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COCOFLY教程 ——疯壳·无人机·系列 SPI(六轴传感器数据获取)
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图1
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/ n& E2 G' s( o; O6 D) `2 V" O 一、ICM20602 简介
$ j0 A, k/ P# v, @ 六轴传感器在当今智能穿戴和定位导航产品中被广泛应用,而六轴传感器中做的最好的要属 InvenSense 公司的产品了,ICM20602 便是其推出的优秀六轴传感器之一。
9 r; U% K$ q' f& z" C ICM20602 集成 3 轴加速度计和 3 轴陀螺仪,其中陀螺仪量程范围可以选择
. N, H, H8 J# n( [0 ]$ z* H +/-250dps,+/-500dps,+/-1000dps 和+/-2000dps 这四种,而加速度计量程范围可选择+/-2g,+/-4g,+/-8g 和+/-16g 四种。
2 |* T4 W3 T6 ?6 x3 D, R+ k q; b ICM20602 支持高达 400KHz 的 I2C 以及高达 10MHz 的 SPI,具有较高的接口兼容性。
& x% ?' _8 J2 E0 `* x. y8 h- T2 F ICM20602 的实物图如下所示。
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图2
l: T- G+ \4 ?* N- V ICM20602 的引脚如下图所示。1 l# Z0 H8 v# F
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图3& ~: p" l o: Z
3 J6 B) R* l0 ^; k
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二、SPI 概述
3 j: d* ]7 z o- s1 u SPI 是指 Serial Peripheral InteRFace 的缩写,即串行外围设备接口,是一种高速的、全双工、同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的引脚,SPI 的 4 条通信线为:
$ {+ N% i% g5 P1 X (1)MISO 主入从出接口;
1 R' }- N# E9 B/ ]2 d% r (2)MOSI 主出从入接口;
7 N! a8 S" v" {0 L( Z3 m& Y* w (3)SCLK 由主设备产生的时钟信号;
# V2 E3 u' Y; W/ |4 q (4)CS 由主设备控制的从设备片选信号。
% U& ?4 M: r( W, D, F9 l STM32F103 的 SPI 的时钟最高可达 18MHz,支持 DMA。SPI 主从机通信,如下图所示:
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, i2 \8 i) W. A% l% z5 X; n 图48 `0 c8 |; B P/ L9 i$ o7 |3 _
当有多个设备挂载在 SPI 总线上,其接线图如下图所示。
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6 t, K7 V J" W) X* k O) g
图5
* C: W3 w' B( E1 e 单片机和外围器件之间进行 SPI 同步串行数据传输时,在主器件的移位脉冲下,数据按位传输,低位在前,高位在后,为全双工通信,数据传输速度总体来说比 I2C 总线要快,速度可达到几 Mbp,相比于其它总线,SPI 协议简单,相对数据速率高,但是 SPI 也有它的缺点,比如没有指定的流控制,没有应答机制确认是否接收到数据。
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三、SPI 总线协议
0 ]$ ~5 H3 u, T" B( x b7 E* w SPI 通信需要掌握以下知识: 时钟极性、时钟相位以及 SPI 的传输时序。
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( |6 m9 h$ q& w1 c2 Y (1)时钟极性,SPI 通过时钟极性(CPOL)来决定在总线空闲时,同步时钟(SCLK)信号线的电平是高电平还是低电平。当时钟极性为 0 时(CPOL=0), SCLK 信号线在空闲时为低电平;当时钟极性为 1 时(CPOL=1),SCLK 信号线在空闲时为高电平;7 f8 F1 Y! ~3 j
(2)时钟相位,SPI 通过时钟相位(CPHA)用来决定何时进行信号采样。当时钟相位为 1 时(CPHA=1),在 SCK 信号线的第二个跳变沿进行采样;这里的跳变沿究竟是上升沿还是下降沿?这取决于时钟的极性。当时钟极性为 0; E, y& e8 x4 Z! Y; ]" d% k
时,取下降沿;当时钟极性为 1 时,取上升沿;如下图所示:. i" f1 q7 q, k! r, K
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图61 d% p& H0 H" p( N h( ^9 a
当时钟相位为 0 时(CPHA=0),在 SCK 信号线的第一个跳变沿进行采样。跳变沿同样与时钟极性有关:当时钟极性为 0 时,取上升沿;当时钟极性为 1
1 u- w! q( L, ~! _8 W8 J( Z& v6 o 时,取下降沿;如下图所示:' C( h- k: P* I! u/ Q& B Z
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K( M0 d: C4 R9 i0 ]0 `5 \4 Q
图7. E X1 V. `; g" L/ `
四、 SPI 寄存器8 Q6 _' q X$ v1 C$ O
在本次实验中使用到的是 STM32 的硬件 SPI,STM32 的硬件 SPI 所涉及的寄存器较多,这里挑选较为重要的来讲解。
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5 s( i% Y. e& R _$ I$ H (1)SPI_CR1:SPI 控制寄存器 1,如下图所示:3 I1 Z: Q" {! P
