引言

当今的电子消费领域，重力感应技术正以其迅猛的速度在发展。它在游戏机、移动存储设备、智能电动车中有着广泛的应用；在高端智能手机、平板电脑等嵌入式移动产品中，其应用也越来越普及，它将给人们带来更为方便、有趣、实用、丰富的全新体验。

MX51是飞思卡尔半导体基于ARM CortexA8内核的高端ARM嵌入式多媒体处理器，它支持丰富的多媒体功能组合和外围设备，处理器接口支持与所有常用外部存储的连接，在工作和各种低功耗模式下实现最小的系统功耗，满足操作系统和游戏系统越来越多的MIPS需求。嵌入式Linux操作系统以其免费、开源及功能强大等特点，被广泛应用于各类便携式产品中，由于Linux操作系统只提供相关设备的驱动接口，实际应用中，需针对具体芯片开发相关的驱动程序。本文以Linux2.6.31内核和MX51为系统的软、硬件平台，讨论了重力感应驱动程序的实现技术。

1 Gsensor概述

Gsensor表示重力传感器，它是一种可以将运动或重力转换为电信号的传感器。重力感应利用压电效应实现，通过测量内部一片重物（重物和压电片做成一体）重力正交两个方向的分力大小，来判断水平方向。Gsensor内置3轴（X、Y和Z轴）加速计，实际应用中通常以这3个轴（或任意两个轴）所构成的角度来计算物体的倾斜角度，从而计算出重力加速度的值。

当物体位置发生变化，如晃动、跌落、旋转、上升、下降时，其所产生的加速力被Gsensor转化为电信号，通过微处理器的计算分析后，可完成设计中的特定功能。重力感应技术应用在移动存储设备上，利用重力加速度原理，一旦侦测到意外，能在摔落的瞬间将磁头撤至安全停泊区，有效确保工作状态下的产品安全。在手机中应用此项技术，可以根据使用者的动作实现屏幕图像翻转、功能选择、游戏控制等。

2 硬件平台

本设计采用飞思卡尔半导体的MX51多媒体应用处理器开发板。处理器集成了3个I2C接口：I2C1和I2C2是普通I2C总线，HSI2C是高速I2C总线。Gsensor芯片LIS33DE通过I2C2接口连接到MX51的总线上。图1为硬件连接图。

图1 LIS33DE的硬件平台

LIS33DE是ST（意法半导体）公司的重力感应芯片，这是一款超紧凑，低功耗的三维线性加速度传感器。芯片采用LGA封装，16引脚，3×3×1 mm3大小，要求的额定输入电压范围为2.16～3.6 V，电路中的供电电压为2775 V。LIS33DE的功耗小于1 mW，控制接口支持I2C和SPI接口。设计中采用I2C接口进行数据通信。LIS33DE内置可编程中断发生器，软件可采用中断或查询方式读取重力感应的状态信息。

LIS33DE的主要寄存器包括控制寄存器CTRL_REG1～CTRL_REG3，状态寄存器STATUS_REG，数据寄存器OUT_X、OUT_Y和OUT_Z。它们用来控制Gsensor的行为，存放加速度的值。系统通过I2C接口访问这些寄存器。

控制寄存器CTRL_REG1(20h): DR位（bit7）控制输出数据的速率，可以选择100 Hz或400 Hz； PD位（bit6）控制芯片的工作状态：power down或active；Zen、Yen和Xen位（bit2～0），控制Z、Y和X轴的使能：1为enable，0为disable。

控制寄存器CTRL_REG2(21h): BOOT位（bit6）控制为复位寄存器内容，0为正常模式，1为复位寄存器内容。BOOT位用来恢复LIS33DE寄存器的默认值。

控制寄存器CTRL_REG3(22h): IHL位（bit7）控制中断有效电平，0为高电平有效，1为低电平有效。

状态寄存器STATUS_REG(27h)：高4位表示X、Y、Z轴的数据是否有溢出，低4位表示X、Y、Z轴的数据是否有效。

数据寄存器OUT_X(29h)：以二进制补码格式存储X轴数据。

数据寄存器OUT_Y(2Bh)：以二进制补码格式存储Y轴数据。

数据寄存器OUT_Z(2Dh)：以二进制补码格式存储Z轴数据。

3 Gsensor驱动程序设计

当物体位置发生变化时，LIS33DE实时检测、判断出各个方向轴上重力加速度的变化，并将其值存入数据寄存器OUT_X、OUT_Y和OUT_Z。驱动程序装载运行后，以查询方式定时调用工作队列中的任务处理函数：读数据寄存器，向系统报告事件及变化的坐标值。

