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gsensor架构和原理分析

2015-08-28 17:38 477 查看

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() {

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@Override

publicvoid onSensorChanged(SensorEvent event) {

float[] values = event.values;

mTextView.setText("Accelerometer:" + values[0] +", "

+ values[1] +", " + values[2]);

}

@Override

publicvoidonAccuracyChanged(Sensor sensor,int accuracy) {

}

（4）注册事件监听器；

protectedvoid onResume() {

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super.onResume();

mSensorManager.registerListener(mEventListener, mSensor,

SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL);

（5）卸载事件监听器；

protectedvoid onPause() {

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super.onPause();

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

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struct sensors_module_t {

struct hw_module_t common;

/**

* Enumerate all available sensors. The list is returned in "list".

* @return number of sensors in the list

*/

int (*get_sensors_list)(struct sensors_module_t* module,

struct sensor_t const** list);

};

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。

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const struct sensors_module_t HAL_MODULE_INFO_SYM = {

.common = {

.tag = HARDWARE_MODULE_TAG,

.version_major = 1,

.version_minor = 0,

.id = SENSORS_HARDWARE_MODULE_ID,

.name = "MMA7660 Sensors Module",

.author = "The Android Open Source Project",

.methods = &sensors_module_methods,

},

.get_sensors_list = sensors__get_sensors_list

};

5.2.2 hw_module_methods_t

static struct hw_module_methods_t sensors_module_methods = {

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.open = open_sensors

5.2.3 sensors_poll_context_t

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struct sensors_poll_context_t {

struct sensors_poll_device_t device; // must be first

sensors_poll_context_t();

~sensors_poll_context_t();

int activate(int handle, int enabled);

int setDelay(int handle, int64_t ns);

int pollEvents(sensors_event_t* data, int count);

int handleToDriver(int handle);

};

5.2.4 sensors_poll_device_t

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struct sensors_poll_device_t {

struct hw_device_t common;

int (*activate)(struct sensors_poll_device_t *dev,

int handle, int enabled);

int (*setDelay)(struct sensors_poll_device_t *dev,

int handle, int64_t ns);

int (*poll)(struct sensors_poll_device_t *dev,

sensors_event_t* data, int count);

};

5.2.5 sensor_t
定义传感器的基本参数。

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static const struct sensor_t sSensorList[] = {

{ "MMA7660 3-axis Accelerometer",

"Freescale Semiconductor",

1, SENSORS_HANDLE_BASE+ID_A,

SENSOR_TYPE_ACCELEROMETER, 3.0f*9.81f, (3.0f*9.81f)/64.0f, 0.35f, 0, { } },

};

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struct sensor_t {

const char* name;

const char* vendor;

int version;

int handle;

int type;

float maxRange;

float resolution;

float power;

int32_t minDelay;

void* reserved[8];

};

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；

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static int mma7660_suspend(struct i2c_client *client, pm_message_t mesg)

{

int result;

result = i2c_smbus_write_byte_data(client, MMA7660_MODE,

MK_MMA7660_MODE(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0));

assert(result==0);

return result;

}

static int mma7660_resume(struct i2c_client *client)

{

int result;

result = i2c_smbus_write_byte_data(client, MMA7660_MODE,

MK_MMA7660_MODE(0, 1, 0, 0, 0, 0, 1));

assert(result==0);

return result;

}

static struct i2c_driver mma7660_driver = {

.driver = {

.name = MMA7660_DRV_NAME,

.owner = THIS_MODULE,

},

.class = I2C_CLASS_HWMON,

.suspend = mma7660_suspend,

.resume = mma7660_resume,

.probe = mma7660_probe,

.detect = mma7660_detect,

// .address_data = &addr_data,

.remove = __devexit_p(mma7660_remove),

.id_table = mma7660_id,

};

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；

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static SENSOR_DEVICE_ATTR(all_axis_force, S_IRUGO, show_xyz_force, NULL, 0);

static SENSOR_DEVICE_ATTR(x_axis_force, S_IRUGO, show_axis_force, NULL, 0);

static SENSOR_DEVICE_ATTR(y_axis_force, S_IRUGO, show_axis_force, NULL, 1);

static SENSOR_DEVICE_ATTR(z_axis_force, S_IRUGO, show_axis_force, NULL, 2);

static SENSOR_DEVICE_ATTR(orientation, S_IRUGO, show_orientation, NULL, 0);

static struct attribute* mma7660_attrs[] =

{

&sensor_dev_attr_all_axis_force.dev_attr.attr,

&sensor_dev_attr_x_axis_force.dev_attr.attr,

&sensor_dev_attr_y_axis_force.dev_attr.attr,

&sensor_dev_attr_z_axis_force.dev_attr.attr,

&sensor_dev_attr_orientation.dev_attr.attr,

NULL

};

static const struct attribute_group mma7660_group =

{

.attrs = mma7660_attrs,

};

（2）在probe函数中创建sysfs文件系统；

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result = sysfs_create_group(&client->dev.kobj, &mma7660_group);

if (result != 0) {

ERR("sysfs_create_group err\n");

goto exit_sysfs_creat_failed;

}

（3）实现sysfs属性相关的读写函数；

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ssize_t show_orientation(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)

{

int result;

u8 tilt, new_orientation;

mma7660_read_tilt(&tilt);

DBG("tilt [0x%x]\n", tilt);

new_orientation = tilt & 0x1f;

if (orientation!=new_orientation)

orientation = new_orientation;

switch ((orientation>>2)&0x07) {

case 1:

result = sprintf(buf, "Left\n");

break;

case 2:

result = sprintf(buf, "Right\n");

break;

case 5:

result = sprintf(buf, "Downward\n");

break;

case 6:

result = sprintf(buf, "Upward\n");

break;

default:

switch(orientation & 0x03) {

case 1:

result = sprintf(buf, "Front\n");

break;

case 2:

result = sprintf(buf, "Back\n");

break;

default:

result = sprintf(buf, "Unknown\n");

}

}

return result;

}

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ssize_t show_xyz_force(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)

{

int i;

s8 xyz[3];

for (i=0; i<3; i++)

mma7660_read_xyz(i, &xyz[i]);

return sprintf(buf, "(%d,%d,%d)\n", xyz[0], xyz[1], xyz[2]);

}

ssize_t show_axis_force(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)

{

s8 force;

int n = to_sensor_dev_attr(attr)->index;

mma7660_read_xyz(n, &force);

return sprintf(buf, "%d\n", force);

}

6.3.2 Gsensor调试实例

[plain] view
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/sys/devices/platform/gl5201-i2c.1/i2c-1/1-004c # ls

uevent

name

modalias

subsystem

power

driver

all_axis_force

x_axis_force

y_axis_force

z_axis_force

orientation

input

/sys/devices/platform/gl5201-i2c.1/i2c-1/1-004c # cat all_axis_force

(-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