基于ARM平臺(tái)的MEMS輸入設(shè)備的固件設(shè)計(jì)

　1 引言

　　MEMS(Micro Electro Mechanical System，即微機(jī)電系統(tǒng))是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機(jī)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(diǎn)，將MEMS器件——加速度傳感器應(yīng)用于輸入產(chǎn)品和嵌入式系統(tǒng)，滿足它們對(duì)傾斜、運(yùn)動(dòng)、定位、振動(dòng)等微小變化的測(cè)量 需求，以MEMS替換機(jī)械控制部件，為消費(fèi)產(chǎn)品帶來(lái)了一場(chǎng)革新。

　　國(guó)外和港臺(tái)地區(qū)有一些單位正在開(kāi)展這方面的研究，并取得了一定的成績(jī)。例如：香港 中文大學(xué)Alan H. F. Lam等幾個(gè)博士生提出了一種基于微加速度傳感器的虛擬鍵盤鼠標(biāo)系統(tǒng)（MIDS），能同時(shí)具備鼠標(biāo)和鍵盤的功能[1]；加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)了一種加速度感應(yīng)手套，利用放置在手指上的二維加速度傳感器感測(cè)手和手指的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電腦輸入的功能[2]。

　　2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的無(wú)線輸入系統(tǒng)是以加速度計(jì)為敏感元件，來(lái)完成鼠標(biāo)的功能，并能夠在三維 空間上同步操作者的三維運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電腦輸入的目的。本文采用美國(guó)AD公司的微加速 度傳感器ADXL203，并結(jié)合Nordic半導(dǎo)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(gè)硬件體系。該系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：遠(yuǎn)端子系統(tǒng)和主機(jī)端子系 統(tǒng)，具體的構(gòu)成如圖1所示。

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

　　2.遠(yuǎn)端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)端子系統(tǒng)的主要任務(wù)是加速度計(jì)信號(hào)的采集，信號(hào)的放大、濾波等的處理，控制器 對(duì)射頻無(wú)線發(fā)送的軟件控制。主要的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：使用GPIO 口，并按照一定的采樣頻率將 加速度信號(hào)送入微控制器LPC2214，在LPC2214 內(nèi)部進(jìn)行信號(hào)放大和A/D 轉(zhuǎn)換；并且按照 無(wú)線傳輸模塊定義的格式將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，再通過(guò)GPIO 口傳送給無(wú)線射頻模塊。 主程序主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)器件的初始化和任務(wù)的調(diào)用。

　　int main(void)

　　{

　　TargetInit();

　　Init_RF();

　　Init_ADC();

　　Init_Transmitter();

　　TaskMouse();

　　return 0;

　　}

　　在完成各個(gè)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(jì)信號(hào)采集、鼠標(biāo)位置確定、系統(tǒng)工作模式選擇等程序行。 獲取鼠標(biāo)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(jī)端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在主機(jī)端子系統(tǒng)中，NRF2401 接受遠(yuǎn)端子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并從I/O 口進(jìn)入LPC2214，數(shù)據(jù)通 過(guò)協(xié)議等處理為鼠標(biāo)格式，最后通過(guò)USB 接口發(fā)送給主機(jī)。在該模塊中，我們采用了操作 系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)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(gè)完整、可移植、可固化、可剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)的實(shí) 時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，使用標(biāo)準(zhǔn)的ANSIC 語(yǔ)言編寫, 并包含一段匯編語(yǔ)言代碼，被廣泛地應(yīng)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(gè)與ARM 處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)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(shè)置的移植文 件，采用C 語(yǔ)言描述。包含數(shù)據(jù)類型定義、堆棧單位、堆棧增長(zhǎng)方向和宏定義，需根據(jù)處 理器進(jìn)行相應(yīng)修改；OS_CPU.C 文件為系統(tǒng)管理代碼的移植文件, 采用C 語(yǔ)言描述； OS_CPU_A.ASM 文件為處理器相關(guān)代碼的移植文件, 采用ARM 的匯編語(yǔ)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(duì)主機(jī)端系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。下面是主 機(jī)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(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化完成后，創(chuàng)建啟動(dòng)任務(wù)，設(shè)置任務(wù)的優(yōu)先級(jí)， 并開(kāi)始進(jìn)行多任務(wù)操作。啟動(dòng)任務(wù)TaskStart 主要完成各個(gè)模塊的初始化，包括開(kāi)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(wú)線接受設(shè)置為接收模式。最后調(diào)用主執(zhí)行函數(shù) TaskDisplay()進(jìn)行任務(wù)處理。

　　3.3 USB 編程

　　在主機(jī)端軟件設(shè)計(jì)中，USB接口設(shè)計(jì)是非常重要的一環(huán)。USB接口，即通用串行總線。 這是針對(duì)PC機(jī)外設(shè)的一種新型接口技術(shù)，具有終端用戶使用方便、應(yīng)用性廣泛、能同步傳 輸寬帶、靈活性強(qiáng)和實(shí)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(jiǎn)化USB 設(shè)備的開(kāi)發(fā)過(guò)程，USB 提出了設(shè)備類的概念。HID(Human Interface Device) 設(shè)備類，即人機(jī)接口設(shè)備。典型的HID 設(shè)備如鍵盤、鼠標(biāo)。客戶軟件可以直接使用操作系 統(tǒng)內(nèi)置的HID 設(shè)備類驅(qū)動(dòng)程序（hidclass.sys）和HID 小驅(qū)動(dòng)程序(hidusb.sys)與HID 設(shè)備進(jìn) 行通信。報(bào)告描述符用于提供HID 設(shè)備和主機(jī)間交換數(shù)據(jù)的格式。根據(jù)該輸入設(shè)備的實(shí)現(xiàn) 要求和系統(tǒng)定義的鼠標(biāo)協(xié)議格式，HID 類設(shè)備的報(bào)告描述符如下所示：

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文討論了基于MEMS的無(wú)線輸入設(shè)備，主要介紹了在嵌入式環(huán)境下，輸入設(shè)備的固件編程設(shè)計(jì)。本文將系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)，并對(duì)他們進(jìn)行分別介紹，給出了子系統(tǒng)的簡(jiǎn)單實(shí)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(lǐng)域中使用。

　　基于MEMS的無(wú)線輸入設(shè)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(shè)備發(fā)展的新形式，減少了設(shè)備之間連線的繁瑣，擴(kuò)大了其使用的空間。隨著信息技術(shù)和MEMS技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，基于MEMS 技術(shù)的無(wú)線輸入設(shè)備會(huì)更加可靠、方便。