理查德西尔斯做的网站,温岭市市住房和城乡建设规划局网站,黄山旅游攻略必去景点,邢台网站建设哪家专业e2studio开发三轴加速度计LIS2DW12.4--测量倾斜度 概述视频教学样品申请源码下载计算倾斜角度工作原理单轴倾斜检测双轴倾斜检测三轴倾斜检测通信模式管脚定义IIC通信模式速率新建工程工程模板保存工程路径芯片配置工程模板选择时钟设置UART配置UART属性配置设置e2studio堆栈e… e2studio开发三轴加速度计LIS2DW12.4--测量倾斜度 概述视频教学样品申请源码下载计算倾斜角度工作原理单轴倾斜检测双轴倾斜检测三轴倾斜检测通信模式管脚定义IIC通信模式速率新建工程工程模板保存工程路径芯片配置工程模板选择时钟设置UART配置UART属性配置设置e2studio堆栈e2studio的重定向printf设置R_SCI_UART_Open()函数原型回调函数user_uart_callback ()printf输出重定向到串口IIC属性配置初始换管脚IIC配置R_IIC_MASTER_Open()函数原型R_IIC_MASTER_Write()函数原型R_IIC_MASTER_Read()函数原型sci_i2c_master_callback()回调函数参考程序初始换管脚获取ID复位操作BDU设置设置传感器的量程配置过滤器链配置电源模式设置输出数据速率轮询获取加速度计算倾角演示 概述
本文将介绍如何驱动和利用LIS2DW12三轴加速度计的倾斜检测理论和倾斜角测量方法。一般来说这里描述的程序也可以应用于三轴模拟或数字加速度计这取决于它们各自的规格。
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计算倾斜角度
加速度计广泛用于消费电子和工业应用中的倾斜检测如屏幕旋转和汽车安全报警系统。低g加速度计的另一个广泛用途是用于地图转换和个人导航设备的倾斜补偿式电子罗盘。该应用笔记描述了如何通过对一些可能导致角度倾斜计算错误的非理想因素进行补偿从而准确测量相对于本地地球水平面的倾斜角度。
工作原理
下图显示用于倾斜测量的加速度计的单一感应轴。
加速度计测量重力向量在感应轴上的映射。被测加速度的振幅随感应轴与水平面的夹角α的正弦值的变化而变化。 Ag*sin(α) 使用上面公式可以估算倾斜角度。 αarcsin(A/g) 其中 • A 测量的加速度 • g 地球的重力向量
加速度计的单轴360°旋转显示在下图中。 单轴倾斜检测
上图可以看出当感应轴垂直于重力方向时传感器对倾斜角度的变化最敏感。在这种情况下灵敏度约为17.45 mg/° [ sin(1°) - sin(0°)]。由于正弦函数的导数函数当感应轴接近其 1 g 或 -1 g位置时传感器的灵敏度较低对倾斜角度变化的响应较慢。在这种情况下灵敏度仅有0.15 mg/° [ sin(90°) - sin(89°)]。表 1显示不同倾斜角度下的灵敏度。也就是说如上图所示正弦函数在[0° 45°]、[135° 225°]和[315°360°]处具有良好的线性度。 双轴倾斜检测
当使用双轴倾斜传感方法时用户应了解在两种不同的情况下这种方法可能会限制总体精度甚至阻止倾斜计算。 例A绕虚线箭头将加速度计逆时针旋转β角度。当β小于 45°时X轴灵敏度较 高Y轴灵敏度较低。当β大于 45°时X轴灵敏度较低Y轴灵敏度较高。因此如果使用两轴方法通常建议根据正交轴±1 g条件计算角度。 例B在此位置X轴和Y轴的灵敏度都很高。但是如果不借助第三个轴例如Z 轴就不可能区分30°的倾斜角和150°的倾斜角因为X轴在这两个倾斜角度具有相同的输出。 三轴倾斜检测
借助三轴加速度计用户可以组合使用Z轴与X轴和Y轴进行倾斜感应以提高倾斜灵敏度和精度。 有两种方法计算图 5中的三个倾角。第一种方法是利用基本三角函数公式3、4和5其中Ax1、Ay1和Az1是将加速度计校准应用到原始测量数据后得到的值Ax、Ay、Az 第二种方法是利用三角函数公式6和7计算俯仰和滚转倾斜角在360度旋转时保持恒定灵敏度。 通信模式
对于LIS2DW12可以使用SPI或者IIC进行通讯。 最小系统图如下所示。 在CS管脚为1的时候为IIC模式。 本文使用的板子原理图如下所示。
管脚定义 IIC通信模式
在使用IIC通讯模式的时候SA0是用来控制IIC的地址位的。 对于IIC的地址可以通过SDO/SA0引脚修改。SDO/SA0引脚可以用来修改设备地址的最低有效位。如果SDO/SA0引脚连接到电源电压LSb最低有效位为’1’地址0011001b否则如果SDO/SA0引脚连接到地线LSb的值为’0’地址0011000b。 对应的IIC接口如下所示。 主要使用的管脚为CS、SCL、SDA、SA0。 速率
该模块支持的速度为普通模式(100k)和快速模式(400k)。
新建工程 工程模板 保存工程路径 芯片配置
本文中使用R7FA4M2AD3CFL来进行演示。
工程模板选择 时钟设置
开发板上的外部高速晶振为12M. 需要修改XTAL为12M。 UART配置 点击Stacks-New Stack-Driver-Connectivity - UART Driver on r_sci_uart。
UART属性配置 设置e2studio堆栈