MX51通过I2C2接口与LIS33DE芯片进行数据通信，使用一个总线设备，除了为其设计驱动程序，还须向Linux内核注册此设备。

3.1 I2C设备注册

在arch/arm/machmx51/mx51_3stack.c中,定义struct i2c_board_info结构变量，用于描述I2C设备特性：

static struct i2c_board_info mxc_i2c1_board_info[] __initdata={

{.type="lis33de"，

.addr=0x1c,

……

},

};

其中type为定义的I2C设备名称，addr为I2C设备地址。然后，调用如下函数注册此设备：

i2c_register_board_info(1,mxc_i2c1_board_info,ARRAY_SIZE(mxc_i2c1_board_info));

系统初始化时，会根据板级I2C设备配置信息，创建I2C客户端设备i2c_client,并将其添加到I2C子系统中。

3.2 I2C设备驱动注册

I2C总线上的数据通信由I2C设备驱动实施，设备驱动通过I2C总线与具体设备进行交互。一个设备驱动需由2个结构struct i2c_driver和struct i2c_client来描述。其中i2c_driver表示一个I2C设备驱动，i2c_client表示使用i2c_driver驱动的设备。

在drivers/i2c/chips/lis33de.c中作如下定义：

static struct i2c_driver lis33de_driver={

.probe=lis33de_probe，//探测函数

.remove=lis33de_remove,//卸载函数

.id_table=lis33de_id,//将驱动与已定义的I2C设备相关联

.driver={

.name=LIS33DE_I2C_NAME,

},

};

lis33de_driver表示管理I2C设备的驱动程序。在驱动入口函数lis33de_init中调用函数i2c_add_driver(&lis33de_driver)注册这个设备驱动。驱动成功加载后，系统会自动调用探测函数lis33de_probe ，该函数原型如下：

static int lis33de_probe(struct i2c_client *client,const struct i2c_device_id *id);

其中参数i2c_client *client表示此前已向系统注册过的I2C设备，即lis33de芯片。

3.3 Linux输入子系统

Linux内核提供了输入子系统（Input Subsystem），常用输入设备如键盘、鼠标、触摸屏等都可以利用输入子系统的接口函数来实现设备驱动，重力感应驱动亦可纳入输入子系统框架。输入子系统由核心层、驱动层和事件处理层三部分组成，它们之间通过事件进行通信。我们将重力感应芯片LIS33DE作为一个输入设备，利用输入子系统实现重力感应驱动，需做以下工作：

◆ 在驱动模块加载函数中申请一个输入设备。

◆ 设置输入子系统所支持的事件类型。

◆ 设置坐标的取值范围。

◆ 注册输入设备。

◆ 报告发生的事件及对应的坐标。

3.4 主要功能函数设计

通过输入子系统实现重力感应驱动，需要在drivers/i2c/chips/lis33de.c中定义设备结构，对lis33de进行描述：

struct lis33de_data{

struct input_dev *input;

struct workqueue_struct *gsensor_wq;

struct delayed_work gsensor_work;

};

结构input_dev定义在<Linux/input.h>中，用于描述输入设备的驱动结构，主要包括响应的事件类型、按键内容、数据相对值的范围及一些处理函数。设备驱动的主要任务在以下函数中完成。

3.4.1 探测函数lis33de_probe

在入口函数lis33de_init中成功加载设备驱动后，探测函数lis33de_probe开始执行。函数主要实现以下操作：

① 定义结构指针“struct lis33de_data *sensor_data;”和“struct input_dev *input;”，申请设备所需空间。

sensor_data=kzalloc(sizeof(struct lis33de_data), GFP_KERNEL);

input=input_allocate_device();

② 设置事件类型。

input﹥evbit[0]=BIT_MASK(EV_ABS); // EV_ABS表示支持绝对坐标

③ 设置 X、Y、Z三个方向的坐标取值范围。

input_set_abs_params(g_sensor﹥input, ABS_X, -1872, 1872, 0, 0);

input_set_abs_params(g_sensor﹥input, ABS_Y, -1872, 1872, 0, 0);

input_set_abs_params(g_sensor﹥input, ABS_Z, -1872, 1872, 0, 0);

④ 注册输入设备。

input_register_device(input)；

⑤ 创建工作队列，构建任务并提交到工作队列。

glb_sensor﹥gsensor_wq=create_singlethread_workqueue("gsensor_wq");

INIT_DELAYED_WORK(&glb_sensor﹥gsensor_work, sensor_workqueue_func);

queue_delayed_work(glb_sensor﹥gsensor_wq, &glb_sensor﹥gsensor_work, LONG_DELAY_TIME);

