Arduino 入门学习笔记（二十二）：IIC_QMA6100P 实验开发板

正点原子ESP32S3
没有LCD屏可以用串口打印进行测试
例程源码在文章顶部可免费下载

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 5μ A，计步器工作电流为 44μ A。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：

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《QMA6100P Datasheet Rev. D.pdf》 数据手册。本实验以 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：

1.1 QMA6100P 寻址

从器件数据手册的所示， 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 位器件地址)。这两个设备地址的选择是根据 QMA6100P 的第 1 号管脚和 0x20 寄存器第 6bit 确定，如下图所示：

从上图可知，当 pin1(AD0)拉低时， 无论 0x20 寄存器第 6 位数据怎么样， QMA6100P 设备地址都是被设置为 0x12， 否则，该设备地址有可能为 0x13 或者 0x12。开发板是把 AD0 管脚拉低，所以 QMA6100P 设备地址为 0x12，写操作地址为 0x24（设备地址 0x12 << 1 | 读写位 0），读操作地址为 0x25（设备地址 0x12 << 1 | 读写位 1）。

1.2 QMA6100P 寄存器介绍

QMA6100P 有一些寄存器，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：

其余的寄存器可在数据手册下找到相关描述和配置信息。

1.3 QMA6100P 时序介绍

ESP32-S3 是通过 IIC 总线跟 QMA6100P 进行通信的，对 QMA6100P 相关寄存器进行写入配置，后面就是对相关数据寄存器进行读取。这里的时序主要就是写寄存器时序和读寄存器时序，我们一一介绍。
写寄存器时序
QMA6100P 的写寄存器时序如下图所示：

图中，先发送 QMA6100P 的写操作地址 0x24（器件地址 0X12 << 1 | 读写位 0），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。
读寄存器时序
QMA6100P 的读寄存器时序如下图所示：

图中，同样是先发送 QMA6100P 的写操作地址 0x24， 然后再发送寄存器地址，随后，重新发送起始信号（Sr），发送 QMA6100P 的读操作地址 0x25（器件地址 0X12 << 1 | 读写位 1） ,然后读取寄存器值。若主机一直提供应答信号， QMA6100P 会一直把寄存器数据返回，一旦主机发出非应答信号， QMA6100P 就停止数据发送。 其中： MACK，表示主机应答； NACK，表示设备不应答； 其他简写同上。

2. 硬件设计

2.1 例程功能

在 LCD 屏上显示由 QMA6100P 加速度数据运算出的 pitch 俯仰角和 roll 翻滚角。当我们转动开发板时， 这两个角度数据会重新计算。

2.2 硬件资源

• LED 灯
  LED-IO1
• USART0
  U0TXD-IO43
  U0RXD-IO44
• XL9555
  IIC_SDA-IO41
  IIC_SCL-IO42
• 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）
• QMA6100P
  IIC_SDA-IO41
  IIC_SCL-IO42
  QMA_INT-IO0_1（XL9555）

2.3 原理图

QMA6100P 原理图，如下图所示：

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

3. 软件设计

3.1 程序流程图

下面看看本实验的程序流程图：

3.2 程序解析

QMA6100P 驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。 QMA6100P 驱动源码包括两个文件： qma6100p.cpp、 qma6100p.h、 imu.cpp 和 imu.h。
下面我们先解析 qma6100p.h 的程序。对 QMA6100P 的 IIC 引脚和器件地址做了相关定义。

#define IIC_SCL 42
#define IIC_SDA 41
#define IMU_DEV_ADDR 0x12 /* 7 位器件地址 */

我们选择使用 IO42 作为 IIC 时钟线， IO41 作为 IIC 数据线， QMA6100P 器件地址为 0x12。在 qma6100p.h 中，还定义了很多的宏，包括 QMA6100P 寄存器、寄存器相关位，大家自行查看源码即可。
下面我们再解析 qma6100p.cpp 的程序，首先先来看一下初始化函数 qma6100p_init，代码如下：

