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本帖最后由 正点原子 于 2024-7-26 10:03 编辑
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第三十二章 IIC_QMA6100P实验
前面,我们介绍了IIC驱动XL9555、AP3216C、AT24C02等器件,本章我们将向大家介绍如何使用IIC来驱动QMA6100P三轴加速度计,获取X,Y,Z的原始数据,并把原始数据转化为pitch俯仰角和roll翻滚角并把数据显示在LCD上。
本章分为如下几个小节:
32.1 IIC简介
32.2 硬件设计
32.3 程序设计
32.4 下载验证
32.1 QMA6100P介绍
QMA6100P是一款三轴加速度传感器,具有高集成、小尺寸封装的特点。它集成了信号调节ASIC的加速度传感器,可以感知倾斜、运动、冲击和振动。QMA6100P基于先进的高分辨率单晶硅MEMS技术,配合定制设计的14位ADC专用集成电路,具有低噪声、高精度、低功耗、偏置微调等优点。它支持数字接口I2C和SPI,内置硬件计步器,支持多种不同中断模式。QMA6100P的最大可支持64级FIFO,待机电流为5μA,计步器工作电流为44μA。主要应用市场与优势是手机,手环,手表,各类低功耗IOT设备,集成各类应用算法,计步器,抬手亮屏,垂手亮屏,久坐提醒,跌倒报警,跌落报警,睡眠检测,平衡检测,倾斜检测,睡眠唤醒等超过20种不同应用。QMA6100P还具有低成本和与市场主流传感器兼容的优点,以及超低功耗、可靠性高的特点。下图是QMA6100P内部框图。
图32.1.1 QMA6100P框图
根据上文,QMA6100P三轴加速度计支持SPI和IIC两种通信接口。接口的实现流程可参考《13-52-20 QMA6100P Datasheet Rev. D.pdf》数据手册。本章节以ESP32-S3开发板电路为基准,该开发板使用IIC通信接口来获取QMA6100P三轴加速度计的相关参数。
QMA6100P的引脚说明如下表所示。
图32.1.1 QMA6100P管脚描述
32.1.1 QMA6100P寻址
从规格书的章节5.4所示,QMA6100P在IIC通信下,具有两种设备地址设置,它们分别为0x12和0x13(7位串行地址)。这两个设备地址的选择是根据QMA6100P的第1号管脚确定,如下图所示:
图32.1.2 设备地址的选择
从上图可知,当第1号管脚(AD0)拉低时,QMA6100P设备地址被设置为0x12,反次,该设备地址为0x13。本开发板是把AD0管脚拉低,所以在QMA6100P设备地址为0x12。
32.1.2 QMA6100P寄存器介绍
QMA6100P有一些列寄存器,由这些寄存器来控制QMA6100P的工作模式,以及中断配置和数据输出等。这里我们仅介绍我们在本章需要用到的一些寄存器,其他寄存器的描述和说明,请大家参考QMA6100P的数据手册。
本章需要用到QMA6100P的寄存器如下表所示:
表32.1.2.1 QMA6100P相关寄存器及其说明
其余的寄存器可在数据手册下找到相关描述和配置信息。
32.1.3 QMA6100P时序介绍
写寄存器
QMA6100P的写寄存器时序如下图所示。
图32.1.3.1 QMA6100P写寄存器时序
图中,先发送QMA6100P的地址(7位,0X12,左移一位后为:0X24),最低位W=0表示写数据,随后发送8位寄存器地址,最后发送8位寄存器值。其中:START,表示IIC起始信号;R/W,表示读/写标志位(R/W =0表示写,R/W =1表示读);SACK,表示应答信号;STOP,表示IIC停止信号。
读寄存器
QMA6100P的读寄存器时序如下图所示。
图32.1.3.2 QMA6100P读寄存器时序
图中,同样是先发送7位地址+写操作,然后再发送寄存器地址,随后,重新发送起始信号(Sr),再次发送7位地址+读操作,然后读取寄存器值。其中:SA,表示重新发送IIC起始信号;MACK,表示MCU应答;NACK,表示设备应答;其他简写同上。
32.2 硬件设计
32.2.1 例程功能
在LCD显示屏上,我们能够看到XYZ的数据。当我们翻转开发板时,这些数据会根据开发板的翻转角度来计算出pitch俯仰角和roll翻滚角。
32.2.2 硬件资源
1. LED灯
LED-IO1
2. XL9555
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42
3. SPILCD
CS-IO21
SCK-IO12
SDA-IO11
DC-IO40(在P5端口,使用跳线帽将IO_SET和LCD_DC相连)
PWR- IO1_3(XL9555)
RST- IO1_2(XL9555)
4. QMA6100P
SDA - IO41
CLK - IO42
IO RXIO - P01
32.2.3 原理图
QMA6100P原理图,如下图所示。
图32.2.3.1 QMA6100P原理图
这里说明一下,QMA6100P的QMA_INT脚是连接在XL9555器件的IO0_1脚上,如果大家要使用QMA6100P的中断输出功能,必须先初始化XL9555器件并配置IO0_1为输入功能,监测XL9555中断引脚是否有中断产生。若发现有中断产生,则判断是否是IO0_1导致的,从而检测到QMA6100P的中断。在本章中,并没有用到QMA6100P中断功能,所以没有对XL9555器件的IO0_1做设置。
32.3 程序设计
32.3.1 程序流程图
程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程,对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图:
图32.3.1.1 QMA6100P实验程序流程图
32.3.2 QMA6100P函数解析
这一章节除了涉及到GPIO、IIC的API函数,便没有再涉及到其他API函数。因此,有关GPIO和IIC的API函数介绍,请读者回顾此前的第十章与第十九章的内容。接下来,笔者将直接介绍QMA6100P的驱动代码。
32.3.3 QMA6100P驱动解析
在IDF版22_qma6100p例程中,作者在22_qma6100p\components\BSP路径下新增了一个QMA6100P文件夹,分别用于存放qma6100p.c、qma6100p.h这两个文件。其中,qma6100p.h文件负责声明QMA6100P相关的函数和变量,而qma6100p.c文件则实现了QMA6100P的驱动代码。下面,我们将详细解析这两个文件的实现内容。
1,qma6100p.h文件
该文件下包含了对QMA6100P的命令配置以及寄存器地址的相关定义。
- #define QMA6100P_ADDR 0x12 /* QMA6100P地址 */
- /* QMA6100P命令 */
- /* 获取ID,默认值为0x9x */
- #define QMA6100P_REG_CHIP_ID 0x00
- /* 数据寄存器,三轴数据,默认值为0x00 */
- #define QMA6100P_REG_XOUTL 0x01
- #define QMA6100P_REG_XOUTH 0x02
- #define QMA6100P_REG_YOUTL 0x03
- #define QMA6100P_REG_YOUTH 0x04
- #define QMA6100P_REG_ZOUTL 0x05
- #define QMA6100P_REG_ZOUTH 0x06
- /* 带宽寄存器 */
- #define QMA6100P_REG_BW_ODR 0x10
- /* 电源管理寄存器 */
- #define QMA6100P_REG_POWER_MANAGE 0x11
- /* 加速度范围,设置加速度计的满刻度 */
- #define QMA6100P_REG_RANGE 0x0f
- /* 软件复位 */
- #define QMA6100P_REG_RESET 0x36
- #define QMA6100P_REG_ACC_VAL(lsb, msb) ((int16_t)(((uint16_t)msb << 8) |
- ((uint16_t)lsb & 0xFC)) >> 2)
- typedef struct {
- uint8_t data[2];
- float acc_x;
- float acc_y;
- float acc_z;
- float acc_g;
- float pitch; /* 围绕X轴旋转,也叫做俯仰角 */
- float roll; /* 围绕Z轴旋转,也叫翻滚角 */
- }qma6100p_rawdata_t;
- /* 设置量程寄存器 */
- typedef enum
- {
- QMA6100P_BW_100 = 0,
- QMA6100P_BW_200 = 1,
- QMA6100P_BW_400 = 2,
- QMA6100P_BW_800 = 3,
- QMA6100P_BW_1600 = 4,
- QMA6100P_BW_50 = 5,
- QMA6100P_BW_25 = 6,
- QMA6100P_BW_12_5 = 7,
- QMA6100P_BW_OTHER = 8
- }qma6100p_bw;
- /* 设置加速度寄存器 */
- typedef enum
- {
- QMA6100P_RANGE_2G = 0x01,
- QMA6100P_RANGE_4G = 0x02,
- QMA6100P_RANGE_8G = 0x04,
- QMA6100P_RANGE_16G = 0x08,
- QMA6100P_RANGE_32G = 0x0f
- }qma6100p_range;
- /* 设置复位寄存器 */
- typedef enum
- {
- QMA6100P_RESET = 0xB6,
- QMA6100P_RESET_END = 0x00,
- }qma6100p_reset;
- /* 设置中断 */
- typedef enum
- {
- QMA6100P_MAP_INT1,
- QMA6100P_MAP_INT2,
- QMA6100P_MAP_INT_NONE
- }qma6100p_int_map;
- /* 设置管理寄存器 */
- typedef enum
- {
- QMA6100P_ACTIVE = 0x80,
- QMA6100P_ACTIVE_DIGITAL = 0x84,
- QMA6100P_STANDBY = 0x00,
- }qma6100p_power;
- typedef enum
- {
- QMA6100P_MCLK_102_4K = 0x03,
- QMA6100P_MCLK_51_2K = 0x04,
- QMA6100P_MCLK_25_6K = 0x05,
- QMA6100P_MCLK_12_8K = 0x06,
- QMA6100P_MCLK_6_4K = 0x07,
- QMA6100P_MCLK_RESERVED = 0xff
- }qma6100p_mclk;
- typedef enum
- {
- QMA6100P_SENSITITY_2G = 244,
- QMA6100P_SENSITITY_4G = 488,
- QMA6100P_SENSITITY_8G = 977,
