《ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6》第三十二章 IIC_QMA6100P實驗
第三十二章 IIC_QMA6100P實驗
1)實驗平臺:正點原子DNESP32S3開發(fā)板
2)章節(jié)摘自【正點原子】ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6
3)購買鏈接:https://detail.tmall.com/item.htm?&id=768499342659
4)全套實驗源碼+手冊+視頻下載地址:http://www.openedv.com/docs/boards/esp32/ATK-DNESP32S3.html
5)正點原子官方B站:https://space.bilibili.com/394620890
6)正點原子DNESP32S3開發(fā)板技術(shù)交流群:132780729


前面,我們介紹了IIC驅(qū)動XL9555、AP3216C、AT24C02等器件,本章我們將向大家介紹如何使用IIC來驅(qū)動QMA6100P三軸加速度計,獲取X,Y,Z的原始數(shù)據(jù),并把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為pitch俯仰角和roll翻滾角并把數(shù)據(jù)顯示在LCD上。
本章分為如下幾個小節(jié):
32.1 IIC簡介
32.2 硬件設(shè)計
32.3 程序設(shè)計
32.4 下載驗證
32.1 QMA6100P介紹
QMA6100P是一款三軸加速度傳感器,具有高集成、小尺寸封裝的特點。它集成了信號調(diào)節(jié)ASIC的加速度傳感器,可以感知傾斜、運動、沖擊和振動。QMA6100P基于先進的高分辨率單晶硅MEMS技術(shù),配合定制設(shè)計的14位ADC專用集成電路,具有低噪聲、高精度、低功耗、偏置微調(diào)等優(yōu)點。它支持?jǐn)?shù)字接口I2C和SPI,內(nèi)置硬件計步器,支持多種不同中斷模式。QMA6100P的最大可支持64級FIFO,待機電流為5μA,計步器工作電流為44μA。主要應(yīng)用市場與優(yōu)勢是手機,手環(huán),手表,各類低功耗IOT設(shè)備,集成各類應(yīng)用算法,計步器,抬手亮屏,垂手亮屏,久坐提醒,跌倒報警,跌落報警,睡眠檢測,平衡檢測,傾斜檢測,睡眠喚醒等超過20種不同應(yīng)用。QMA6100P還具有低成本和與市場主流傳感器兼容的優(yōu)點,以及超低功耗、可靠性高的特點。下圖是QMA6100P內(nèi)部框圖。

圖32.1.1 QMA6100P框圖
根據(jù)上文,QMA6100P三軸加速度計支持SPI和IIC兩種通信接口。接口的實現(xiàn)流程可參考《13-52-20 QMA6100PDatasheet Rev. D.pdf》數(shù)據(jù)手冊。本章節(jié)以ESP32-S3開發(fā)板電路為基準(zhǔn),該開發(fā)板使用IIC通信接口來獲取QMA6100P三軸加速度計的相關(guān)參數(shù)。
QMA6100P的引腳說明如下表所示。

圖32.1.1 QMA6100P管腳描述
32.1.1 QMA6100P尋址
從規(guī)格書的章節(jié)5.4所示,QMA6100P在IIC通信下,具有兩種設(shè)備地址設(shè)置,它們分別為0x12和0x13(7位串行地址)。這兩個設(shè)備地址的選擇是根據(jù)QMA6100P的第1號管腳確定,如下圖所示:

圖32.1.2 設(shè)備地址的選擇
從上圖可知,當(dāng)?shù)?號管腳(AD0)拉低時,QMA6100P設(shè)備地址被設(shè)置為0x12,反次,該設(shè)備地址為0x13。本開發(fā)板是把AD0管腳拉低,所以在QMA6100P設(shè)備地址為0x12。
32.1.2 QMA6100P寄存器介紹
QMA6100P有一些列寄存器,由這些寄存器來控制QMA6100P的工作模式,以及中斷配置和數(shù)據(jù)輸出等。這里我們僅介紹我們在本章需要用到的一些寄存器,其他寄存器的描述和說明,請大家參考QMA6100P的數(shù)據(jù)手冊。
本章需要用到QMA6100P的寄存器如下表所示:

表32.1.2.1 QMA6100P相關(guān)寄存器及其說明
其余的寄存器可在數(shù)據(jù)手冊下找到相關(guān)描述和配置信息。
32.1.3 QMA6100P時序介紹
l 寫寄存器
QMA6100P的寫寄存器時序如下圖所示。

圖32.1.3.1 QMA6100P寫寄存器時序
圖中,先發(fā)送QMA6100P的地址(7位,0X12,左移一位后為:0X24),最低位W=0表示寫數(shù)據(jù),隨后發(fā)送8位寄存器地址,最后發(fā)送8位寄存器值。其中:START,表示IIC起始信號;R/W,表示讀/寫標(biāo)志位(R/W =0表示寫,R/W =1表示讀);SACK,表示應(yīng)答信號;STOP,表示IIC停止信號。
l 讀寄存器
QMA6100P的讀寄存器時序如下圖所示。

圖32.1.3.2 QMA6100P讀寄存器時序
圖中,同樣是先發(fā)送7位地址+寫操作,然后再發(fā)送寄存器地址,隨后,重新發(fā)送起始信號(Sr),再次發(fā)送7位地址+讀操作,然后讀取寄存器值。其中:SA,表示重新發(fā)送IIC起始信號;MACK,表示MCU應(yīng)答;NACK,表示設(shè)備應(yīng)答;其他簡寫同上。
32.2 硬件設(shè)計
32.2.1 例程功能
在LCD顯示屏上,我們能夠看到XYZ的數(shù)據(jù)。當(dāng)我們翻轉(zhuǎn)開發(fā)板時,這些數(shù)據(jù)會根據(jù)開發(fā)板的翻轉(zhuǎn)角度來計算出pitch俯仰角和roll翻滾角。
32.2.2 硬件資源
- LED燈
LED-IO1 - XL9555
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42 - SPILCD
CS-IO21
SCK-IO12
SDA-IO11
DC-IO40(在P5端口,使用跳線帽將IO_SET和LCD_DC相連)
PWR- IO1_3(XL9555)
RST- IO1_2(XL9555) - QMA6100P
SDA - IO41
CLK - IO42
IO RXIO - P01
32.2.3 原理圖
QMA6100P原理圖,如下圖所示。

圖32.2.3.1 QMA6100P原理圖
這里說明一下,QMA6100P的QMA_INT腳是連接在XL9555器件的IO0_1腳上,如果大家要使用QMA6100P的中斷輸出功能,必須先初始化XL9555器件并配置IO0_1為輸入功能,監(jiān)測XL9555中斷引腳是否有中斷產(chǎn)生。若發(fā)現(xiàn)有中斷產(chǎn)生,則判斷是否是IO0_1導(dǎo)致的,從而檢測到QMA6100P的中斷。在本章中,并沒有用到QMA6100P中斷功能,所以沒有對XL9555器件的IO0_1做設(shè)置。
32.3 程序設(shè)計
32.3.1 程序流程圖
程序流程圖能幫助我們更好的理解一個工程的功能和實現(xiàn)的過程,對學(xué)習(xí)和設(shè)計工程有很好的主導(dǎo)作用。下面看看本實驗的程序流程圖:

圖32.3.1.1 QMA6100P實驗程序流程圖
32.3.2 QMA6100P函數(shù)解析
這一章節(jié)除了涉及到GPIO、IIC的API函數(shù),便沒有再涉及到其他API函數(shù)。因此,有關(guān)GPIO和IIC的API函數(shù)介紹,請讀者回顧此前的第十章與第十九章的內(nèi)容。接下來,筆者將直接介紹QMA6100P的驅(qū)動代碼。
32.3.3 QMA6100P驅(qū)動解析
在IDF版22_qma6100p例程中,作者在22_qma6100p\components\BSP路徑下新增了一個QMA6100P文件夾,分別用于存放qma6100p.c、qma6100p.h這兩個文件。其中,qma6100p.h文件負(fù)責(zé)聲明QMA6100P相關(guān)的函數(shù)和變量,而qma6100p.c文件則實現(xiàn)了QMA6100P的驅(qū)動代碼。下面,我們將詳細(xì)解析這兩個文件的實現(xiàn)內(nèi)容。
1,qma6100p.h文件
該文件下包含了對QMA6100P的命令配置以及寄存器地址的相關(guān)定義。
#define QMA6100P_ADDR 0x12 /* QMA6100P地址 */
/* QMA6100P命令 */
/* 獲取ID,默認(rèn)值為0x9x */
#define QMA6100P_REG_CHIP_ID 0x00
/* 數(shù)據(jù)寄存器,三軸數(shù)據(jù),默認(rèn)值為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
/* 帶寬寄存器 */
#define QMA6100P_REG_BW_ODR 0x10
/* 電源管理寄存器 */
#define QMA6100P_REG_POWER_MANAGE 0x11
/* 加速度范圍,設(shè)置加速度計的滿刻度 */
#define QMA6100P_REG_RANGE 0x0f
/* 軟件復(fù)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; /* 圍繞X軸旋轉(zhuǎn),也叫做俯仰角 */
float roll; /* 圍繞Z軸旋轉(zhuǎn),也叫翻滾角 */
}qma6100p_rawdata_t;
/* 設(shè)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;
/* 設(shè)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;
/* 設(shè)置復(fù)位寄存器 */
typedef enum
{
QMA6100P_RESET = 0xB6,
QMA6100P_RESET_END = 0x00,
}qma6100p_reset;
/* 設(shè)置中斷 */
typedef enum
{
QMA6100P_MAP_INT1,
QMA6100P_MAP_INT2,
QMA6100P_MAP_INT_NONE
}qma6100p_int_map;
/* 設(shè)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
/**
* @brief qma6100p初始化
* @param 無
* @retval 無
*/
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()) /* 檢測不到qma6100p */
{
ESP_LOGE("qma6100p", "qma6100p init fail!!!");
vTaskDelay(500);
}
}
/**
* @brief 初始化qma6100p
* @param 無
* @retval 0, 成功;
1, 失敗;
*/
uint8_t qma6100p_config(void)
{
static uint8_t id_data[2];
/* 讀取設(shè)備ID,正常是0x90 */
qma6100p_register_read(QMA6100P_REG_CHIP_ID, id_data, 1);
/* qma6100p的初始化序列,請看手冊“6.3 Initial sequence”章節(jié) */
qma6100p_register_write_byte(QMA6100P_REG_RESET, QMA6100P_RESET);
vTaskDelay(5);
qma6100p_register_write_byte(QMA6100P_REG_RESET, QMA6100P_RESET_END);
vTaskDelay(10);
/* 讀取設(shè)備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失敗 */
}
}
在qma6100_init()函數(shù)中,通過判斷IIC初始化標(biāo)志位,確認(rèn)IIC是否已經(jīng)初始化,如果沒有則進行IIC初始化,已經(jīng)初始化了則跳過。然后把IIC_SDA引腳和IIC_SCL引腳作為I2C_NUM_0的數(shù)據(jù)線和時鐘線使用。然后調(diào)用了qma6100p_config函數(shù),用于初始化和配置QMA6100P傳感器模塊。在qma6100p_config函數(shù)中,我們首先讀取0x00寄存器來獲取設(shè)備ID。然后,我們復(fù)位該設(shè)備并執(zhí)行初始化序列(請參考規(guī)格書的6.3小節(jié))。接下來,我們配置量程刻度、帶寬、中斷等參數(shù)。最后,我們檢查讀取的ID是否為0x90。如果是,則設(shè)備通信成功;否則,通信失敗。
接下來我們來講解一下對QMA6100P的IIC寫時序函數(shù),我們編寫QMA6100P的IIC寫時序函數(shù),如下所示:
/**
