在Android的驅動程序中對加速度傳感器的數據進行方向和坐標的轉換

摘要：Android 是麵向智能手機和其他便攜式設備的最受歡迎的操作係統(OS)之一。它為多種傳感器提供了標準的API 接口，包括加速度計。加速度計的標準API 定義了原始加速度數據的坐標係統。用戶必須將從傳感器中讀取的原始數據轉換為標準單位，並使其符合係統定義的坐標方向。本文介紹了Android 中的坐標係統是如何定義的，以及如何在Android 係統的驅動代碼中對3 軸加速度計數據的方向和坐標進行轉換。本文討論的示例代碼基於飛思卡爾的Android 2.2 和2.3 驅動程序，加速度計則以飛思卡爾的MMA8452Q 加速度傳感器為例。
關鍵詞：加速度計，傳感器驅動，Android

一部智能手機或便攜設備應具有Wi-Fi 和互聯網功能，能夠運行應用軟件等諸多特征，而且一定會具有內置傳感器。高端智能手機可能集成接近傳感器，環境光傳感器，3 軸加速度計，以及磁力計等多種傳感器。 Android 2.3 添加了一些支持多種新型傳感器的API，包括陀螺儀、旋轉向量、線性加速度、重力和氣壓傳感器等。應用軟件可以使用這些新型傳感器，將它們組合起來，就可以實現高精確度的高級運動檢測功能。

3 軸加速度計或低g 值傳感器是Android API 支持的傳感器之一，具有特定的坐標係統，可以給應用程序提供標準的接口數據。坐標空間的定義與手機屏幕的默認方向有關，如圖1所示。

圖 1. 3 軸加速度計的Android 坐標係統

在Android 坐標係統中，坐標原點位於屏幕的左下角，X 軸水平指向右側，Y 軸垂直指向頂部，Z 軸指向屏幕前方。在該係統中，屏幕後方的坐標具有負的Z 軸值。Android 加速度計數據定義為：

Sensor.TYPE_ACCELEROMETER

所有數值都采用SI 標準單位(m/s2)，測量手機的加速度值，並減去重力加速度分量。

values[0]：x 軸上的加速度值減去Gx
values[1]：y 軸上的加速度值減去Gy
values[2]：z 軸上的加速度值減去Gz

例如，當設備平放在桌上並推著其左側向右移動時，x 軸加速度值為正。當設備平放在桌上時，加速度值為+9.81，這是用設備的加速度值 (0 m/s2) 減去重力加速度值 (-9.81 m/s2)得到的。

當設備平放在桌上放，並以加速度A m/s2 朝天空的方向推動時，加速度值等於A+9.81，這是用設備加速度值(+A m/s2)減去重力加速度值(-9.81 m/s2)得到的。

表 1 列出了與設備的各個位置相對應的傳感器的加速度值讀數。用戶可以用下表檢查加速度計的方向與係統坐標是否一致。

表 1. 不同位置上各軸的加速度值

通過加速度傳感器讀取3 軸加速度值時，需要假設傳感器的3 軸方向與係統坐標是一致的。但是在實際的產品中，可能會使用不同的傳感器芯片，或者采用不同的安裝方向，因此數據方向也會不同。圖2 所示的是飛思卡爾MMA8452Q 3 軸加速度傳感器的方向定義。

圖 2. MMA8452Q 的方向定義

在圖 2 中，我們可以看到當安裝芯片時，必須讓引腳1 處於右下角的位置(PD)，並安裝在PCB 的前方，這樣才能與Android 坐標係統的默認位置相符。這樣安裝後，用戶可確定數據方向與係統坐標定義是一致的。在任何其他情形下，數據都無法與係統定義保持完全一致，所以需要更改數據方向和坐標。在某些情況下，X 和Y 軸必須交換，或者既要改變方向，也要交換X-Y 軸。

判斷是否需要改變方向或交換X-Y 軸的方法如下所述：

1. 將設備放置在朝上（UP）的位置，如表1 中所示。

2. 從傳感器中讀取3 軸的數據。如果Y 軸上的數據為 ±1 g (±9.81m/s2)，其他兩個軸上的數據大約為0，則不需要交換X-Y 軸。否則，需要交換X 和Y 軸，請轉至步驟3。