其中glb_sensor 为已定义的全局struct lis33de_data 类型的指针，glb_sensor﹥gsensor_work为任务名称，sensor_workqueue_func为函数名，表示执行该任务时从工作队列中调用的函数。用queue_delayed_work函数提交任务到工作队列，LONG_DELAY_TIME为指定的delay，定义为HZ*12，在lis33de_probe函数调用12 s后，自动执行任务处理函数sensor_workqueue_func。

⑥ 电源管理。

在嵌入式手持设备里，电源管理的实现和节电非常重要，重力感应驱动需要很好的电源管理。由于LIS33DE属于输入设备，我们需要实现early suspend和late resume。对已定义的全局变量“struct early_suspend gsensor_early_suspend;”进行初始化：

gsensor_early_suspend.suspend=lis33de_early_suspend;

gsensor_early_suspend.resume=lis33de_late_resume;

register_early_suspend(&gsensor_early_suspend);

lis33de_early_suspend()和lis33de_late_resume()函数是相应电源管理系统休眠时和唤醒后分别调用的函数。

在lis33de_early_suspend（）函数中，首先使LIS33DE进入Power Down状态，然后取消对应的工作队列。

lis33de_write_reg(0x20, 0x27);//关机模式

cancel_rearming_delayed_work(&glb_sensor﹥gsensor_work);

在lis33de_late_resume()函数中，首先写LIS33DE的寄存器0x20，使其进入active模式，然后把工作队列加入工作队列。

lis33de_write_reg(0x20, 0x67);//工作模式

queue_delayed_work(glb_sensor﹥gsensor_wq, &glb_sensor﹥gsensor_work, DELAY_TIME);

3.4.2 数据处理函数sensor_workqueue_func

lis33de_probe函数执行12 s后,队列中的任务处理函数sensor_workqueue_fun被首次调用。函数的主要任务是读取Gsensor数据寄存器中的重力感应数据，经处理后向上层发送:

lis33de_read_reg(0x29, &DX8);

lis33de_read_reg(0x2B, &DY8);

lis33de_read_reg(0x2D, &DZ8);

读取的值在变量DX8、DY8、DZ8中，用以下代码对坐标值进行处理。

x=(DX8 & 0x80) ? (-(256-DX8)):(DX8);

y=(DY8 & 0x80) ? (-(256-DY8)):(DY8);

z=(DZ8 & 0x80) ? (-(256-DZ8)):(DZ8);

通过input_report_abs( )向上层发送。

input_report_abs(glb_sensor﹥input, ABS_X, x);

input_report_abs(glb_sensor﹥input, ABS_Y, y);

input_report_abs(glb_sensor﹥input, ABS_Z, z);

input_sync(glb_sensor﹥input);//此次报告结束

为了持续不断地查询下去，在sensor_workqueue_func( )函数的最后，再次提交任务到工作队列：

queue_delayed_work(glb_sensor﹥gsensor_wq, &glb_sensor﹥gsensor_work, DELAY_TIME);其中DELAY_TIME定义为40 ms。以后，系统以固定的时间间隔（40 ms）反复调用任务处理函数，只要系统运行，就存在重力感应的输入数据报告。

3.4.3 设备初始化函数lis_init

函数主要实现对LIS33DE寄存器初始化。

lis33de_write_reg(0x21, 0x40);//复位寄存器内容

mdelay(3);

lis33de_write_reg(0x20, 0x67);//工作模式

lis33de_write_reg(0x21, 0x00);

lis33de_write_reg(0x22, 0x84);//数据准备就绪

lis33de_write_reg(0x30, 0x2A);//使能Z，Y，X的中断

lis33de_write_reg(0x32, 0x02);//设置模式寄存器为缺省值

lis33de_write_reg(0x33, 0x01);//设置中断持续时间为2.5 ms

lis33de_read_reg(0x31, &tmp);

结语

在android 2.2系统下进行重力感应驱动测试。打开gallery图片浏览程序，旋转平板电脑，可以发现，图片也随之旋转，能够始终保持正确的浏览姿态。

MX51处理器通过I2C接口与LIS33DE重力感应芯片连接,以Linux输入设备驱动形式开发该驱动，设计中使用了查询、队列等技术。本文对重力感应驱动程序的架构及主要实现技术进行了讨论，该驱动有着较为清晰的结构，针对具体硬件，修改底层初始化和坐标读取代码，可以方便地移植到多种嵌入式Linux系统平台。