/**
* @brief qma6100p 初始化函数
* @param 无
* @retval 0:成功，非 0:失败
*/
uint8_t qma6100p_init(void)
{
	uint8_t id = 0;
	Wire.begin(IIC_SDA, IIC_SCL, 400000); /* 初始化 IIC 总线 */
	qma6100p_read_reg(QMA6100P_CHIP_ID, &id, 1); /* 读取 QMA6100P 器件 ID */
	if (id != QMA6100P_DEVICE_ID)
	{
		Serial.printf("ID:%#x \r\n", id);
		return 0xFF;
	}
	/* 软件复位 */
	qma6100p_write_reg(QMA6100P_REG_RESET, 0xb6);
	delay(5);
	qma6100p_write_reg(QMA6100P_REG_RESET, 0x00);
	delay(10);
	/* 厂家推荐的初始化序列 */
	qma6100p_write_reg(0x11, 0x80); /* 从 standby 到 active 状态(0x11 寄存器<7>=1) */
	qma6100p_write_reg(0x11, 0x84);
	qma6100p_write_reg(0x4a, 0x20);
	qma6100p_write_reg(0x56, 0x01);
	qma6100p_write_reg(0x5f, 0x80);
	delay(2);
	qma6100p_write_reg(0x5f, 0x00);
	delay(10);
	/* 设置 QMA6100P 的配置参数(量程、输出频率、工作模式) */
	qma6100p_write_reg(QMA6100P_REG_RANGE, QMA6100P_RANGE_8G);
	/* 设置加速度计满量程范围(8G) */
	qma6100p_write_reg(QMA6100P_REG_BW_ODR, (uint8_t)(QMA6100P_BW_100 |
	QMA6100P_LPF_OFF)); /* 设置输出数据速率(100khz) */
	qma6100p_write_reg(QMA6100P_REG_POWER_MANAGE, (uint8_t)QMA6100P_MCLK_51_2K |
	0x80); /* 设置加速度的工作模式 */
	return 0;
}

在 QMA6100P 初始化函数中， 首先初始化 IIC 接口，读取器件 ID 以此检测器件通信是否正常，然后对寄存器进行操作实现软件复位，随后用器件手册中推荐的初始化序列进行配置，最后设置 QMA6100P 的配置参数（量程、输出频率、工作模式）。
接下来，看一下前面提及到的向 QMA6100P 寄存器写入数据的函数 qma6100p_write_reg，代码如下：

/**
* @brief QMA6100P 对寄存器配置函数
* @param reg : 寄存器地址
* @param data : 写入到寄存器数据
* @retval 无
*/
void qma6100p_write_reg(uint8_t reg, uint8_t data)
{
	Wire.beginTransmission(IMU_DEV_ADDR); /* 发送从机的 7 位器件地址到发送队列 */
	Wire.write(reg); /* 发送要写入从机寄存器的地址到发送队列 */
	Wire.write(data); /* 发送要写入从机寄存器的数据到发送队列 */
	Wire.endTransmission();
	/* IIC 发送 发送队列的数据(不带参数,表示发送 stop 信号,结束传输) */
}

这里的写操作流程跟前面内容中 QMA6100P 写寄存器时序图描述的过程是一致的。首先调用 Wire.beginTransmission 函数将从机地址 0x12 加入到发送数据队列，然后调用Wire.write 函数将要写入数据的寄存器地址加入到发送数据队列，继续调用 Wire.write 函数将要写入寄存器地址的数据加入到发送数据队列，最后调用 Wire.endTransmission 函数将数据队列的数据发送到 QMA6100P，最终实现对寄存器数据的写入。
继续看一下读取 QMA6100P 寄存器数据的函数 qma6100p_read_reg，代码如下：

/**
* @brief 从 QMA6100P 读取 N 字节数据
* @param reg : 寄存器地址
* @param buf : 数据存储 buf
* @param num : 读取长度
* @retval 无
*/
void qma6100p_read_reg(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint16_t num)
{
	uint8_t i = 0;
	Wire.beginTransmission(IMU_DEV_ADDR); /* 发送从机的 7 位器件地址到发送队列 */
	Wire.write(reg); /* 发送要读取从机的寄存器地址到发送队列 */
	Wire.endTransmission(0);
	/* IIC 发送 发送队列的数据(传参为 0,表示重新发送一个 start 信号,保持 IIC 总线有效连接) */
	Wire.requestFrom(IMU_DEV_ADDR, num); /* 主机向从机发送数据请求,并获取到数据 */
	while (Wire.available()) /* 得到已经接收到的数据字节数 */
	{
		buf[i++] = Wire.read(); /* 到数据缓冲区读取数据 */
	}
}

这里的读操作流程跟前面中读寄存器时序图描述的过程是一致的。首先调用Wire.beginTransmission 函数将从机地址 0x12 加入到发送数据队列，然后调用 Wire.write 函数将要要读取数据的寄存器地址加入到发送数据队列，继续调用 Wire.endTransmission 函数将数据队列的数据发送到 QMA6100P。注意： Wire.endTransmission 函数带参数 0 表明会重新发送一个起始信号，保持 IIC 总线的连接。后面就通过调用 Wire.requestFrom 函数向 QMA6100P 指定寄存器读取 num 字节数据并保存到接收缓冲区， Wire.available 函数用于查询缓冲区是否有可读数据，而 Wire.read 函数就是用来读取缓冲区一字节数据，通过函数参数 buf 缓冲区将 num 字节数据存储。
初始化好 QMA6100P 传感器之后，就可以对其采集到的数据进行获取，实现这个读取过程的函数为 qma6100p_read_raw_xyz，代码如下：

