https://blog.csdn.net/u010164190/article/details/51908477

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() {

 

[java] view plain copy

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.   
8. @Override  
9. publicvoidonAccuracyChanged(Sensor sensor,int accuracy) {  
10. }  

 

（4）   注册事件监听器；

protectedvoid onResume() {

 

[java] view plain copy

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

 

（5）   卸载事件监听器；

protectedvoid onPause() {

[java] view plain copy

1.    super.onPause();  
2.     
3.    mSensorManager.unregisterListener(mEventListener);  
4. }  

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

[cpp] view plain copy

1. struct sensors_module_t {  
2.     struct hw_module_t common;  
3.   
4.     /** 
5.      * Enumerate all available sensors. The list is returned in "list". 
6.      * @return number of sensors in the list 
7.      */  
8.     int (*get_sensors_list)(struct sensors_module_t* module,  
9.             struct sensor_t const** list);  
10. };  

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。[cpp] view plain copy

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 = {[cpp] view plain copy

1. .open = open_sensors  

5.2.3 sensors_poll_context_t

[cpp] view plain copy

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

 

[cpp] view plain copy

1. struct sensors_poll_device_t {  
2. struct hw_device_t common;  
3.   
4.     int (*activate)(struct sensors_poll_device_t *dev,  
5.             int handle, int enabled);  
6.   
7.     int (*setDelay)(struct sensors_poll_device_t *dev,  
8.             int handle, int64_t ns);  
9.   
10.     int (*poll)(struct sensors_poll_device_t *dev,  
11.             sensors_event_t* data, int count);  
12. };  

5.2.5 sensor_t定义传感器的基本参数。
[cpp] view plain copy

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. };  

[cpp] view plain copy

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；
 [cpp] view plain copy

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.   
10. static int mma7660_resume(struct i2c_client *client)  
11. {  
12.     int result;  
13. result = i2c_smbus_write_byte_data(client, MMA7660_MODE,   
14.                                 MK_MMA7660_MODE(0, 1, 0, 0, 0, 0, 1));  
15.     assert(result==0);  
16.     return result;  
17. }  
18.   
19. static struct i2c_driver mma7660_driver = {  
20.     .driver = {  
21.         .name = MMA7660_DRV_NAME,  
22.         .owner = THIS_MODULE,  
23.     },  
24.     .class = I2C_CLASS_HWMON,  
25.     .suspend = mma7660_suspend,  
26.     .resume = mma7660_resume,  
27.     .probe = mma7660_probe,  
28.     .detect = mma7660_detect,  
29. //  .address_data = &addr_data,  
30.     .remove = __devexit_p(mma7660_remove),  
31.     .id_table = mma7660_id,  
32. };  

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；
 [cpp] view plain copy

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.   
7. static struct attribute* mma7660_attrs[] =  
8. {  
9.     &sensor_dev_attr_all_axis_force.dev_attr.attr,  
10.     &sensor_dev_attr_x_axis_force.dev_attr.attr,  
11.     &sensor_dev_attr_y_axis_force.dev_attr.attr,  
12.     &sensor_dev_attr_z_axis_force.dev_attr.attr,  
13.     &sensor_dev_attr_orientation.dev_attr.attr,  
14.     NULL  
15. };  
16.   
17. static const struct attribute_group mma7660_group =  
18. {  
19.     .attrs = mma7660_attrs,  
20. };  

（2） 在probe函数中创建sysfs文件系统；
 [cpp] view plain copy

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；
[cpp] view plain copy

1. ssize_t show_orientation(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)  
2. {  
3.     int result;  
4. u8 tilt, new_orientation;  
5.   
6.     mma7660_read_tilt(&tilt);  
7.     DBG("tilt [0x%x]\n", tilt);  
8.     new_orientation = tilt & 0x1f;  
9.     if (orientation!=new_orientation)  
10.         orientation = new_orientation;  
11.   
12.     switch ((orientation>>2)&0x07) {  
13.         case 1:  
14.             result = sprintf(buf, "Left\n");  
15.             break;  
16.         case 2:  
17.             result = sprintf(buf, "Right\n");  
18.             break;  
19.         case 5:  
20.             result = sprintf(buf, "Downward\n");  
21.             break;  
22.         case 6:  
23.             result = sprintf(buf, "Upward\n");  
24.             break;  
25.         default:  
26.             switch(orientation & 0x03) {  
27.                 case 1:  
28.                     result = sprintf(buf, "Front\n");  
29.                     break;  
30.                 case 2:  
31.                     result = sprintf(buf, "Back\n");  
32.                     break;  
33.                 default:  
34.                     result = sprintf(buf, "Unknown\n");  
35.         }  
36.     }  
37.     return result;  
38. }  

[cpp] view plain copy

1. ssize_t show_xyz_force(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)  
2. {  
3.     int i;  
4.     s8 xyz[3];  
5.   
6.     for (i=0; i<3; i++)  
7.         mma7660_read_xyz(i, &xyz[i]);  
8.   
9.     return sprintf(buf, "(%d,%d,%d)\n", xyz[0], xyz[1], xyz[2]);  
10. }  
11.   
12. ssize_t show_axis_force(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf)  
13. {  
14.     s8 force;  
15.     int n = to_sensor_dev_attr(attr)->index;  
16.   
17. mma7660_read_xyz(n, &force);  
18.   
19.     return sprintf(buf, "%d\n", force);  
20. }  

 6.3.2 Gsensor调试实例
[plain] view plain copy

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