printf函数通常需要设置堆栈大小。这是因为printf函数在运行时需要使用栈空间来存储临时变量和函数调用信息。如果堆栈大小不足可能会导致程序崩溃或不可预期的行为。 printf函数使用了可变参数列表它会在调用时使用栈来存储参数在函数调用结束时再清除参数这需要足够的栈空间。另外printf也会使用一些临时变量如果栈空间不足会导致程序崩溃。 因此为了避免这类问题应该根据程序的需求来合理设置堆栈大小。 e2studio的重定向printf设置 在嵌入式系统的开发中尤其是在使用GNU编译器集合GCC时–specs 参数用于指定链接时使用的系统规格specs文件。这些规格文件控制了编译器和链接器的行为尤其是关于系统库和启动代码的链接。–specsrdimon.specs 和 --specsnosys.specs 是两种常见的规格文件它们用于不同的场景。 –specsrdimon.specs 用途: 这个选项用于链接“Redlib”库这是为裸机bare-metal和半主机semihosting环境设计的C库的一个变体。半主机环境是一种特殊的运行模式允许嵌入式程序通过宿主机如开发PC的调试器进行输入输出操作。 应用场景: 当你需要在没有完整操作系统的环境中运行程序但同时需要使用调试器来处理输入输出例如打印到宿主机的终端这个选项非常有用。 特点: 它提供了一些基本的系统调用通过调试接口与宿主机通信。 –specsnosys.specs 用途: 这个选项链接了一个非常基本的系统库这个库不提供任何系统服务的实现。 应用场景: 适用于完全的裸机程序其中程序不执行任何操作系统调用比如不进行文件操作或者系统级输入输出。 特点: 这是一个更“裸”的环境没有任何操作系统支持。使用这个规格文件程序不期望有操作系统层面的任何支持。 如果你的程序需要与宿主机进行交互如在开发期间的调试并且通过调试器进行基本的输入输出操作则使用 --specsrdimon.specs。 如果你的程序是完全独立的不需要任何形式的操作系统服务包括不进行任何系统级的输入输出则使用 --specsnosys.specs。
R_SCI_UART_Open()函数原型 故可以用 R_SCI_UART_Open()函数进行配置开启和初始化UART。 /* Open the transfer instance with initial configuration. */err R_SCI_UART_Open(g_uart9_ctrl, g_uart9_cfg);assert(FSP_SUCCESS err);
回调函数user_uart_callback ()
当数据发送的时候可以查看UART_EVENT_TX_COMPLETE来判断是否发送完毕。 可以检查检查 “p_args” 结构体中的 “event” 字段的值是否等于 “UART_EVENT_TX_COMPLETE”。如果条件为真那么 if 语句后面的代码块将会执行。
fsp_err_t err FSP_SUCCESS;
volatile bool uart_send_complete_flag false;
void user_uart_callback (uart_callback_args_t * p_args)
{if(p_args-event UART_EVENT_TX_COMPLETE){uart_send_complete_flag true;}
}
printf输出重定向到串口
打印最常用的方法是printf所以要解决的问题是将printf的输出重定向到串口然后通过串口将数据发送出去。 注意一定要加上头文件#include stdio.h
#ifdef __GNUC__ //串口重定向#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endifPUTCHAR_PROTOTYPE
{err R_SCI_UART_Write(g_uart9_ctrl, (uint8_t *)ch, 1);if(FSP_SUCCESS ! err) __BKPT();while(uart_send_complete_flag false){}uart_send_complete_flag false;return ch;
}int _write(int fd,char *pBuffer,int size)
{for(int i0;isize;i){__io_putchar(*pBuffer);}return size;
}
IIC属性配置
查看手册可以得知LIS2DW12的IIC地址为“0011000” 或者 “0011001”即0x18或0x19。 初始换管脚
由于需要向LIS2DW12_I2C_ADD_L写入以及为IIC模式。 所以使能CS为高电平配置为IIC模式。 配置SA0为低电平。 R_IOPORT_PinWrite(g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_00_PIN_00, BSP_IO_LEVEL_HIGH);R_IOPORT_PinWrite(g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_00_PIN_01, BSP_IO_LEVEL_LOW);IIC配置