* @brief 向qma6100p寄存器寫數(shù)據(jù)
* @param reg_addr :要寫入的寄存器地址
* @param data : 要寫入的數(shù)據(jù)
* @retval 錯誤值 :0成功,其他值:錯誤
*/
static esp_err_tqma6100p_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;
}
在上述源代碼中,作者根據(jù)傳入的IIC控制塊,調(diào)用了IIC收發(fā)函數(shù)來發(fā)送QMA6100P的命令和數(shù)據(jù)。發(fā)送完成后,函數(shù)返回了ESP_OK狀態(tài)。
接下來我們來講解一下對QMA6100P的IIC讀時序函數(shù),我們編寫QMA6100P的IIC讀時序函數(shù),如下所示:
/**
* @brief 讀取qma6100p寄存器的數(shù)據(jù)
* @param reg_addr : 要讀取的寄存器地址
* @param data :讀取的數(shù)據(jù)
* @param len :數(shù)據(jù)大小
* @retval 錯誤值 :0成功,其他值:錯誤
*/
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;
}
同樣地,QMA6100P的讀時序也是利用IIC收發(fā)函數(shù)來實現(xiàn)的。寫時序和讀時序的唯一區(qū)別在于最后的flag標(biāo)志位不同,從而導(dǎo)致發(fā)送流程有所不同。
下面是根據(jù)XYZ原始數(shù)據(jù),使用特定的算法來計算pitch俯仰角和roll翻滾角,如下所示:
/**
* @brief 從QMA6100P寄存器中讀取原始x,y,z軸數(shù)據(jù)
* @param data : 3軸數(shù)據(jù)存儲數(shù)組
* @retval 無
*/
voidqma6100p_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 計算得到加速度計的x,y,z軸數(shù)據(jù)
* @param accdata : 3軸數(shù)據(jù)存儲數(shù)組
* @retval 無
*/
voidqma6100p_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;
}
上述源碼中,作者先讀取三軸的XYZ原始數(shù)據(jù),然后經(jīng)過特定的算法計算出pitch俯仰角和roll翻滾角。
32.3.4 CMakeLists.txt文件
打開本實驗BSP下的CMakeLists.txt文件,其內(nèi)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)
上述的紅色QMA6100P驅(qū)動以及esp_adc依賴庫需要由開發(fā)者自行添加,以確保QMA6100P驅(qū)動能夠順利集成到構(gòu)建系統(tǒng)中。這一步驟是必不可少的,它確保了QMA6100P驅(qū)動的正確性和可用性,為后續(xù)的開發(fā)工作提供了堅實的基礎(chǔ)。
32.3.5 實驗應(yīng)用代碼
打開main/main.c文件,該文件定義了工程入口函數(shù),名為app_main。該函數(shù)代碼如下。
i2c_obj_t i2c0_master;
/**
* @brief 顯示原始數(shù)據(jù)
* @param x, y : 坐標(biāo)
* @param title: 標(biāo)題
* @param val : 值
* @retval 無
*/
void user_show_mag(uint16_t x, uint16_t y, char *title, float val)
{
char buf[20];
sprintf(buf,"%s%3.1f", title, val); /* 格式化輸出 */
/* 清除上次數(shù)據(jù)(最多顯示20個字符,20*8=160) */
lcd_fill(x + 30, y + 16, x + 160, y + 16, WHITE);
lcd_show_string(x, y, 160, 16, 16, buf, BLUE); /* 顯示字符串 */
}
/**
* @brief 程序入口
* @param 無
* @retval 無
*/
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); /* 初始化三軸加速度計 */
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秒左右更新一次三軸原始值 */
{
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();
}
}
}
從上述源碼可知,我們首先初始化各個外設(shè),如IIC、SPI、XL9555、QMA6100P和LCD等驅(qū)動,然后調(diào)用qma6100.qma6100p_read函數(shù)測量數(shù)據(jù),最后調(diào)用qma6100p_acc_x等函數(shù)獲取XYZG、pitch俯仰角和roll翻滾角數(shù)據(jù),并在SPILCD上顯示。。LED燈每隔200毫秒狀態(tài)翻轉(zhuǎn),實現(xiàn)閃爍效果。
32.4 下載驗證
程序下載到開發(fā)板后,LCD不斷刷新三軸的原始數(shù)據(jù)、pitch俯仰角和roll翻滾角。當(dāng)用戶轉(zhuǎn)動或翻轉(zhuǎn)開發(fā)板時,pitch俯仰角和roll翻滾角會隨之變化,如下圖所示:

圖32.4.1 QMA6100P實驗測試圖

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