朱海蕊

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

基于Linux的加速度傳感器mma8653驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

朱海蕊

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

文章首先闡述了mma8653加速度傳感器以及在應(yīng)用中的優(yōu)勢，介紹了嵌入式Linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的框架結(jié)構(gòu)并分別介紹各層的作用，然后分析了IIC總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序、嵌入式Linux系統(tǒng)IIC設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，最后介紹了基于Linux的加速度傳感器mma8653設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的具體實(shí)現(xiàn)。

Linux；IIC總線；驅(qū)動(dòng)程序；mma8653

加速度傳感器是一類能夠感知物體的加速度變化，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎幂敵鲂盘?hào)的傳感器。隨著制造工藝的日益成熟和加速度測量技術(shù)的迅速發(fā)展，加速度傳感器測量精度不斷提高，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、便攜式導(dǎo)航解決方案和醫(yī)療應(yīng)用中。然而現(xiàn)有的采集平臺(tái)大多考慮了高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集傳輸，而忽略了應(yīng)用中對(duì)芯片的尺寸和功耗的要求。

mma8653是飛思卡爾生產(chǎn)的加速度傳感器，具有體積小、低功率、噪音低、運(yùn)動(dòng)精度高的特點(diǎn)。引腳兼容型Xtrinsic mma8652FC 12位和mma8653FC 10位加速計(jì)。適用于對(duì)功率和空間具有限制的移動(dòng)器件。mma8653的工作電壓1.95V-3.6V，支持IIC總線接口。

準(zhǔn)確的加速度數(shù)據(jù)測量是嵌入式系統(tǒng)中重要的一點(diǎn)，在Linux操作系統(tǒng)下使用加速度傳感器mma8653,不僅可以采集到高精度的數(shù)據(jù)，而且硬件簡單可靠。

1 Linux的驅(qū)動(dòng)框架

IIC（Inter－Integrated Circuit）總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，在嵌入式設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用[1]。IIC串行總線一般有兩根信號(hào)線，一根是雙向的數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL。所有接到IIC總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時(shí)鐘線SCL接到總線的SCL上。

Linux的IIC體系結(jié)構(gòu)主要由3個(gè)部分構(gòu)成，分別是IIC核心、IIC總線驅(qū)動(dòng)和IIC設(shè)備驅(qū)動(dòng)[2]，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

IIC核心層作為IIC總線的驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)之間的紐帶，提供了一組接口函數(shù)，這些接口函數(shù)不依賴于具體的硬件平臺(tái)，其中包括IIC總線驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊函數(shù)和注銷函數(shù)等，IIC核心層提供的傳輸、發(fā)送和接受函數(shù)，可用來完成消息的讀寫。

IIC總線驅(qū)動(dòng)是對(duì)IIC硬件體系結(jié)構(gòu)中IIC控制器的實(shí)現(xiàn)，IIC控制器與CPU鏈接，受CPU的控制，IIC控制器可以直接集成在CPU的內(nèi)部[3]。由IIC總線驅(qū)動(dòng)控制的代碼，可以控制IIC控制器以主動(dòng)的方式產(chǎn)生IIC在通信過程中所必須開始位、停止位、讀寫周期，以及以從設(shè)備方式被讀寫，產(chǎn)生的應(yīng)答信號(hào)（ACK）等。

圖1 Linux中IIC體系結(jié)構(gòu)

IIC設(shè)備驅(qū)動(dòng)是對(duì)IIC體系結(jié)構(gòu)中的設(shè)備端的實(shí)現(xiàn)，設(shè)備一般掛在受CPU控制的IIC控制器上[4]，設(shè)備通過IIC控制器與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，IIC設(shè)備層由IIC設(shè)備和對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)組成。

mma8653采用設(shè)備-總線-驅(qū)動(dòng)編程模型，內(nèi)核定義一個(gè)虛擬總線i2c_bus_type，虛擬總線上維護(hù)著設(shè)備相關(guān)的硬件信息鏈表和設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)的鏈表，其中設(shè)備相關(guān)的硬件信息鏈表描述的IIC外設(shè)的純硬件信息，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為struct i2c_client，設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)的鏈表描述IIC外設(shè)的純軟件信息，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為struct i2c_driver，驅(qū)動(dòng)開發(fā)者只需用這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義初始化一個(gè)對(duì)象，然后向?qū)?yīng)的鏈表添加，內(nèi)核會(huì)調(diào)用match函數(shù)來比較硬件節(jié)點(diǎn)的name和軟件節(jié)點(diǎn)的name進(jìn)行匹配，如果匹配成功，內(nèi)核會(huì)調(diào)用軟件節(jié)點(diǎn)的probe函數(shù)，并把硬件節(jié)點(diǎn)的首地址傳遞給probe函數(shù)。