配置RA4M2的I2C接口使其作为I2C master进行通信。 查看开发板原理图对应的IIC为P407和P408。 点击Stacks-New Stack-Connectivity - I2C Master(r_iic_master)。 设置IIC的配置需要注意从机的地址。 R_IIC_MASTER_Open()函数原型
R_IIC_MASTER_Open()函数为执行IIC初始化开启配置如下所示。 /* Initialize the I2C module */err R_IIC_MASTER_Open(g_i2c_master0_ctrl, g_i2c_master0_cfg);/* Handle any errors. This function should be defined by the user. */assert(FSP_SUCCESS err);R_IIC_MASTER_Write()函数原型 R_IIC_MASTER_Write()函数是向IIC设备中写入数据写入格式如下所示。 err R_IIC_MASTER_Write(g_i2c_master0_ctrl, reg, 1, true);assert(FSP_SUCCESS err);R_IIC_MASTER_Read()函数原型 R_SCI_I2C_Read()函数是向IIC设备中读取数据读取格式如下所示。 /* Read data from I2C slave */err R_IIC_MASTER_Read(g_i2c_master0_ctrl, bufp, len, false);assert(FSP_SUCCESS err);sci_i2c_master_callback()回调函数
对于数据是否发送完毕可以查看是否获取到I2C_MASTER_EVENT_TX_COMPLETE字段。 /* Callback function */
i2c_master_event_t i2c_event I2C_MASTER_EVENT_ABORTED;
uint32_t timeout_ms 100000;
void sci_i2c_master_callback(i2c_master_callback_args_t *p_args)
{i2c_event I2C_MASTER_EVENT_ABORTED;if (NULL ! p_args){/* capture callback event for validating the i2c transfer event*/i2c_event p_args-event;}
}参考程序
https://github.com/STMicroelectronics/lis2dw12-pid
初始换管脚
由于需要向LIS2DW12_I2C_ADD_H写入以及为IIC模式。
所以使能CS为高电平配置为IIC模式。 配置SA0为高电平。 HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, SA0_Pin, GPIO_PIN_SET);获取ID
我们可以向WHO_AM_I (0Fh)获取固定值判断是否为0x44。
lis2dw12_device_id_get为获取函数。
对应的获取ID驱动程序,如下所示。 /* Wait sensor boot time */platform_delay(BOOT_TIME);/* Check device ID */lis2dw12_device_id_get(dev_ctx, whoamI);printf(LIS2DW12_ID0x%x,whoamI0x%x,LIS2DW12_ID,whoamI);if (whoamI ! LIS2DW12_ID)while (1) {/* manage here device not found */}复位操作
可以向CTRL2 (21h)的SOFT_RESET寄存器写入1进行复位。 lis2dw12_reset_set为重置函数。 对应的驱动程序,如下所示。 /* Restore default configuration */lis2dw12_reset_set(dev_ctx, PROPERTY_ENABLE);do {lis2dw12_reset_get(dev_ctx, rst);} while (rst);BDU设置
在很多传感器中数据通常被存储在输出寄存器中这些寄存器分为两部分MSB和LSB。这两部分共同表示一个完整的数据值。例如在一个加速度计中MSB和LSB可能共同表示一个加速度的测量值。 连续更新模式BDU ‘0’在默认模式下输出寄存器的值会持续不断地被更新。这意味着在你读取MSB和LSB的时候寄存器中的数据可能会因为新的测量数据而更新。这可能导致一个问题当你读取MSB时如果寄存器更新了接下来读取的LSB可能就是新的测量值的一部分而不是与MSB相对应的值。这样你得到的就是一个“拼凑”的数据它可能无法准确代表任何实际的测量时刻。 块数据更新BDU模式BDU ‘1’当激活BDU功能时输出寄存器中的内容不会在读取MSB和LSB之间更新。这就意味着一旦开始读取数据无论是先读MSB还是LSB寄存器中的那一组数据就被“锁定”直到两部分都被读取完毕。这样可以确保你读取的MSB和LSB是同一测量时刻的数据避免了读取到代表不同采样时刻的数据。 简而言之BDU位的作用是确保在读取数据时输出寄存器的内容保持稳定从而避免读取到拼凑或错误的数据。这对于需要高精度和稳定性的应用尤为重要。 可以向CTRL2 (21h)的BDU寄存器写入1进行开启。 对应的驱动程序,如下所示。