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$ a" V: _/ b) Q% L% Y3 O! T
图87 ~$ z: X5 @# e) y) y6 o
其中 SPE 为 SPI 使能控制位,等于 1 时使能 SPI,等于 0 时关闭 SPI;BR[2:0]为 SPI 的波特率控制位,BR[2:0]等于 000 则波特率为 fPCLK/2,等于 001 则波特率为 fPCLK/4,等于 010 则波特率为 fPCLK/8,等于 011 则波特率为 fPCLK/16,等于100 则波特率为 fPCLK/32,等于 101 则波特率为 fPCLK/64,等于 110 则波特率为fPCLK/128,等于 111 则波特率为 fPCLK/256;MSTR 为 SPI 主从模式选择位,等于0 时为从模式,等于 1 时为主模式;CPOL 为 SPI 时钟极性设置位,为 0 则空闲时钟为低电平,为 1 则空闲时钟为高电平;CPHA 为 SPI 时钟相位设置位,等于0 时,在第一个时钟跳边沿开始采集,等于 1 时,在第 2 个时钟跳边沿开始采集。' Z( g2 a7 ~ E8 |( I
(2)SPI_SR:SPI 状态寄存器,如下图所示:# K- o, |& H2 n' M# _2 o: c
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0 \+ o- F2 P' D* [) K 图96 v1 i+ E; @( y; `
其中 TXE 是发送缓冲区状态位,该位为 0 时发送缓冲区非空,为 1 时发送缓冲区为空;RXNE 为接收缓冲区状态位,该位为 0 时接收缓冲区为空,该位为1 时,接收缓冲区为非空。
K; P3 u+ z, O$ |7 u (3)SPI_DR:SPI 数据寄存器,用于存储接收或者发送的数据。SPI_DR 的描述如下图所示:
5 K( X" _+ s9 e5 \% f
( y7 J; u8 C y* a: G% N* U* y4 f! a
& V2 _) B r4 i o 图10/ g8 V, }2 `1 W# m# j+ d4 w
其中 DR[15:0]存放 SPI 数据。
$ g) [$ Q* D9 A- Y! I# L 五、六轴传感器数据获取实验+ Z" I0 W, ?3 i, C, M) |
& k5 h. D: L, u/ k6 T( G# d: | 六轴传感器数据获取实验使用 STM32 的硬件 SPI 与六轴传感器 ICM20602 相连接,串口 1 即 UART1,通过 USB 转串口模块连接电脑,把 SPI 获取到的六轴数据通过串口 1 传输到电脑端的串口调试助手显示出来。做该实验的时候需要把视觉模组暂时取下,并且把 USB 转串口的线接到视觉模组接口处。六轴传感器 ICM20602 在无人机顶部的白色 RGB 彩灯盒里,通过软排把 SPI 及供电口接出,如下图所示。
) q) K# D: J& r B* E" G$ u$ m+ o) b, R: P" G' h$ ^9 |
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图11
2 J# o& o0 k# Z$ M. ~. ? 根据原理图,可以看到 ICM20602 的的 SPI 接口分别是:PB13、PA5、PA6、PA7,如下图所示。* @1 }8 x$ ~' p7 t
) c) \+ M. L8 A w. p* l V
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图127 p; s4 r% r- |
串口 1 的配置可以参考《串口(基础收发),配置代码(通过调用官方库) 获取 ICM20602 的数据代码编写的思路如下:9 b/ V# O0 B0 g$ r" @8 V4 }7 a$ s
( Q; H M" j& C+ u& L' F1 K; k
代码思路3 _ f# W- ~7 ^. U/ k
4 }) \3 [$ t4 } N" {/ Q
4 [7 M- R$ Z H7 P1 Y2 S( T, F8 }
表1
$ X; o1 g/ o6 o+ @% C SPI 初始化代码如下:4 w: `5 F) Z1 T' B2 E, o
9 g$ {) |: g7 u, K, \
/ i9 N, }$ b+ H% m" i2 ? 图13# q4 X. J$ v& n; O
SPI 的读写代码如下。2 Z$ o! t" Y, f* W5 L( t
2 w' a" u6 ^% |# z% a4 X, ~
; h1 w Q) X, S 图14
* c) N& p* C# i1 g0 A) Y0 F6 q ICM20602 的初始化代码如下。
- x& ?) t+ m) r7 s. _" `
9 z# Y8 Y2 Q8 l6 }3 Z, \
* X# c9 ~ z' W0 m) h: A2 o |
图15; I9 V* Q/ s3 H. m3 b# R$ k
ICM20602 的读写代码如下。
$ r8 |- |, K8 ~2 G+ L9 j3 B3 y3 ?7 [
7 D. Z% B# ?* |' D6 [
图16
8 G5 s/ c1 f5 }$ Z 这里注意要把串口的发送也配置好,这样才能把数据发送到电脑。串口 1 通过 USB 转串口模块接到电脑,获取 ICM20602 代码如下。
4 e# ^/ |! n! d2 L! w1 J' X+ e; _3 a0 I: d' E8 w8 t( t5 v6 G
) g$ D8 q/ L$ k/ m
8 F4 {$ B) ^7 e. \# w& u! V, G
图17
- E1 k+ X9 P: A2 g9 c3 n( v 保存、编译、下载代码,可以看到 USB 转串口模块在不断地打印 ICM20602
$ Q9 d% D; a! e: W/ g 的 X 轴加速度高 8 位,数据如下图所示:+ M z0 b9 b2 c z$ d
) Y( g& f/ ?! e2 r
8 w K4 o; n- F% O
图18" }% F- |! q A5 [
% M: m$ }, d6 j. B2 `
3 T1 j& v1 a. o0 |/ Y" w
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【6】SPI(六轴传感器数据获取).pdf
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