基于ARM平臺的MEMS輸入設備的固件設計

基于ARM平臺的MEMS輸入設備的固件設計

　1 引言

　　MEMS(Micro Electro Mechanical System，即微機電系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、可大批量生產(chǎn)、性能一致性好、成本低等特點，將MEMS器件——加速度傳感器應用于輸入產(chǎn)品和嵌入式系統(tǒng)，滿足它們對傾斜、運動、定位、振動等微小變化的測量 需求，以MEMS替換機械控制部件，為消費產(chǎn)品帶來了一場革新。

　　國外和港臺地區(qū)有一些單位正在開展這方面的研究，并取得了一定的成績。例如：香港 中文大學Alan H. F. Lam等幾個博士生提出了一種基于微加速度傳感器的虛擬鍵盤鼠標系統(tǒng)（MIDS），能同時具備鼠標和鍵盤的功能[1]；加州大學伯克利分校設計了一種加速度感應手套，利用放置在手指上的二維加速度傳感器感測手和手指的動作，實現(xiàn)電腦輸入的功能[2]。

　　2. 系統(tǒng)設計

　　本文設計的無線輸入系統(tǒng)是以加速度計為敏感元件，來完成鼠標的功能，并能夠在三維 空間上同步操作者的三維運動，從而實現(xiàn)電腦輸入的目的。本文采用美國AD公司的微加速 度傳感器ADXL203，并結(jié)合Nordic半導體公司的射頻收發(fā)器NRF2401，與Philips公司的 D12USB接口芯片形成一個硬件體系。該系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成：遠端子系統(tǒng)和主機端子系 統(tǒng)，具體的構(gòu)成如圖1所示。

　　在軟件開發(fā)上，采用 ARM 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)理念，采用內(nèi)置有ARM7 處理器核的 LPC2214 微控制器，開發(fā)新一代基于微加速度傳感器的MEMS 無線輸入設備。在調(diào)試初期， 以周立功公司的EasyARM2200 開發(fā)板為開發(fā)平臺，使用ADS 作為開發(fā)環(huán)境。

　　2.遠端子系統(tǒng)設計

　　遠端子系統(tǒng)的主要任務是加速度計信號的采集，信號的放大、濾波等的處理，控制器 對射頻無線發(fā)送的軟件控制。主要的實現(xiàn)過程為：使用GPIO 口，并按照一定的采樣頻率將 加速度信號送入微控制器LPC2214，在LPC2214 內(nèi)部進行信號放大和A/D 轉(zhuǎn)換；并且按照 無線傳輸模塊定義的格式將數(shù)據(jù)進行編碼，再通過GPIO 口傳送給無線射頻模塊。 主程序主要實現(xiàn)各個器件的初始化和任務的調(diào)用。

　　int main(void)

　　{

　　TargetInit();

　　Init_RF();

　　Init_ADC();

　　Init_Transmitter();

　　TaskMouse();

　　return 0;

　　}

　　在完成各個模塊的初始化之后，執(zhí)行Taskmouse 函數(shù)。Taskmouse 函數(shù)是主執(zhí)行函數(shù)，包含了GetMousePos()、ModeSelect()、Get_ADCValue_X()和Get_ADCValue_Y()等子函數(shù)。調(diào)用該函數(shù)就可以執(zhí)行加速度計信號采集、鼠標位置確定、系統(tǒng)工作模式選擇等程序行。 獲取鼠標位置信息的示意程序如下所示：

　　void GetMousePos(uint8 *buf, uint8 shift)

　　{

　　uint8 i;

　　uint8 sampf = 50;

　　uint32 dpi = 100;

　　uint32 sum_x, sum_y;

　　sum_x = sum_y = 0;

　　for (i = 0; i < sampf; ++i) {

　　sum_x += Get_ADCValue_X(dpi);

　　sum_y += Get_ADCValue_Y(dpi); }

　　buf[0] = (sum_x / sampf) >> shift;

　　buf[1] = (sum_y / sampf) >> shift;

　　}

　　3.主機端子系統(tǒng)設計

　　在主機端子系統(tǒng)中，NRF2401 接受遠端子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并從I/O 口進入LPC2214，數(shù)據(jù)通 過協(xié)議等處理為鼠標格式，最后通過USB 接口發(fā)送給主機。在該模塊中，我們采用了操作 系統(tǒng)來實現(xiàn)多任務處理。