/* Enable Block Data Update */lis2dw12_block_data_update_set(dev_ctx, PROPERTY_ENABLE);设置传感器的量程
FS[1:0] - 全量程选择这两个位用于设置传感器的量程。量程决定了传感器可以测量的最大加速度值。例如量程可以设置为±2g、±4g、±8g或±16g。这允许用户根据应用的特定需求调整传感器的灵敏度。
对应的驱动程序,如下所示。 /* Set full scale */lis2dw12_full_scale_set(dev_ctx, LIS2DW12_2g);配置过滤器链
lis2dw12_filter_path_set(dev_ctx, LIS2DW12_LPF_ON_OUT);设置加速度计输出的过滤器路径。这里选择了输出上的低通滤波器LPF用于去除高频噪声。 lis2dw12_filter_bandwidth_set(dev_ctx, LIS2DW12_ODR_DIV_4);设置过滤器的带宽。这里的设置是将输出数据率ODR除以4进一步决定了滤波器的截止频率。
配置电源模式
lis2dw12_power_mode_set(dev_ctx, LIS2DW12_HIGH_PERFORMANCE);这个调用设置加速度计的电源模式为高性能模式。这通常意味着更高的功耗但提供更精确的测量。
设置输出数据速率
lis2dw12_data_rate_set(dev_ctx, LIS2DW12_XL_ODR_25Hz);设置加速度计的输出数据速率为每秒25次。输出数据速率决定了传感器多久采集一次数据并影响数据的实时性和功耗。 /* Enable Block Data Update */lis2dw12_block_data_update_set(dev_ctx, PROPERTY_ENABLE);/* Set full scale */lis2dw12_full_scale_set(dev_ctx, LIS2DW12_2g);/* Configure filtering chain* Accelerometer - filter path / bandwidth*/lis2dw12_filter_path_set(dev_ctx, LIS2DW12_LPF_ON_OUT);lis2dw12_filter_bandwidth_set(dev_ctx, LIS2DW12_ODR_DIV_4);/* Configure power mode */lis2dw12_power_mode_set(dev_ctx, LIS2DW12_HIGH_PERFORMANCE);/* Set Output Data Rate */lis2dw12_data_rate_set(dev_ctx, LIS2DW12_XL_ODR_25Hz);
轮询获取加速度
检查新数据是否可用 lis2dw12_flag_data_ready_get(dev_ctx, reg);这个函数调用检查加速度计是否有新的数据可读。如果有新数据reg 变量将被设置为非零值。 主要为读取STATUS (27h)的DRDY位。 如果 reg 是非零的说明有新的加速度数据可读。 lis2dw12_acceleration_raw_get(dev_ctx, data_raw_acceleration);这个函数调用实际读取加速度计的原始数据并存储在 data_raw_acceleration 数组中。 数据在28h-2Dh中。 加速度数据首先以原始格式通常是整数读取然后需要转换为更有意义的单位如毫重力mg。这里的转换函数 lis2dw12_from_fs2_to_mg() 根据加速度计的量程这里假设为±2g将原始数据转换为毫重力单位。 acceleration_mg[0] lis2dw12_from_fs2_to_mg(data_raw_acceleration[0]); 等三行代码分别转换 X、Y、Z 轴的加速度数据。 ● LIS2DW12 加速度计通常会有一个固定的位分辨率比如 16 位即输出值是一个 16 位的整数。这意味着加速度计可以输出的不同值的总数是 2^1665536。这些值均匀地分布在 -2g 到 2g 的范围内。 ● 因此这个范围4g 或者 4000 mg被分成了 65536 个步长。 ● 每个步长的大小是 4000 mg/65536≈0.061 mg/LSB 所以函数中的乘法 ((float_t)lsb) * 0.061f 是将原始的整数值转换为以毫重力mg为单位的加速度值。这个转换对于将加速度计的原始读数转换为实际的物理测量值是必需的。
