概述
本文將介紹如何驅(qū)動(dòng)和利用LIS2DW12三軸加速度計(jì)的傾斜檢測(cè)理論和傾斜角測(cè)量方法。一般來說,這里描述的程序也可以應(yīng)用于三軸模擬或數(shù)字加速度計(jì),這取決于它們各自的規(guī)格。
最近在弄ST和瑞薩RA的課程,需要樣片的可以加群申請(qǐng):615061293 。
視頻教學(xué)
[https://www.bilibili.com/video/BV1Uw411E77H/]
樣品申請(qǐng)
[https://www.wjx.top/vm/OhcKxJk.aspx#]
源碼下載
[https://download.csdn.net/download/qq_24312945/88740618]
計(jì)算傾斜角度
加速度計(jì)廣泛用于消費(fèi)電子和工業(yè)應(yīng)用中的傾斜檢測(cè),如屏幕旋轉(zhuǎn)和汽車安全報(bào)警系統(tǒng)。低g加速度計(jì)的另一個(gè)廣泛用途是用于地圖轉(zhuǎn)換和個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備的傾斜補(bǔ)償式電子羅盤。該應(yīng)用筆記描述了如何通過對(duì)一些可能導(dǎo)致角度傾斜計(jì)算錯(cuò)誤的非理想因素進(jìn)行補(bǔ)償,從而準(zhǔn)確測(cè)量相對(duì)于本地地球水平面的傾斜角度。
工作原理
下圖顯示用于傾斜測(cè)量的加速度計(jì)的單一感應(yīng)軸。
下圖顯示用于傾斜測(cè)量的加速度計(jì)的單一感應(yīng)軸。
加速度計(jì)測(cè)量重力向量在感應(yīng)軸上的映射。被測(cè)加速度的振幅隨感應(yīng)軸與水平面的夾角α的正弦值的變化而變化。 A=g*sin(α) 使用上面公式可以估算傾斜角度。 α=arcsin(A/g) 其中: ? A = 測(cè)量的加速度 ? g = 地球的重力向量
加速度計(jì)的單軸(360°旋轉(zhuǎn))顯示在下圖中。
單軸傾斜檢測(cè)
上圖可以看出,當(dāng)感應(yīng)軸垂直于重力方向時(shí),傳感器對(duì)傾斜角度的變化最敏感。在這種情況下,靈敏度約為17.45 mg/° [= sin(1°) - sin(0°)]。由于正弦函數(shù)的導(dǎo)數(shù)函數(shù),當(dāng)感應(yīng)軸接近其 +1 g 或 -1 g位置時(shí),傳感器的靈敏度較低(對(duì)傾斜角度變化的響應(yīng)較慢)。在這種情況下,靈敏度僅有0.15 mg/° [= sin(90°) - sin(89°)]。表 1顯示不同傾斜角度下的靈敏度。也就是說,如上圖所示,正弦函數(shù)在[0° 45°]、[135° 225°]和[315°360°]處具有良好的線性度。
雙軸傾斜檢測(cè)
當(dāng)使用雙軸傾斜傳感方法時(shí),用戶應(yīng)了解在兩種不同的情況下,這種方法可能會(huì)限制總體精度,甚至阻止傾斜計(jì)算。 例A:繞虛線箭頭將加速度計(jì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)β角度。當(dāng)β小于 45°時(shí),X軸靈敏度較 高,Y軸靈敏度較低。當(dāng)β大于 45°時(shí),X軸靈敏度較低,Y軸靈敏度較高。因此,如果使用兩軸方法,通常建議根據(jù)正交軸±1 g條件計(jì)算角度。 例B:在此位置,X軸和Y軸的靈敏度都很高。但是,如果不借助第三個(gè)軸(例如Z 軸),就不可能區(qū)分30°的傾斜角和150°的傾斜角,因?yàn)閄軸在這兩個(gè)傾斜角度具有相同的輸出。
三軸傾斜檢測(cè)
借助三軸加速度計(jì),用戶可以組合使用Z軸與X軸和Y軸進(jìn)行傾斜感應(yīng),以提高傾斜靈敏度和精度。 有兩種方法計(jì)算圖 5中的三個(gè)傾角。第一種方法是利用基本三角函數(shù)公式3、4和5,其中Ax1、Ay1和Az1是將加速度計(jì)校準(zhǔn)應(yīng)用到原始測(cè)量數(shù)據(jù)后得到的值(Ax、Ay、Az):
第二種方法是利用三角函數(shù)公式6和7計(jì)算俯仰和滾轉(zhuǎn)傾斜角,在360度旋轉(zhuǎn)時(shí)保持恒定靈敏度。
通信模式
對(duì)于LIS2DW12,可以使用SPI或者IIC進(jìn)行通訊。 最小系統(tǒng)圖如下所示。
在CS管腳為1的時(shí)候,為IIC模式。
本文使用的板子原理圖如下所示。
