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gsensor架构和原理分析

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发表于 2016-12-20 18:32:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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 (Applicati**)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**器;
mEventListener =new SensorEventListener() {

[java] view plaincopy


  • @Override
  • publicvoid **ensorChanged(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**器;
protectedvoid onResume() {

[java] view plaincopy


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


(5)   卸载事件**器;
protectedvoid onPause() {
[java] view plaincopy


  •    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 :penInput() : 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 plaincopy


  • 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 c**t** 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。

[cpp] view plaincopy


  • c**t 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 plaincopy


  • .open = open_sensors

5.2.3 sensors_poll_context_t[cpp] view plaincopy


  • 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 plaincopy


  • 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。

[cpp] view plaincopy


  • static c**t 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, { } },
  • };

[cpp] view plaincopy


  • struct sensor_t {
  •     c**t char*     name;
  •     c**t 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;
[cpp] view plaincopy


  • 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;
[cpp] view plaincopy


  • 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 c**t struct attribute_group mma7660_group =
  • {
  •     .attrs = mma7660_attrs,
  • };



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


  • 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;
[cpp] view plaincopy


  • 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 plaincopy


  • 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);  
  •     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 plaincopy


  • /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 Hardware7.1 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 C**umption:
    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 C**umption
  • 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
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发表于 2017-3-24 11:31:30 | 显示全部楼层
好东西,学习了。
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    发表于 2019-6-26 13:45:09 | 显示全部楼层
    好文章,学习了!!!
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