第三十二章 IIC_QMA6100P实验
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。
图32.1.1 QMA6100P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。
图32.1.1 QMA6100P管脚描述
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：
图32.1.2 设备地址的选择
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32.1.3.1 QMA6100P写寄存器时序
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32.1.3.2 QMA6100P读寄存器时序
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
- LED灯
LED-IO1
- XL9555
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42
- SPILCD
CS-IO21
SCK-IO12
SDA-IO11
DC-IO40（在P5端口，使用跳线帽将IO_SET和LCD_DC相连）
PWR- IO1_3（XL9555）
RST- IO1_2（XL9555）
- QMA6100P
SDA - IO41
CLK - IO42
IO RXIO - P01
32.2.3 原理图
QMA6100P原理图，如下图所示。
图32.2.3.1 QMA6100P原理图
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。
#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](http://www.openedv.com/home.php?mod=space&uid=271674) 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：
/**
* @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：
/**
* @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：
/**
* @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：
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。
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:
图32.4.1 QMA6100P实验测试图
