gsensor架構和原理分析 .

本文主要描述了在android2.3平臺G-sensor相關軟硬件的體系架構和實現原理，按照Applications、Framework、HAL、Driver和Hardware五大層次分別介紹。

1.系統架構 (Architecture)

1.1 Android體系架構圖

1.2 Sensor子系統架構圖

 · Application Framework

       Sensor應用程序通過Sensor應用框架來獲取sensor數據，應用框架層的Sensor Manager通過JNI與C++層進行通信。

 · Sensor Libraries

       Sensor中間層主要由Sensor Manager、Sensor service和Sensor硬件抽象層組成。

 · Input Subsystem

       通用的Linux輸入框架專爲與鍵盤、鼠標和觸摸屏等輸入設備而設計，並定義了一套標準事件集合。Sensor輸入子系統採用採用了通用的Linux輸入框架，它通過/sys/class/input節點和用戶空間進行交互。

 · Event Dev

       Evdev提供了一種訪問/dev/input/eventX輸入設備事件的通用方法。

 · AccelerometerDriver

       此驅動通過SIRQ和I2C總線與MMA7660模組進行通信。SIRQ用來產生傳感器事件中斷。

 

2 應用 (Applications)

2.1 應用開發五步曲

（1）   獲取傳感器管理器對象；

mSensorManager =(SensorManager) getSystemService(SENSOR_SERVICE);

（2）   獲取傳感器對象；

mSensor = mSensorManager.getDefaultSensor(Sensor.TYPE_ACCELEROMETER);

（3）  定義事件監聽器；

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) {
}

          
           @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）   註冊事件監聽器；

protectedvoid onResume() {

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super.onResume();

mSensorManager.registerListener(mEventListener, mSensor,
       SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL);

       super.onResume();
      
       mSensorManager.registerListener(mEventListener, mSensor,
              SensorManager.SENSOR_DELAY_NORMAL);
    }

 

（5）   卸載事件監聽器；

protectedvoid onPause() {

[java] view plaincopyprint?

   super.onPause();

   mSensorManager.unregisterListener(mEventListener);
}

       super.onPause();
      
       mSensorManager.unregisterListener(mEventListener);
    }

3 框架 (Framework)

3.1 工作模型

3.1.1 SensorManager的創建

nativeClassInit(): 初始化Native類信息；
sensors_module_init(): 創建Native SensorManager實例，從SensorService讀取Sensor設備列表；
sensors_module_get_next_sensor(): 從SensorService讀取下一個Sensor設備；

3.1.2 SensorThread數據接收處理

sensors_create_queue(): 創建和SensorService共享的消息隊列；
sensors_data_poll(): 從消息隊列中讀取SensorService發過來的消息；

3.1.3 SensorService的工作原理

SensorDevice::poll(): 調用HAL接口讀取數據；
SensorEventConnection::sendEvents(): 往消息隊列中寫入消息，SensorThread後續會讀取該消息；

3.1.4 SensorDevice對HAL的訪問

4 硬件抽象層 (HAL)

在linux操作系統中，應用同硬件之間的交互都是通過設備驅動來實現，Android系統爲了降低應用開發人員開發難度，屏蔽硬件差異，定義出硬件抽象層，爲開發人員提供獲取各種設備相關的信息的接口。

4.1 Sensors HAL關鍵流程

4.1.1 打開Sensor設備

SensorBase ::openInput() : 打開input子系統的sensor消息文件句柄；
ioctl(EVIOCGABS(...)) : 獲取ABS_X/ABS_Y/ABS_Z的加速度；

4.1.2 輪循Sensor事件

InputEventCircularReader::fill(): 調用read()從input子系統中讀取事件放入環形緩衝區；
InputEventCircularReader::readEvent(): 從環形緩衝區中讀取事件；
InputEventCircularReader::next(): 移動環形緩衝區當前指針；

5.2 Sensors HAL關鍵數據結構

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);
};

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()會加載HAL模塊，並返回HAL入口數據結構(hw_module_t)。HAL_MODULE_INFO_SYM默認是“HAL”，在hw_get_module中用dlsym獲取。

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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
};

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 = {

[cpp] view plaincopyprint?

.open = open_sensors

    .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);
};

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

[cpp] view plaincopyprint?

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);
};

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

定義傳感器的基本參數。

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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, { } },
};

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];
};

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 驅動 (driver)

6.1 mma7660驅動框架

mma7660與主機通信是通過I2C接口，因此mma7660驅動程序採用Linux系統的I2C子系統框架來實現，主要由3部分組成：

 
(1) I2C核心
I2C核心提供了I2C總線驅動和設備驅動的註冊、註銷方法，I2C通信方法(即“algorithm”)上層的、與具體適配器無關的代碼以及探測設備、檢測設備地址的上層代碼等。這部分是與平臺無關的。
此部分在Linux內核的I2C驅動中實現，mma7660驅動使用其提供的功能接口來註冊設備驅動。

(2) I2C總線驅動
I2C總線驅動是對I2C硬件體系結構中適配器端的實現。I2C總線驅動主要包含了I2C適配器數據結構i2c_adapter、I2C適配器的algorithm數據結構i2c_algorithm和控制I2C適配器產生通信信號的函數。經由I2C總線驅動的代碼，我們可以控制I2C適配器以主控方式產生開始位、停止位、讀寫週期，以及以從設備方式被讀寫、產生ACK等。不同的CPU平臺對應着不同的I2C總線驅動。
此部分在Linux內核的I2C驅動中實現，mma7660驅動直接獲取其提供的adapter，並調用I2C核心的接口來註冊。

(3) I2C設備驅動
I2C設備驅動是對I2C硬件體系結構中設備端的實現。設備一般掛接在受CPU控制的I2C適配器上，通過I2C適配器與CPU交換數據。I2C設備驅動主要包含了數據結構i2c_driver和i2c_client，mma7660驅動需要實現其中的成員函數。
在Linux內核源代碼中的drivers目錄下的i2c_dev.c文件，實現了I2C適配器設備文件的功能，應用程序通過“i2c-%d”文件名並使用文件操作接口open()、write()、read()、ioctl()和close()等來訪問這個設備。應用層可以借用這些接口訪問掛接在適配器上的I2C設備的存儲空間或寄存器並控制I2C設備的工作方式。

6.2 mma7660操作流程

6.2.1 初始化

 

6.2.2 探測設備

6.2.3 移除設備

6.2.4 採集數據

6.2.5 睡眠和喚醒

Suspend處理：關閉mma7660模組；
Resume處理：使能mma7660模組；
 

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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,
};

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 命令行調試

6.3.1 sysfs調試接口

（1） 定義sysfs attribute相關數據結構；
 

[cpp] view plaincopyprint?

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,
};

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函數中創建sysfs文件系統；
 

[cpp] view plaincopyprint?

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

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

（3） 實現sysfs屬性相關的讀寫函數；

[cpp] view plaincopyprint?

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;
}

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;
}

[cpp] view plaincopyprint?

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);
}

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調試實例

[plain] view plaincopyprint?

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)  

/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模組

7.2 關鍵特性

• 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 功能模塊圖

7.2.2 硬件連接圖

7.2.3 運動檢測原理

mma7660是一種電容式3軸g-sensor，其技術原理是在wafer的表面做出梳狀結構，當產生動作時，由偵測電容差來判斷變形量，反推出加速度的值。
簡單物理模型如下圖：

7.2.4 I2C讀寫時序

7.2.5 工作狀態機

7.2.6 寄存器定義

7.2.7 事件檢測

• 方向和搖動檢測 

• 輕拍或傾斜檢測