2.1. 在該位置上，如果Y 軸上讀取的數據為+1 g (+9.81m/s2)，則Y 軸的方向不需要改變，如果數據為負，則Y 軸的方向需要改變。

2.2. 將設備放置在朝左（LEFT）的位置，如表1 中所示。X 軸上讀取的數據應為±1g (±9.81m/s2)，其他兩個軸上的數據應大約為0。如果X 軸上的數據為正，則其方向不需要改變；否則X 軸的方向需要改變。然後，執行第4 步判斷Z 軸的方向。

3. 設備仍然放置在朝上（UP）的位置，並從傳感器中讀取3 個軸的數據。此時X 軸上的數據應為 ±1 g (±9.81m/s2)，其他兩個軸上的數據大約為0，需要X-Y 交換。

3.1. 在該位置上，如果X 軸的數據讀取為+1 g (+9.81m/s2)，則X 軸的方向不需要改變；否則需要改變。
3.2. 將設備放置在向左（LEFT）位置上，如表1 中所示。Y 軸上讀取的數據應為±1g (±9.81m/s2)，其他兩個軸上的數據應大約為0。如果Y 軸上的數據為正，則其方向不需要改變；否則需要改變。然後執行第4 步判斷Z 軸的方向。

4. 將設備放置在正麵朝上（FRONT-UP）的位置，並從傳感器中讀取3 軸數據。如果 Z軸上的數據為+1 g (+9.81m/s2)，其他兩個軸上的數據大約為0，則Z 軸方向無需改變；如果Z 軸數據為-1 g (-9.81m/s2)，則Z 軸方向需要改變。

在 Android 係統中，傳感器數據由內核空間中的Linux 驅動讀取，然後由HAL 層驅動發送至API。分層結構如圖3 所示。因此，傳感器數據可以在Linux 驅動層或在HAL 層上進行轉換。

圖 3. Android 驅動架構

在 Android HAL 文件中改變 X、Y 和Z 軸的方向

在 HAL 文件中，會有一組宏定義，用於把從傳感器中讀取的加速度數據轉換為標準單位(m/s2)。如以下代碼：

// conversion of acceleration data to SI units (m/s^2)
#define CONVERT_A (GRAVITY_EARTH / LSG)
#define CONVERT_A_X (-CONVERT_A)
#define CONVERT_A_Y (CONVERT_A)
#define CONVERT_A_Z (CONVERT_A)

在這個宏定義中，常量GRAVITY_EARTH 是一個標準重力加速度值，即9.81m/s2，LSG為一個重力加速度值的最小有效計數值，例如，MMA8452 在正常模式下的讀數為1024。因此，CONVERT_A 用於把從加速度傳感器中讀取的數據，從數字讀數轉換為標準重力加速度單位。

通過分別修改CONVERT_A_X、CONVERT_A_Y 和CONVERT_A_Z，我們可以輕鬆地改變X、Y 和Z 軸的方向。如果該軸的方向與係統定義相反，可以使用(-CONVERT_A)來改變其方向。如果方向一致，就使用(CONVERT_A)，則保持方向不變。

這個宏定義位於FSL Android 9 (Android 2.2)驅動程序的HAL文件sensor.c 中。對於FSLAndroid 10 (Android 2.3)，您可以在’libsensors’文件夾的HAL 文件Sensor.h 中找到它。

在 Android 2.2 HAL 文件中交換X 軸和Y 軸

在某些情況下，X 和Y 軸必須進行交換，以便使傳感器數據的坐標與係統坐標保持一致。

對於 FSL Android 9 (Android 2.2)驅動程序來說，X 軸和Y 軸的交換非常簡單。首先，在HAL 文件sensor.c 中，在函數sensor_poll() 中找到以下代碼：

switch (event.code) {
case ABS_X:
sSensors.acceleration.x = event.value * CONVERT_A_X;
break;
case ABS_Y:
sSensors.acceleration.y = event.value * CONVERT_A_Y;
break;
case ABS_Z:
sSensors.acceleration.z = event.value * CONVERT_A_Z;
break;
}

然後，根據如下所示修改代碼：

switch (event.code) {
case ABS_X:
sSensors.acceleration.y = event.value * CONVERT_A_Y;
break;
case ABS_Y:
sSensors.acceleration.x = event.value * CONVERT_A_X;
break;
case ABS_Z:
sSensors.acceleration.z = event.value * CONVERT_A_Z;
break;
}

