| 本帖最后由 正点原子运营 于 2025-8-2 17:58 编辑 
 
   
 1)实验平台:正点原子DNESP32S3开发板 
 2)章节摘自【正点原子】ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6 
 
 
 
 6)正点原子DNESP32S3开发板技术交流群:132780729 
  
 
 前面,我们介绍了IIC驱动XL9555、AP3216C、AT24C02等器件,本章我们将向大家介绍如何使用IIC来驱动QMA6100P三轴加速度计,获取X,Y,Z的原始数据,并把原始数据转化为pitch俯仰角和roll翻滚角并把数据显示在LCD上。 本章分为如下几个小节: 32.1 IIC简介 32.2 硬件设计 32.3 程序设计 32.4 下载验证 32.1 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5μA,计步器工作电流为44μA。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《13-52-20 QMA6100PDatasheet Rev. D.pdf》数据手册。本章节以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。 32.1.1 QMA6100P寻址 从规格书的章节5.4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位串行地址)。这两个设备地址的选择是根据QMA6100P的第1号管脚确定,如下图所示:      从上图可知,当第1号管脚(AD0)拉低时,QMA6100P设备地址被设置为0x12,反次,该设备地址为0x13。本开发板是把AD0管脚拉低,所以在QMA6100P设备地址为0x12。 
 32.1.2 QMA6100P寄存器介绍 QMA6100P有一些列寄存器,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: 表32.1.2.1 QMA6100P相关寄存器及其说明其余的寄存器可在数据手册下找到相关描述和配置信息。 
 32.1.3 QMA6100P时序介绍 l  写寄存器 QMA6100P的写寄存器时序如下图所示。      图中,先发送QMA6100P的地址(7位,0X12,左移一位后为:0X24),最低位W=0表示写数据,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。 l  读寄存器 QMA6100P的读寄存器时序如下图所示。      图中,同样是先发送7位地址+写操作,然后再发送寄存器地址,随后,重新发送起始信号(Sr),再次发送7位地址+读操作,然后读取寄存器值。其中:SA,表示重新发送IIC起始信号;MACK,表示MCU应答;NACK,表示设备应答;其他简写同上。 
   32.2 硬件设计 32.2.1 例程功能 在LCD显示屏上,我们能够看到XYZ的数据。当我们翻转开发板时,这些数据会根据开发板的翻转角度来计算出pitch俯仰角和roll翻滚角。 
 32.2.2 硬件资源 1. LED灯 LED-IO1 2. XL9555 IIC_SDA-IO41 IIC_SCL-IO42 3. 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) 4. QMA6100P SDA - IO41 CLK - IO42 IO RXIO - P01 
 32.2.3 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。 
 32.3 程序设计 32.3.1 程序流程图 程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程,对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图: 图32.3.1.1 QMA6100P实验程序流程图32.3.2 QMA6100P函数解析 这一章节除了涉及到GPIO、IIC的API函数,便没有再涉及到其他API函数。因此,有关GPIO和IIC的API函数介绍,请读者回顾此前的第十章与第十九章的内容。接下来,笔者将直接介绍QMA6100P的驱动代码。 
 32.3.3 QMA6100P驱动解析 在IDF版22_qma6100p例程中,作者在22_qma6100p\components\BSP路径下新增了一个QMA6100P文件夹,分别用于存放qma6100p.c、qma6100p.h这两个文件。其中,qma6100p.h文件负责声明QMA6100P相关的函数和变量,而qma6100p.c文件则实现了QMA6100P的驱动代码。下面,我们将详细解析这两个文件的实现内容。 1,qma6100p.h文件 该文件下包含了对QMA6100P的命令配置以及寄存器地址的相关定义。 复制代码#define QMA6100P_ADDR                     0x12      /* QMA6100P地址 */
/* QMA6100P命令 */
/* 获取ID,默认值为0x9x */
#define QMA6100P_REG_CHIP_ID              0x00
/* 数据寄存器,三轴数据,默认值为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
/* 带宽寄存器 */
#define QMA6100P_REG_BW_ODR               0x10
/* 电源管理寄存器 */
#define QMA6100P_REG_POWER_MANAGE        0x11
/* 加速度范围,设置加速度计的满刻度 */
#define QMA6100P_REG_RANGE                0x0f
/* 软件复位 */  
#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;                       /* 围绕X轴旋转,也叫做俯仰角 */
    float  roll;                       /* 围绕Z轴旋转,也叫翻滚角 */
}qma6100p_rawdata_t;
/* 设置量程寄存器 */
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;
/* 设置加速度寄存器 */
typedef enum
{
   QMA6100P_RANGE_2G =  0x01,
   QMA6100P_RANGE_4G =  0x02,
   QMA6100P_RANGE_8G =  0x04,
   QMA6100P_RANGE_16G = 0x08,
   QMA6100P_RANGE_32G = 0x0f
}qma6100p_range;
/* 设置复位寄存器 */
typedef enum
{
    QMA6100P_RESET =     0xB6,
   QMA6100P_RESET_END = 0x00,
}qma6100p_reset;
/* 设置中断 */
typedef enum
{
   QMA6100P_MAP_INT1,
   QMA6100P_MAP_INT2,
   QMA6100P_MAP_INT_NONE
}qma6100p_int_map;
/* 设置管理寄存器 */
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       无
* @retval      无
*/
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())   /* 检测不到qma6100p */
    {
        ESP_LOGE("qma6100p", "qma6100p init fail!!!");
        vTaskDelay(500);
    }
}
/**
* @brief       初始化qma6100p
* @param       无
* @retval      0, 成功;
                 1, 失败;
*/
uint8_t qma6100p_config(void)
{
static uint8_t id_data[2];
/* 读取设备ID,正常是0x90 */
   qma6100p_register_read(QMA6100P_REG_CHIP_ID, id_data, 1);
   