　　3.1 μC/OS-II 操作系統(tǒng)的移植

　　我們使用的 μC/OS-II 是一個完整、可移植、可固化、可剪裁的占先式實時多任務的實 時操作系統(tǒng)內(nèi)核，使用標準的ANSIC 語言編寫, 并包含一段匯編語言代碼，被廣泛地應用 于各種架構(gòu)的微處理器上。

　　在本系統(tǒng)中，μC/OS-II 的移植主要是修改3 個與ARM 處理器體系結(jié)構(gòu)相關的文件： OS_CPU.H、OS_CPU.C 和OS_CPU_A.ASM。OS_CPU.H 文件為系統(tǒng)通用量設置的移植文 件，采用C 語言描述。包含數(shù)據(jù)類型定義、堆棧單位、堆棧增長方向和宏定義，需根據(jù)處 理器進行相應修改；OS_CPU.C 文件為系統(tǒng)管理代碼的移植文件, 采用C 語言描述； OS_CPU_A.ASM 文件為處理器相關代碼的移植文件, 采用ARM 的匯編語言描述。

　　3.2 控制器編程

　　將操作系統(tǒng)成功移植到LPC2214 上后，就可以對主機端系統(tǒng)進行軟件設計。下面是主 機端主函數(shù)的代碼：

　　int main (void)

　　{

　　OSInit();

　　OSTaskCreate(TaskStart, (void *)0, &TaskStartStk[127], 5);

　　OSStart();

　　}

　　主函數(shù)首先對操作系統(tǒng)進行初始化，初始化完成后，創(chuàng)建啟動任務，設置任務的優(yōu)先級， 并開始進行多任務操作。啟動任務TaskStart 主要完成各個模塊的初始化，包括開發(fā)板的初 始化TargetInit()，射頻芯片的初始化Init_RF()，控制器AD 轉(zhuǎn)換的初始化Init_ADC()，USB 接口芯片的初始化Init_D12()等，并將射頻無線接受設置為接收模式。最后調(diào)用主執(zhí)行函數(shù) TaskDisplay()進行任務處理。

　　3.3 USB 編程

　　在主機端軟件設計中，USB接口設計是非常重要的一環(huán)。USB接口，即通用串行總線。 這是針對PC機外設的一種新型接口技術，具有終端用戶使用方便、應用性廣泛、能同步傳 輸寬帶、靈活性強和實現(xiàn)成本低等特性。USB的基本通信流和分層模型如圖2所示。

　　為簡化USB 設備的開發(fā)過程，USB 提出了設備類的概念。HID(Human Interface Device) 設備類，即人機接口設備。典型的HID 設備如鍵盤、鼠標?？蛻糗浖梢灾苯邮褂貌僮飨?統(tǒng)內(nèi)置的HID 設備類驅(qū)動程序（hidclass.sys）和HID 小驅(qū)動程序(hidusb.sys)與HID 設備進 行通信。報告描述符用于提供HID 設備和主機間交換數(shù)據(jù)的格式。根據(jù)該輸入設備的實現(xiàn) 要求和系統(tǒng)定義的鼠標協(xié)議格式，HID 類設備的報告描述符如下所示：

　　4 結(jié)束語

　　本文討論了基于MEMS的無線輸入設備，主要介紹了在嵌入式環(huán)境下，輸入設備的固件編程設計。本文將系統(tǒng)分成兩個子系統(tǒng)，并對他們進行分別介紹，給出了子系統(tǒng)的簡單實現(xiàn)流程和函數(shù)的調(diào)用，并列出了一部分程序行。此方案的子程序具有易移植性，很容易在其他 領域中使用。

　　基于MEMS的無線輸入設備，其主要部件依托MEMS表面微加工和體硅加工的特殊工藝，使系統(tǒng)在尺寸、性能等方面有了提高，并且作為輸入設備發(fā)展的新形式，減少了設備之間連線的繁瑣，擴大了其使用的空間。隨著信息技術和MEMS技術的繼續(xù)發(fā)展，基于MEMS 技術的無線輸入設備會更加可靠、方便。