/**
* @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;
}

该函数直接读取 QMA6100P 数据寄存器的三轴 14 位 ADC 原始数据， 然后进行整合。
得到 ADC 原始数据后，还要进行换算， 才能获得加速度计的 x， y， z 轴数据， 代码如：

/**
* @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;
}

加速度计轴数据 = ADC 原始数据 * 重力加速度 / 加速度计灵敏度ADC 原始数据直接通过读取寄存器获得，而重力加速度是一个常数 9.80665，而加速度计灵敏度为 1024 LSB/g。通过计算即可得到加速度计的 X 轴、 Y 轴和 Z 轴数据。
在 imu.cpp 中，有一个得到欧拉角的函数，即从加速度计数据换算出欧拉角，代码如下：

#define M_PI (3.14159265358979323846f)
#define RAD_TO_DEG (180.0f / M_PI)
/**
* @brief 得到姿态解算后的欧拉角
* @param accl_in : 3 轴加速度数据
* @param angle : 俯仰角、横滚角
* @retval 返回值 : 欧拉角
*/
void acc_get_angle(float accl_in[3], float angle[2])
{
	float accl_data[3];
	float acc_normal, pitch, roll;
	acc_normal = sqrtf(accl_in[0] * accl_in[0] + accl_in[1] * accl_in[1] +
	accl_in[2] * accl_in[2]);
	accl_data[0] = accl_in[0] / acc_normal;
	accl_data[1] = accl_in[1] / acc_normal;
	accl_data[2] = accl_in[2] / acc_normal;
	pitch = -atan2f(accl_in[0], accl_in[2]);
	angle[0] = pitch * RAD_TO_DEG;
	acc_normal = sqrtf(accl_data[0] * accl_data[0] + accl_data[1] * accl_data[1]
	+ accl_data[2] * accl_data[2]);
	roll = asinf((accl_data[1] / acc_normal));
	angle[1] = roll * RAD_TO_DEG;
}

19_iic_qma6100p.ino 代码
在 19_iic_qma6100p.ino 里面编写如下代码：

#include "led.h"
#include "uart.h"
#include "xl9555.h"
#include "spilcd.h"
#include "qma6100p.h"
#include "imu.h"
float g_acc_data[3];
float g_angle_data[2];
/**
* @brief 显示角度
* @param x, y : 坐标
* @param title: 标题
* @param angle: 角度
* @retval 无
*/
void user_show_angle(uint16_t x, uint16_t y, char *title, float angle)
{
	char buf[20];
	sprintf(buf,"%s%3.1f", title, angle); /* 格式化输出 */
	lcd_fill(x, y, x + 160, y + 16, WHITE); /* 清除上次数据(最多显示 20 个字符) */
	lcd_show_string(x, y, 160, 16, LCD_FONT_16, buf, BLUE); /* 显示字符串 */
}
/**
* @brief 当程序开始执行时，将调用 setup()函数，通常用来初始化变量、函数等
* @param 无
* @retval 无
*/
void setup()
{
	led_init(); /* LED 初始化 */
	uart_init(0, 115200); /* 串口 0 初始化 */
	xl9555_init(); /* IO 扩展芯片初始化 */
	lcd_init(); /* LCD 初始化 */
	qma6100p_init(); /* 三轴加速度计初始化 */
	lcd_show_string(30, 50, 200, 16, LCD_FONT_16, "ESP32-S3", RED);
	lcd_show_string(30, 70, 200, 16, LCD_FONT_16, "IMU TEST", RED);
	lcd_show_string(30, 90, 200, 16, LCD_FONT_16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
}
/**
* @brief 循环函数，通常放程序的主体或者需要不断刷新的语句
* @param 无
* @retval 无
*/
void loop()
{
	qma6100p_read_acc_xyz(g_acc_data);
	acc_get_angle(g_acc_data, g_angle_data);
	user_show_angle(30, 130, "Pitch :", g_angle_data[0]);
	user_show_angle(30, 150, " Roll :", g_angle_data[1]);
	LED_TOGGLE();
	delay(500);
}

在 setup 函数中，调用 led_init 函数完成 LED 初始化，调用 uart_init 函数完成串口初始化，调用 xl9555_init 函数完成 XL9555 初始化，调用 lcd_init 函数完成 LCD 屏初始化，调用qma6100p_init 函数完成 QMA6100P 初始化， LCD 显示实验信息。
在 loop 函数中，间隔 500 毫秒调用 qma6100p_read_acc_xyz 函数获取加速度计原始数据，通过 acc_get_angle 函数得到俯仰角和横滚角， 然后在 LCD 进行显示。 LED 灯每隔 500 毫秒状态翻转，实现闪烁效果。

4. 下载验证

程序下载到开发板后， LCD 不断更新 pitch 俯仰角和 roll 翻滚角数据，如下图所示：