- QMA6100P_SENSITITY_16G = 1950,
- QMA6100P_SENSITITY_32G = 3910
- }qma6100p_sensitity;
复制代码
2,qma6100p.c文件
- /**
- * @brief qma6100p初始化
- * @param 无
- * @retval 无
- */
- void qma6100p_init(i2c_obj_t self)
- {
- if (self.init_flag == ESP_FAIL)
- {
- iic_init(I2C_NUM_0); /* 初始化IIC */
- }
- qma6100p_i2c_master = self;
-
- while (qma6100p_config()) /* 检测不到qma6100p */
- {
- ESP_LOGE("qma6100p", "qma6100p init fail!!!");
- vTaskDelay(500);
- }
- }
- /**
- * @brief 初始化qma6100p
- * @param 无
- * @retval 0, 成功;
- 1, 失败;
- */
- uint8_t qma6100p_config(void)
- {
- static uint8_t id_data[2];
- /* 读取设备ID,正常是0x90 */
- qma6100p_register_read(QMA6100P_REG_CHIP_ID, id_data, 1);
-
- /* qma6100p的初始化序列,请看手册“6.3 Initial sequence”章节 */
- qma6100p_register_write_byte(QMA6100P_REG_RESET, QMA6100P_RESET);
- vTaskDelay(5);
- qma6100p_register_write_byte(QMA6100P_REG_RESET, QMA6100P_RESET_END);
- vTaskDelay(10);
- /* 读取设备ID,正常是0x90 */
- qma6100p_register_read(QMA6100P_REG_CHIP_ID, id_data, 1);
-
- qma6100p_register_write_byte(0x11, 0x80);
- qma6100p_register_write_byte(0x11, 0x84);
- qma6100p_register_write_byte(0x4a, 0x20);
- qma6100p_register_write_byte(0x56, 0x01);
- qma6100p_register_write_byte(0x5f, 0x80);
- vTaskDelay(1);
- qma6100p_register_write_byte(0x5f, 0x00);
- vTaskDelay(10);
- qma6100p_register_write_byte(QMA6100P_REG_RANGE, QMA6100P_RANGE_8G);
- qma6100p_register_write_byte(QMA6100P_REG_BW_ODR, QMA6100P_BW_100);
- qma6100p_register_write_byte(QMA6100P_REG_POWER_MANAGE,
- QMA6100P_MCLK_51_2K | 0x80);
- qma6100p_register_write_byte(0x21, 0x03);/* default 0x1c, step latch mode */
-
- qma6100p_step_int_config(QMA6100P_MAP_INT1, 1);
-
- if (id_data[0] == 0x90)
- {
- ESP_LOGE("qma6100p", "qma6100p success!!!");
- return 0; /* qma6100p正常 */
- }
- else
- {
- ESP_LOGE("qma6100p", "qma6100p fail!!!");
- return 1; /* qma6100p失败 */
- }
- }
复制代码 在qma6100_init()函数中,通过判断IIC初始化标志位,确认IIC是否已经初始化,如果没有则进行IIC初始化,已经初始化了则跳过。然后把IIC_SDA引脚和IIC_SCL引脚作为I2C_NUM_0的数据线和时钟线使用。然后调用了qma6100p_config函数,用于初始化和配置QMA6100P传感器模块。在qma6100p_config函数中,我们首先读取0x00寄存器来获取设备ID。然后,我们复位该设备并执行初始化序列(请参考规格书的6.3小节)。接下来,我们配置量程刻度、带宽、中断等参数。最后,我们检查读取的ID是否为0x90。如果是,则设备通信成功;否则,通信失败。
接下来我们来讲解一下对QMA6100P的IIC写时序函数,我们编写QMA6100P的IIC写时序函数,如下所示:
- /**
- * @brief 向qma6100p寄存器写数据
- * @param reg_addr : 要写入的寄存器地址
- * @param data : 要写入的数据
- * @retval 错误值 :0成功,其他值:错误
- */
- static esp_err_t qma6100p_register_write_byte(uint8_t reg, uint8_t data)
- {
- uint8_t memaddr_buf[1];
- memaddr_buf[0] = reg;