在 Android 2.3 的HAL 文件中交換X 軸和Y 軸

在 Android 2.3 的HAL 文件中交換X 軸和Y 軸會更加複雜些，因為它具有更複雜的HAL文件結構。所有HAL 文件都位於文件夾‘libsensors’中。文件AccelSensor.cpp 中的兩個函數需要修改。

首先，修改函數AccelSensor()的代碼，如下所示：

if (accel_is_sensor_enabled(SENSOR_TYPE_ACCELEROMETER)) {
mEnabled |= 1mPendingEvents[Accelerometer].acceleration.y = absinfo.value * CONVERT_A_Y;
}
if (!ioctl(data_fd, EVIOCGABS(EVENT_TYPE_ACCEL_Y), &absinfo)) {
mPendingEvents[Accelerometer].acceleration.x = absinfo.value * CONVERT_A_X;
}
if (!ioctl(data_fd, EVIOCGABS(EVENT_TYPE_ACCEL_Z), &absinfo)) {
mPendingEvents[Accelerometer].acceleration.z = absinfo.value * CONVERT_A_Z;
}
}

然後，修改函數processEvent()的代碼，如下所示：

void AccelSensor::processEvent(int code, int value)
{
switch (code) {
case EVENT_TYPE_ACCEL_X:
mPendingMask |= 1break;
case EVENT_TYPE_ACCEL_Y:
mPendingMask |= 1break;
case EVENT_TYPE_ACCEL_Z:
mPendingMask |= 1break;
}
}

完成後，X 軸和Y 軸的數據就互相交換了。

在 Kernel 驅動文件中交換X 軸和Y 軸

X 軸和Y 軸的數據交換可以在底層的Linux 驅動中，在剛開始讀取傳感器數據時實施。通過這種方法，無論傳感器芯片以何種方式安裝在PCB 中，或者使用各種不同類型的傳感器，HAL 文件都可以保持一致。

對於 Android 2.2 和2.3 來說，執行該操作的最便捷的方式是修改函數report_abs()中的代碼。在該函數中，傳感器數據通過調用函數mma8452_read_data()讀取，如下所示（當使用的傳感器為MMA8452Q 時）：

if (mma8452_read_data(&x,&y,&z) != 0) {
//DBG("mma8452 data read failed/n");
return; }

X 軸和Y 軸可以通過以下方式輕鬆交換：

if (mma8452_read_data(&y,&x,&z) != 0) {
//DBG("mma8452 data read failed/n");
return; }

對於 Android 2.2，MMA8452 的Kernel 驅動文件為mma8452.c；對於Android 2.3，驅動文件是‘hwmon’文件夾中的mxc_mma8452.c。

在 Kernel 驅動文件中改變 X、Y 和Z 軸的方向

傳感器數據的方向也可以在Kernel 驅動文件中更改。以下帶有注釋的語句可以添加到函數report_abs()中，從而改變數據方向：

if (mma8452_read_data(&y,&x,&z) != 0) {
//DBG("mma8452 data read failed/n");
return;
}
x *= -1; //Reverse X direction
y *= -1; //Reverse Y direction
z *= -1; //Reverse Z direction
input_report_abs(mma8452_idev->input, ABS_X, x);
input_report_abs(mma8452_idev->input, ABS_Y, y);
input_report_abs(mma8452_idev->input, ABS_Z, z);
input_sync(mma8452_idev->input);

總結

Android 係統已經為加速度計定義了坐標係統，因此用戶必須轉換從實際傳感器中讀取的數據，從而與其保持一致。無論是否需要轉換，都應檢查X、Y 和Z 軸的方向以及X-Y軸坐標。我們可以更改HAL 文件或Kernel 驅動文件來改變軸的方向，或交換X 和Y 軸，但是不要同時修改HAL 文件和Kernel 驅動。

參考資料
1. Android Coordinate System
http://developer./reference/android/hardware/SensorEvent.html
2. Reference Code and User’s Guide on ‘Android MMA8452.tar.gz’.
3. Reference Code and User’s Guide on ‘mma8452_imx51_android10_v100.tar.gz’.
4. Datasheet ‘MMA8452Q.pdf’.(end)