态机

7.2.6 寄存器定义

7.2.7 事件检测

• 方向和摇动检测

• 轻拍或倾斜检测