2 嵌入式IIC總線工作時(shí)序

在ARM嵌入式系統(tǒng)IIC總線中，一般微處理器（如：S5P6818）是總線上的主機(jī)，其他是從機(jī)，IIC總線上可同時(shí)接多個(gè)從機(jī)，每個(gè)從機(jī)都有一個(gè)唯一的地址，主機(jī)負(fù)責(zé)IIC總線的初始化、數(shù)據(jù)傳輸、產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)等工作。IIC總線傳輸?shù)臅r(shí)序如圖2所示：在I2C總線傳輸過程中，將兩種特定的情況定義為開始和停止條件：當(dāng)SCL保持“高”時(shí)，SDA由“高”變?yōu)椤暗汀睘殚_始（START）條件；當(dāng)SCL保持“高”且SDA由“低”變?yōu)椤案摺睍r(shí)為停止（STOP）條件。開始和停止條件均由主控制器產(chǎn)生。

SDA線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘“高”期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)線上的“高”或“低”狀態(tài)才可以改變。輸出到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須是8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，但每個(gè)字節(jié)必須要有一個(gè)應(yīng)答ACK。如果接收器件在完成其他功能（如內(nèi)部中斷）前不能接收另一數(shù)據(jù)的完整字節(jié)時(shí)，它可以保持時(shí)鐘線SCL為低，以促使發(fā)送器進(jìn)入等待狀態(tài)；當(dāng)接收器準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)的其他字節(jié)并釋放時(shí)鐘SCL后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進(jìn)行。

2.1 IIC總線寫操作時(shí)序

IIC總線寫操作有二種方式：字節(jié)寫和頁面寫。字節(jié)寫是指：每次在指定位置寫入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，時(shí)序如圖3（a）所示。首先CPU向總線發(fā)送START信號(hào)，然后CPU向總線上發(fā)送mma8653的設(shè)備地址和寫位，表明CPU要將訪問的片內(nèi)寄存器地址告訴mma8653，如果外設(shè)存在于總線上，外設(shè)會(huì)在第九個(gè)時(shí)鐘周期給CPU一個(gè)ACK應(yīng)答信號(hào)；當(dāng)應(yīng)答信號(hào)來到之后再發(fā)一個(gè)器件內(nèi)部地址，外設(shè)接收到要訪問的片內(nèi)寄存器以后，給CPU一個(gè)應(yīng)答信號(hào)ACK；當(dāng)應(yīng)答信號(hào)來到之后立即發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)下一個(gè)應(yīng)答信號(hào)來到之后發(fā)送停止（STOP）信號(hào)。頁面寫和字節(jié)寫操作很類似，只是主機(jī)在完成第一輪數(shù)據(jù)傳送之后不發(fā)送停止信號(hào)，而繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)序如圖3（b）所示：IIC字節(jié)寫和頁面寫所對(duì)應(yīng)的函數(shù)分別是i2c_smbus_write_byte_data()和i2c_smbus_write_block_ data()。

2.2 IIC總線讀操作時(shí)序

IIC總線讀操作主要有2種方式：指定位置讀和連續(xù)讀。指定位置讀時(shí)序如圖4（a）所示，CPU首先向總線發(fā)送START信號(hào)，然后向總線上發(fā)送mma8653的設(shè)備地址和寫位，如果設(shè)備存在于總線上,設(shè)備在第九個(gè)時(shí)鐘周期給CPU發(fā)送一個(gè)ACK信號(hào)，CPU然后向外設(shè)發(fā)送要訪問的片內(nèi)寄存器的地址，外設(shè)給CPU發(fā)送一個(gè)ACK信號(hào)，CPU重發(fā)START信號(hào)，CPU繼續(xù)重發(fā)外設(shè)的設(shè)備地址和讀位，表明CPU要開始讀取數(shù)據(jù)，外設(shè)繼續(xù)給CPU一個(gè)ACK信號(hào)，外設(shè)最終將數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU，CPU接收到數(shù)據(jù)，沒有給外設(shè)一個(gè)有效的ACK信號(hào)，CPU數(shù)據(jù)讀取操作完畢，最后發(fā)送STOP信號(hào)。連續(xù)讀時(shí)序如圖4（b）所示；IIC指定位置讀和連續(xù)讀所對(duì)應(yīng)的函數(shù)分別是i2c_smbus_ read_byte_data()和i2c_smbus_read_block_data()。

3 嵌入式Linux系統(tǒng)IIC設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

Linux的內(nèi)核是一個(gè)整體的內(nèi)核，即所有的內(nèi)核功能鏈接在一起，在同一個(gè)地址空間執(zhí)行，如果新增加或去除一個(gè)硬件驅(qū)動(dòng)，需要把原有的內(nèi)核重新編譯一遍，這樣會(huì)帶來很多不便和浪費(fèi)。Linux操作系統(tǒng)提供內(nèi)核模塊機(jī)制來解決此問題。