while (1){uint8_t reg;/* Read output only if new value is available */lis2dw12_flag_data_ready_get(dev_ctx, reg);if (reg) {/* Read acceleration data */memset(data_raw_acceleration, 0x00, 3 * sizeof(int16_t));lis2dw12_acceleration_raw_get(dev_ctx, data_raw_acceleration);//acceleration_mg[0] lis2dw12_from_fs8_lp1_to_mg(data_raw_acceleration[0]);//acceleration_mg[1] lis2dw12_from_fs8_lp1_to_mg(data_raw_acceleration[1]);//acceleration_mg[2] lis2dw12_from_fs8_lp1_to_mg(data_raw_acceleration[2]);acceleration_mg[0] lis2dw12_from_fs2_to_mg(data_raw_acceleration[0]);acceleration_mg[1] lis2dw12_from_fs2_to_mg(data_raw_acceleration[1]);acceleration_mg[2] lis2dw12_from_fs2_to_mg(data_raw_acceleration[2]);printf(Acceleration [mg]:X%4.2f\tY%4.2f\tZ%4.2f\r\n,acceleration_mg[0], acceleration_mg[1], acceleration_mg[2]);}
R_BSP_SoftwareDelay(100, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);}
计算倾角 while (1){uint8_t reg;/* Read output only if new value is available */lis2dw12_flag_data_ready_get(dev_ctx, reg);if (reg) {/* Read acceleration data */memset(data_raw_acceleration, 0x00, 3 * sizeof(int16_t));lis2dw12_acceleration_raw_get(dev_ctx, data_raw_acceleration);//acceleration_mg[0] lis2dw12_from_fs8_lp1_to_mg(data_raw_acceleration[0]);//acceleration_mg[1] lis2dw12_from_fs8_lp1_to_mg(data_raw_acceleration[1]);//acceleration_mg[2] lis2dw12_from_fs8_lp1_to_mg(data_raw_acceleration[2]);acceleration_mg[0] lis2dw12_from_fs2_to_mg(data_raw_acceleration[0]);acceleration_mg[1] lis2dw12_from_fs2_to_mg(data_raw_acceleration[1]);acceleration_mg[2] lis2dw12_from_fs2_to_mg(data_raw_acceleration[2]);printf(Acceleration [mg]:X%4.2f\tY%4.2f\tZ%4.2f\r\n,acceleration_mg[0], acceleration_mg[1], acceleration_mg[2]);float g 1000;// 计算X轴的倾角float x_angle atan(acceleration_mg[0] / sqrt(acceleration_mg[1] * acceleration_mg[1] acceleration_mg[2] * acceleration_mg[2]));// 计算Y轴的倾角float y_angle atan(acceleration_mg[1] / sqrt(acceleration_mg[0] * acceleration_mg[0] acceleration_mg[2] * acceleration_mg[2]));// 计算Z轴的倾角float z_angle atan(acceleration_mg[2] / sqrt(acceleration_mg[0] * acceleration_mg[0] acceleration_mg[1] * acceleration_mg[1]));// 将弧度转换为度数x_angle x_angle * 180.0 / 3.14159265;y_angle y_angle * 180.0 / 3.14159265;z_angle z_angle * 180.0 / 3.14159265;// 打印结果printf(X: %.2f °\n, x_angle);printf(Y: %.2f °\n, y_angle);printf(Z: %.2f °\n, z_angle); }R_BSP_SoftwareDelay(100, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);}演示
在平放时候数据如下所示。