- i2c_buf_t bufs[2] = {
- {.len = 1, .buf = memaddr_buf},
- {.len = 1, .buf = &data},
- };
- i2c_transfer(&qma6100p_i2c_master, QMA6100P_ADDR, 2, bufs,I2C_FLAG_STOP);
- return ESP_OK;
- }
复制代码 在上述源代码中,作者根据传入的IIC控制块,调用了IIC收发函数来发送QMA6100P的命令和数据。发送完成后,函数返回了ESP_OK状态。
接下来我们来讲解一下对QMA6100P的IIC读时序函数,我们编写QMA6100P的IIC读时序函数,如下所示:
- /**
- * @brief 读取qma6100p寄存器的数据
- * @param reg_addr : 要读取的寄存器地址
- * @param data : 读取的数据
- * @param len : 数据大小
- * @retval 错误值 :0成功,其他值:错误
- */
- esp_err_t qma6100p_register_read(const uint8_t reg, uint8_t *data, const size_t len)
- {
- uint8_t memaddr_buf[1];
- memaddr_buf[0] = reg;
- i2c_buf_t bufs[2] = {
- {.len = 1, .buf = memaddr_buf},
- {.len = len, .buf = data},
- };
- i2c_transfer(&qma6100p_i2c_master,
- QMA6100P_ADDR,
- 2,
- bufs,
- I2C_FLAG_WRITE | I2C_FLAG_READ | I2C_FLAG_STOP);
- return ESP_OK;
- }
复制代码 同样地,QMA6100P的读时序也是利用IIC收发函数来实现的。写时序和读时序的唯一区别在于最后的flag标志位不同,从而导致发送流程有所不同。
下面是根据XYZ原始数据,使用特定的算法来计算pitch俯仰角和roll翻滚角,如下所示:
- /**
- * @brief 从QMA6100P寄存器中读取原始x,y,z轴数据
- * @param data : 3轴数据存储数组
- * @retval 无
- */
- void qma6100p_read_raw_xyz(int16_t data[3])
- {
- uint8_t databuf[6] = {0};
- int16_t raw_data[3];
- qma6100p_read_reg(QMA6100P_XOUTL, databuf, 6);
- raw_data[0] = (int16_t)(((databuf[1] << 8)) | (databuf[0]));
- raw_data[1] = (int16_t)(((databuf[3] << 8)) | (databuf[2]));
- raw_data[2] = (int16_t)(((databuf[5] << 8)) | (databuf[4]));
- data[0] = raw_data[0] >> 2;
- data[1] = raw_data[1] >> 2;
- data[2] = raw_data[2] >> 2;
- }
- /**
- * @brief 计算得到加速度计的x,y,z轴数据
- * @param accdata : 3轴数据存储数组
- * @retval 无
- */
- void qma6100p_read_acc_xyz(float accdata[3])
- {
- int16_t rawdata[3];
- qma6100p_read_raw_xyz(rawdata);
- accdata[0] = (float)(rawdata[0] * M_G) / 1024;
- accdata[1] = (float)(rawdata[1] * M_G) / 1024;
- accdata[2] = (float)(rawdata[2] * M_G) / 1024;
- }
复制代码 上述源码中,作者先读取三轴的XYZ原始数据,然后经过特定的算法计算出pitch俯仰角和roll翻滚角。
32.3.4 CMakeLists.txt文件
打开本实验BSP下的CMakeLists.txt文件,其内容如下所示:
- set(src_dirs
- IIC
- KEY
- LCD
- LED
- QMA6100P
- SPI
- XL9555)
- set(include_dirs
- IIC
- KEY
- LCD
- LED
- QMA6100P
- SPI
- XL9555)
- set(requires
- driver
- esp_adc)
- idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs}
- INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
- component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)
复制代码 上述的红色QMA6100P驱动以及esp_adc依赖库需要由开发者自行添加,以确保QMA6100P驱动能够顺利集成到构建系统中。这一步骤是必不可少的,它确保了QMA6100P驱动的正确性和可用性,为后续的开发工作提供了坚实的基础。
32.3.5 实验应用代码
打开main/main.c文件,该文件定义了工程入口函数,名为app_main。该函数代码如下。