模塊是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，在編譯內(nèi)核時(shí)并沒有以靜態(tài)地方式鏈接進(jìn)內(nèi)核，而是被分別編譯并鏈接成一組目標(biāo)文件，以模塊加載的方式加載進(jìn)內(nèi)核，或從正在運(yùn)行的內(nèi)核中被卸載[5]。這樣保證了內(nèi)核能達(dá)到最小，并且在使用的過程中非常靈活。

內(nèi)核在運(yùn)行insmod命令后由系統(tǒng)調(diào)用mma8653_init()函數(shù)，完成驅(qū)動(dòng)模塊的加載工作，在內(nèi)核中完成各種函數(shù)的注冊，在注冊之后，應(yīng)用程序調(diào)用函數(shù)時(shí)，內(nèi)核將查表獲得相應(yīng)函數(shù)的位置并調(diào)用；運(yùn)行rmmod命令后有系統(tǒng)調(diào)用mma8653_exit()函數(shù)，此時(shí)完成驅(qū)動(dòng)模塊卸載時(shí)的各種清理工作，把注冊到內(nèi)核中的函數(shù)卸載，mma8653_exit()函數(shù)必須把注冊到內(nèi)核的功能函數(shù)完全卸載，否則，再次調(diào)用此模塊時(shí)，會(huì)因?yàn)橛邢嗤暮瘮?shù)名而導(dǎo)致調(diào)用失敗。

圖2 IIC總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

圖3 IIC總線寫數(shù)據(jù)時(shí)序

圖4 IIC總線讀數(shù)據(jù)時(shí)序

4 mma8653驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

mma8653是由飛思卡爾公司開發(fā)的高性能、低功耗的三軸加速計(jì)，適用于對(duì)功率和空間具有限制的移動(dòng)器件。mma8653采用IIC接口，體積小使用方便，mma8653的2、10腳分別和S5P6818的IIC控制的時(shí)鐘（SCL）和數(shù)據(jù)管腳（SDA）連接，然后通過對(duì)S5P6818的控制器進(jìn)行編程，以IIC的方式控制和訪問mma8653，從而獲得mma8653的三個(gè)軸向的加速度值。mma8653電路如圖5所示。

mma8653驅(qū)動(dòng)最終能否得以正常運(yùn)行，獲得實(shí)時(shí)溫度值，關(guān)鍵在于能否正確地編寫初始化硬件程序、讀寫操作的程序。

4.1 設(shè)備的初始化、退出處理模塊

設(shè)備初始化模塊的主要功能是：向內(nèi)核注冊設(shè)備節(jié)點(diǎn)，mma8653_init()函數(shù)執(zhí)行的時(shí)候，函數(shù)i2c_add_ driver(&mma8653_drv)執(zhí)行，如果i2c_ driver的id_ table中的name和client中的name匹配后，內(nèi)核調(diào)用i2c_ driver_probe()函數(shù)，調(diào)用 mma8653_exit(void)會(huì)進(jìn)行設(shè)備的卸載，具體函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下。

圖5 mma8653電路

4.2 初始化mma8653硬件程序

對(duì)mma8653進(jìn)行操作之前要對(duì)采集數(shù)據(jù)的模式、采集數(shù)據(jù)的范圍進(jìn)行設(shè)置。IIC設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用SMBUS接口函數(shù)來操作IIC控制器，從而發(fā)起硬件的操作時(shí)序。

下面是初始化硬件程序代碼:

4.3 讀數(shù)據(jù)模塊

Mma8653需要連續(xù)的讀取加速度的數(shù)據(jù)值，具體實(shí)現(xiàn)的函數(shù)如下：

4.4 應(yīng)用層接口函數(shù)

4.5 硬件信息

要向內(nèi)核中添加mma8653的硬件相關(guān)的信息，內(nèi)核根據(jù)硬件信息定義初始化硬件節(jié)點(diǎn)，具體代碼如下：

5 結(jié)語

本文采用設(shè)備—總線—驅(qū)動(dòng)模型來編寫mma8653驅(qū)動(dòng)程序，采用模塊化加載的方式來調(diào)試mma8653的驅(qū)動(dòng)程序，mma8653采集數(shù)據(jù)的結(jié)果如圖6所示。

圖6 mma8653采集數(shù)據(jù)結(jié)果

[1]朱華生，葉軍.嵌入式系統(tǒng)IIC設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006（10）：170-172.

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Design of acceleration sensor mma8653 driver based on Linux

Zhu Hairui
（Mechatronics and Information Engineering College of China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China）

Firstly, this paper expounded the mma8653 acceleration sensor and its advantages in application.,and introduced the frame structure of the embedded Linux system driver and respectively introduced the role of each layer., and then analyzed the IIC bus data transmission sequence and the design of the embedded Linux system IIC device driver, fnally introduced the concrete implementation of the device driver of acceleration sensor mma8653 based on Linux.

Linux; IIC bus; drivers; mma8653

朱海蕊（1988— ），女，河南安陽，碩士；研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。