    /* qma6100p的初始化序列,请看手册“6.3 Initial sequence”章节 */
   qma6100p_register_write_byte(QMA6100P_REG_RESET, QMA6100P_RESET);
    vTaskDelay(5);
   qma6100p_register_write_byte(QMA6100P_REG_RESET, QMA6100P_RESET_END);
vTaskDelay(10);
    /* 读取设备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失败 */
    }
}
在qma6100_init()函数中,通过判断IIC初始化标志位,确认IIC是否已经初始化,如果没有则进行IIC初始化,已经初始化了则跳过。然后把IIC_SDA引脚和IIC_SCL引脚作为I2C_NUM_0的数据线和时钟线使用。然后调用了qma6100p_config函数,用于初始化和配置QMA6100P传感器模块。在qma6100p_config函数中,我们首先读取0x00寄存器来获取设备ID。然后,我们复位该设备并执行初始化序列(请参考规格书的6.3小节)。接下来,我们配置量程刻度、带宽、中断等参数。最后,我们检查读取的ID是否为0x90。如果是,则设备通信成功;否则,通信失败。 接下来我们来讲解一下对QMA6100P的IIC写时序函数,我们编写QMA6100P的IIC写时序函数,如下所示: 复制代码/**
* @brief       向qma6100p寄存器写数据
* @param       reg_addr     :要写入的寄存器地址
* @param       data         : 要写入的数据
* @retval      错误值         :0成功,其他值:错误
*/
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;
}
在上述源代码中,作者根据传入的IIC控制块,调用了IIC收发函数来发送QMA6100P的命令和数据。发送完成后,函数返回了ESP_OK状态。 接下来我们来讲解一下对QMA6100P的IIC读时序函数,我们编写QMA6100P的IIC读时序函数,如下所示: 复制代码/**
* @brief       读取qma6100p寄存器的数据
* @param       reg_addr     : 要读取的寄存器地址
* @param       data          :读取的数据
* @param       len            :数据大小
* @retval      错误值         :0成功,其他值:错误
*/
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;
}
同样地,QMA6100P的读时序也是利用IIC收发函数来实现的。写时序和读时序的唯一区别在于最后的flag标志位不同,从而导致发送流程有所不同。 下面是根据XYZ原始数据,使用特定的算法来计算pitch俯仰角和roll翻滚角,如下所示: 复制代码/**
* @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
*/
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   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
*/
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;
}
上述源码中,作者先读取三轴的XYZ原始数据,然后经过特定的算法计算出pitch俯仰角和roll翻滚角。 
 32.3.4 CMakeLists.txt文件 打开本实验BSP下的CMakeLists.txt文件,其内容如下所示: 复制代码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)
上述的红色QMA6100P驱动以及esp_adc依赖库需要由开发者自行添加,以确保QMA6100P驱动能够顺利集成到构建系统中。这一步骤是必不可少的,它确保了QMA6100P驱动的正确性和可用性,为后续的开发工作提供了坚实的基础。 
 32.3.5 实验应用代码 打开main/main.c文件,该文件定义了工程入口函数,名为app_main。该函数代码如下。 复制代码i2c_obj_t i2c0_master;
/**
* @brief       显示原始数据
* @param       x, y : 坐标
* @param       title: 标题
* @param       val : 值
* @retval      无
*/
void user_show_mag(uint16_t x, uint16_t y, char *title, float val)
{
    char buf[20];
sprintf(buf,"%s%3.1f", title, val);                   /* 格式化输出 */
/* 清除上次数据(最多显示20个字符,20*8=160) */
   lcd_fill(x + 30, y + 16, x + 160, y + 16, WHITE);
    lcd_show_string(x, y, 160, 16, 16, buf, BLUE);      /* 显示字符串 */
}
/**
* @brief       程序入口
* @param       无
* @retval      无
*/
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);          /* 初始化三轴加速度计 */
   
    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秒左右更新一次三轴原始值 */
        {   
           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();
        }
    }
}
从上述源码可知,我们首先初始化各个外设,如IIC、SPI、XL9555、QMA6100P和LCD等驱动,然后调用qma6100.qma6100p_read函数测量数据,最后调用qma6100p_acc_x等函数获取XYZG、pitch俯仰角和roll翻滚角数据,并在SPILCD上显示。。LED灯每隔200毫秒状态翻转,实现闪烁效果。 
 32.4 下载验证 程序下载到开发板后,LCD不断刷新三轴的原始数据、pitch俯仰角和roll翻滚角。当用户转动或翻转开发板时,pitch俯仰角和roll翻滚角会随之变化,如下图所示:   |