基于ARM平台的MEMS输入设备的固件设计

　1 引言
   　　MEMS(Micro Electro Mechanical System，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Alan H. 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。
   　　int main(void)
   　　{
   　　TargetInit();
   　　Init_RF();
   　　Init_ADC();
   　　Init_Transmitter();
   　　TaskMouse();
   　　return 0;
   　　}
   　　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：
   　　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，最后通过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。
   　　3.1 μC/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：
   　　int main (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。最后调用主执行函数 TaskDisplay()进行任务处理。
   　　3.3 USB 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(Human Interface Device) 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。
       报告描述符用于提供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 类设备的报告描述符如下所示：
   

   
   
   
   　　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，应用于输入系统，并完成了样机的程序实现。