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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。 引脚编号 | 名称 | 描述 | | | | | | I2C串行数据的SDA，或SPI串行数据输入的SDI | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
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 l 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。 l 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; 2，qma6100p.c文件 /** * @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 */ } } 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; } 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; } 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; } 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) 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(); } } } 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
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