基于ARM平台的MEMS输入设备的固件设计-设计应用

精品文档-下载后可编辑基于ARM平台的MEMS输入设备的固件设计-设计应用摘要：本文研究了基于MEMS加速度计的电脑无线输入设备,给出了输入设备系统的整体构成和主要的硬件组成。本文重点讨论了输入系统的固件设计,即在ARM嵌入式平台基础上,引入嵌入式操作系统,对输入设备的两个子模块进行了软件设计,并给出了一些相应的程序行。

1引言

MEMS(MicroElectroMechanicalSystem，即微机电系统)是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统，具有体积小、重量轻、性能稳定、可大批量生产、性能一致性好、成本低等特点，将MEMS器件——加速度传感器应用于输入产品和嵌入式系统，满足它们对倾斜、运动、定位、振动等微小变化的测量需求，以MEMS替换机械控制部件，为消费产品带来了一场革新。

国外和港台地区有一些单位正在开展这方面的研究，并取得了一定的成绩。例如：香港中文大学AlanH.F.Lam等几个博士生提出了一种基于微加速度传感器的虚拟键盘鼠标系统（MIDS），能同时具备鼠标和键盘的功能[1]；加州大学伯克利分校设计了一种加速度感应手套，利用放置在手指上的二维加速度传感器感测手和手指的动作，实现电脑输入的功能[2]。

2.系统设计

本文设计的无线输入系统是以加速度计为敏感元件，来完成鼠标的功能，并能够在三维空间上同步操作者的三维运动，从而实现电脑输入的目的。本文采用美国AD公司的微加速度传感器ADXL203，并结合Nordic半导体公司的射频收发器nRF2401，与Philips公司的D12USB接口芯片形成一个硬件体系。该系统由两个子系统组成：远端子系统和主机端子系统，具体的构成如图1所示。

在软件开发上，采用ARM嵌入式系统的开发理念，采用内置有ARM7处理器核的LPC2214微控制器，开发新一代基于微加速度传感器的MEMS无线输入设备。在调试初期，以周立功公司的EasyARM2200开发板为开发平台，使用ADS作为开发环境。

2.远端子系统设计

远端子系统的主要任务是加速度计信号的采集，信号的放大、滤波等的处理，控制器对射频无线发送的软件控制。主要的实现过程为：使用GPIO口，并按照一定的采样频率将加速度信号送入微控制器LPC2214，在LPC2214内部进行信号放大和A/D转换；并且按照无线传输模块定义的格式将数据进行编码，再通过GPIO口传送给无线射频模块。主程序主要实现各个器件的初始化和任务的调用。

intmain(void)

{

TargetInit();

Init_RF();

Init_ADC();

Init_Transmitter();

TaskMouse();

return0;

}

在完成各个模块的初始化之后，执行Taskmouse函数。Taskmouse函数是主执行函数，包含了GetMousePos()、ModeSelect()、Get_ADCValue_X()和Get_ADCValue_Y()等子函数。调用该函数就可以执行加速度计信号采集、鼠标位置确定、系统工作模式选择等程序行。获取鼠标位置信息的示意程序如下所示：

voidGetMousePos(uint8*buf,uint8shift)

{

uint8i;

uint8sampf=50;

uint32dpi=100;

uint32sum_x,sum_y;

sum_x=sum_y=0;

for(i=0;isampf;++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.主机端子系统设计

在主机端子系统中，nRF2401接受远端子系统的数据并从I/O口进入LPC2214，数据通过协议等处理为鼠标格式，通过USB接口发送给主机。在该模块中，我们采用了操作系统来实现多任务处理。

3.1μC/OS-II操作系统的移植

我们使用的μC/OS-II是一个完整、可移植、可固化、可剪裁的占先式实时多任务的实时操作系统内核，使用标准的ANSIC语言编写,并包含一段汇编语言代码，被广泛地应用于各种架构的微处理器上。

在本系统中，μC/OS-II的移植主要是修改3个与ARM处理器体系结构相关的文件：OS_CPU.H、OS_CPU.C和OS_CPU_A.ASM。OS_CPU.H文件为系统通用量设置的移植文件，采用C语言描述。包含数据类型定义、堆栈单位、堆栈增长方向和宏定义，需根据处理器进行相应修改；OS_CPU.C文件为系统管理代码的移植文件,采用C语言描述；OS_CPU_A.ASM文件为处理器相关代码的移植文件,采用ARM的汇编语言描述。

3.2控制器编程

将操作系统成功移植到LPC2214上后，就可以对主机端系统进行软件设计。下面是主机端主函数的代码：

intmain(void)

{

OSInit();

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

OSStart();

}

主函数首先对操作系统进行初始化，初始化完成后，创建启动任务，设置任务的优先级，并开始进行多任务操作。启动任务TaskStart主要完成各个模块的初始化，包括开发板的初始化TargetInit()，射频芯片的初始化Init_RF()，控制器AD转换的初始化Init_ADC()，USB接口芯片的初始化Init_D12()等，并将射频无线接受设置为接收模式。调用主执行函数TaskDisplay()进行任务处理。

3.3USB编程

在主机端软件设计中，USB接口设计是非常重要的一环。USB接口，即通用串行总线。这是针对PC机外设的一种新型接口技术，具有终端用户使用方便、应用性广泛、能同步传输宽带、灵活性强和实现成本低等特性。USB的基本通信流和分层模型如图2所示。

为简化USB设备的开发过程，USB提出了设备类的概念。HID(HumanInterfaceDevice)设备类，即人机接口设备。典型的HID设备如键盘、鼠标。客户软件可以直接使用操作系统内置的HID设备类驱动程序（hidclass.sys）和HID小驱动程序(hidusb.sys)与HID设备进行通信。描述符用于提供HID设备和主机间交换数据的格式。根据该输入设备的实现要求和系统定义的鼠标协议格式，HID类设备的描述符如下所示：

4结束语

本文讨论了基于MEMS的无线输入设备，主要介绍了在嵌入式环境下，输入设备的固件编程设计。本文将系统分成两个子系统，并对他们进行分别介绍，给出了子系统的简单实现流程和函数的调用，并列出了一部分程序行。此方案的子程序具有易移植性，很容易在其他领域中使用。

基于MEMS的无线输入设备，其主要部件依托MEMS表面微加工和体硅加工的特殊工艺，使系统在尺寸、性能等方面有了提高，并且作为输入设备发展的新形式，减少了设备之间连线的繁琐，扩大了其使用的空间。随着信息技术和MEMS技术的继续发展，基于MEMS技术的无线输入设备会更加可靠、方便。

本文创新点：提出了基于MEMS器件的电脑输入模型，将ARM7和μC/OS-II操作系统相结合，应用