- i2c_obj_t i2c0_master;
- /**
- * @brief 显示原始数据
- * @param x, y : 坐标
- * @param title: 标题
- * @param val : 值
- * @retval 无
- */
- void user_show_mag(uint16_t x, uint16_t y, char *title, float val)
- {
- char buf[20];
- sprintf(buf,"%s%3.1f", title, val); /* 格式化输出 */
- /* 清除上次数据(最多显示20个字符,20*8=160) */
- lcd_fill(x + 30, y + 16, x + 160, y + 16, WHITE);
- lcd_show_string(x, y, 160, 16, 16, buf, BLUE); /* 显示字符串 */
- }
- /**
- * @brief 程序入口
- * @param 无
- * @retval 无
- */
- void app_main(void)
- {
- uint8_t t;
- qma6100p_rawdata_t xyz_rawdata;
- esp_err_t ret;
-
- ret = nvs_flash_init(); /* 初始化NVS */
- if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES
- || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
- {
- ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
- ret = nvs_flash_init();
- }
- led_init(); /* 初始化LED */
- i2c0_master = iic_init(I2C_NUM_0); /* 初始化IIC0 */
- spi2_init(); /* 初始化SPI2 */
- xl9555_init(i2c0_master); /* 初始化XL9555 */
- lcd_init(); /* 初始化LCD */
- qma6100p_init(i2c0_master); /* 初始化三轴加速度计 */
-
- lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "ESP32", RED);
- lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "QMA6100P TEST", RED);
- lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
- lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, " ACC_X :", RED);
- lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, " ACC_Y :", RED);
- lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, " ACC_Z :", RED);
- lcd_show_string(30, 170, 200, 16, 16, " Pitch :", RED);
- lcd_show_string(30, 190, 200, 16, 16, " Roll :", RED);
- while (1)
- {
- vTaskDelay(10);
- t++;
- if (t == 20) /* 0.2秒左右更新一次三轴原始值 */
- {
- qma6100p_read_rawdata(&xyz_rawdata);
-
- user_show_mag(30, 110, "ACC_X :", xyz_rawdata.acc_x);
- user_show_mag(30, 130, "ACC_Y :", xyz_rawdata.acc_y);
- user_show_mag(30, 150, "ACC_Z :", xyz_rawdata.acc_z);
- user_show_mag(30, 170, "Pitch :", xyz_rawdata.pitch);
- user_show_mag(30, 190, "Roll :", xyz_rawdata.roll);
-
- t = 0;
- LED_TOGGLE();
- }
- }
- }
复制代码 从上述源码可知,我们首先初始化各个外设,如IIC、SPI、XL9555、QMA6100P和LCD等驱动,然后调用qma6100.qma6100p_read函数测量数据,最后调用qma6100p_acc_x等函数获取XYZG、pitch俯仰角和roll翻滚角数据,并在SPILCD上显示。。LED灯每隔200毫秒状态翻转,实现闪烁效果。
32.4 下载验证
程序下载到开发板后,LCD不断刷新三轴的原始数据、pitch俯仰角和roll翻滚角。当用户转动或翻转开发板时,pitch俯仰角和roll翻滚角会随之变化,如下图所示:
图32.4.1 QMA6100P实验测试图 |
阿莫论坛20周年了!感谢大家的支持与爱护!!
知道什么是神吗?其实神本来也是人,只不过神做了人做不到的事情 所以才成了神。 (头文字D, 杜汶泽)
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