【開源教程13】瘋殼·開源編隊無人機-SPI（六軸傳感器數據獲取）

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——瘋殼·無人機·系列

SPI（六軸傳感器數據獲�。�

   
    圖1


    一、ICM20602 簡介
    六軸傳感器在當今智能穿戴和定位導航產品中被廣泛應用，而六軸傳感器中做的最好的要屬 InvenSense 公司的產品了，ICM20602 便是其推出的優秀六軸傳感器之一。
    ICM20602 集成 3 軸加速度計和 3 軸陀螺儀，其中陀螺儀量程范圍可以選擇
    +/-250dps，+/-500dps，+/-1000dps 和+/-2000dps 這四種，而加速度計量程范圍可選擇+/-2g，+/-4g，+/-8g 和+/-16g 四種。
    ICM20602 支持高達 400KHz 的 I2C 以及高達 10MHz 的 SPI，具有較高的接口兼容性。
    ICM20602 的實物圖如下所示。

   
    圖2
    ICM20602 的引腳如下圖所示。

   
    圖3


    二、SPI 概述
    SPI 是指 Serial Peripheral Interface 的縮寫，即串行外圍設備接口，是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的引腳，SPI 的 4 條通信線為：
    （1）MISO 主入從出接口；
    （2）MOSI 主出從入接口；
    （3）SCLK 由主設備產生的時鐘信號；
    （4）CS 由主設備控制的從設備片選信號。
    STM32F103 的 SPI 的時鐘最高可達 18MHz，支持 DMA。SPI 主從機通信，如下圖所示：

   
    圖4
    當有多個設備掛載在 SPI 總線上，其接線圖如下圖所示。

   
    圖5
    單片機和外圍器件之間進行 SPI 同步串行數據傳輸時，在主器件的移位脈沖下，數據按位傳輸，低位在前，高位在后，為全雙工通信，數據傳輸速度總體來說比 I2C 總線要快，速度可達到幾 Mbp，相比于其它總線，SPI 協議簡單，相對數據速率高，但是 SPI 也有它的缺點，比如沒有指定的流控制，沒有應答機制確認是否接收到數據。

    三、SPI 總線協議
    SPI 通信需要掌握以下知識： 時鐘極性、時鐘相位以及 SPI 的傳輸時序。

    （1）時鐘極性，SPI 通過時鐘極性（CPOL）來決定在總線空閑時，同步時鐘（SCLK）信號線的電平是高電平還是低電平。當時鐘極性為 0 時（CPOL=0）， SCLK 信號線在空閑時為低電平；當時鐘極性為 1 時（CPOL=1），SCLK 信號線在空閑時為高電平；
    （2）時鐘相位，SPI 通過時鐘相位（CPHA）用來決定何時進行信號采樣。當時鐘相位為 1 時（CPHA=1），在 SCK 信號線的第二個跳變沿進行采樣；這里的跳變沿究竟是上升沿還是下降沿？這取決于時鐘的極性。當時鐘極性為 0
    時，取下降沿；當時鐘極性為 1 時，取上升沿；如下圖所示：


圖6
    當時鐘相位為 0 時（CPHA=0），在 SCK 信號線的第一個跳變沿進行采樣。跳變沿同樣與時鐘極性有關：當時鐘極性為 0 時，取上升沿；當時鐘極性為 1
    時，取下降沿；如下圖所示：

   
    圖7
    四、 SPI 寄存器
    在本次實驗中使用到的是 STM32 的硬件 SPI，STM32 的硬件 SPI 所涉及的寄存器較多，這里挑選較為重要的來講解。

    （1）SPI_CR1：SPI 控制寄存器 1，如下圖所示：

   
    圖8
    其中 SPE 為 SPI 使能控制位，等于 1 時使能 SPI，等于 0 時關閉 SPI；BR[2:0]為 SPI 的波特率控制位，BR[2:0]等于 000 則波特率為 fPCLK/2，等于 001 則波特率為 fPCLK/4，等于 010 則波特率為 fPCLK/8，等于 011 則波特率為 fPCLK/16，等于100 則波特率為 fPCLK/32，等于 101 則波特率為 fPCLK/64，等于 110 則波特率為fPCLK/128，等于 111 則波特率為 fPCLK/256；MSTR 為 SPI 主從模式選擇位，等于0 時為從模式，等于 1 時為主模式；CPOL 為 SPI 時鐘極性設置位，為 0 則空閑時鐘為低電平，為 1 則空閑時鐘為高電平；CPHA 為 SPI 時鐘相位設置位，等于0 時，在第一個時鐘跳邊沿開始采集，等于 1 時，在第 2 個時鐘跳邊沿開始采集。
    （2）SPI_SR：SPI 狀態寄存器，如下圖所示：

  
    圖9
    其中 TXE 是發送緩沖區狀態位，該位為 0 時發送緩沖區非空，為 1 時發送緩沖區為空；RXNE 為接收緩沖區狀態位，該位為 0 時接收緩沖區為空，該位為1 時，接收緩沖區為非空。
    （3）SPI_DR：SPI 數據寄存器，用于存儲接收或者發送的數據。SPI_DR 的描述如下圖所示：

   
    圖10
    其中 DR[15:0]存放 SPI 數據。
    五、六軸傳感器數據獲取實驗

    六軸傳感器數據獲取實驗使用 STM32 的硬件 SPI 與六軸傳感器 ICM20602 相連接，串口 1 即 UART1，通過 USB 轉串口模塊連接電腦，把 SPI 獲取到的六軸數據通過串口 1 傳輸到電腦端的串口調試助手顯示出來。做該實驗的時候需要把視覺模組暫時取下，并且把 USB 轉串口的線接到視覺模組接口處。六軸傳感器 ICM20602 在無人機頂部的白色 RGB 彩燈盒里，通過軟排把 SPI 及供電口接出，如下圖所示。

   
    圖11
    根據原理圖，可以看到 ICM20602 的的 SPI 接口分別是：PB13、PA5、PA6、PA7，如下圖所示。

   
    圖12
    串口 1 的配置可以參考《串口（基礎收發），配置代碼（通過調用官方庫） 獲取 ICM20602 的數據代碼編寫的思路如下：

    代碼思路

   
    表1
    SPI 初始化代碼如下：

  
    圖13
    SPI 的讀寫代碼如下。

   
    圖14
    ICM20602 的初始化代碼如下。

   
    圖15
    ICM20602 的讀寫代碼如下。

   
    圖16
    這里注意要把串口的發送也配置好，這樣才能把數據發送到電腦。串口 1 通過 USB 轉串口模塊接到電腦，獲取 ICM20602 代碼如下。


   
    圖17
    保存、編譯、下載代碼，可以看到 USB 轉串口模塊在不斷地打印 ICM20602
    的 X 軸加速度高 8 位，數據如下圖所示：

   
    圖18




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2022-8-17 17:19 上傳

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