管腳定義
IIC通信模式
在使用IIC通訊模式的時(shí)候,SA0是用來控制IIC的地址位的。 對(duì)于IIC的地址,可以通過SDO/SA0引腳修改。SDO/SA0引腳可以用來修改設(shè)備地址的最低有效位。如果SDO/SA0引腳連接到電源電壓,LSb(最低有效位)為'1'(地址0011001b);否則,如果SDO/SA0引腳連接到地線,LSb的值為'0'(地址0011000b)。
對(duì)應(yīng)的IIC接口如下所示。 主要使用的管腳為CS、SCL、SDA、SA0。
速率
該模塊支持的速度為普通模式(100k)和快速模式(400k)。
生成STM32CUBEMX
用STM32CUBEMX生成例程,這里使用MCU為STM32WB55RG。 配置時(shí)鐘樹,配置時(shí)鐘為32M。
串口配置
查看原理圖,PB6和PB7設(shè)置為開發(fā)板的串口。
配置串口。
IIC配置
配置IIC為快速模式,速度為400k。
CS和SA0設(shè)置
串口重定向
打開魔術(shù)棒,勾選MicroLIB
在main.c中,添加頭文件,若不添加會(huì)出現(xiàn) identifier "FILE" is undefined報(bào)錯(cuò)。
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */
函數(shù)聲明和串口重定向:
/* USER CODE BEGIN PFP */
int fputc(int ch, FILE *f){
HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
return ch;
}
/* USER CODE END PFP */
參考程序
[https://github.com/STMicroelectronics/lis2dw12-pid]
初始換管腳
由于需要向LIS2DW12_I2C_ADD_H寫入以及為IIC模式。
所以使能CS為高電平,配置為IIC模式。 配置SA0為高電平。
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, SA0_Pin, GPIO_PIN_SET);
獲取ID
我們可以向WHO_AM_I (0Fh)獲取固定值,判斷是否為0x44。
lis2dw12_device_id_get為獲取函數(shù)。
對(duì)應(yīng)的獲取ID驅(qū)動(dòng)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_ID=0x%x,whoamI=0x%x",LIS2DW12_ID,whoamI);
if (whoamI != LIS2DW12_ID)
while (1) {
/* manage here device not found */
}
復(fù)位操作
可以向CTRL2 (21h)的SOFT_RESET寄存器寫入1進(jìn)行復(fù)位。
lis2dw12_reset_set為重置函數(shù)。
對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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設(shè)置
在很多傳感器中,數(shù)據(jù)通常被存儲(chǔ)在輸出寄存器中,這些寄存器分為兩部分:MSB和LSB。這兩部分共同表示一個(gè)完整的數(shù)據(jù)值。例如,在一個(gè)加速度計(jì)中,MSB和LSB可能共同表示一個(gè)加速度的測(cè)量值。
連續(xù)更新模式(BDU = ‘0’):在默認(rèn)模式下,輸出寄存器的值會(huì)持續(xù)不斷地被更新。這意味著在你讀取MSB和LSB的時(shí)候,寄存器中的數(shù)據(jù)可能會(huì)因?yàn)樾碌臏y(cè)量數(shù)據(jù)而更新。這可能導(dǎo)致一個(gè)問題:當(dāng)你讀取MSB時(shí),如果寄存器更新了,接下來讀取的LSB可能就是新的測(cè)量值的一部分,而不是與MSB相對(duì)應(yīng)的值。這樣,你得到的就是一個(gè)“拼湊”的數(shù)據(jù),它可能無法準(zhǔn)確代表任何實(shí)際的測(cè)量時(shí)刻。
塊數(shù)據(jù)更新(BDU)模式(BDU = ‘1’):當(dāng)激活BDU功能時(shí),輸出寄存器中的內(nèi)容不會(huì)在讀取MSB和LSB之間更新。這就意味著一旦開始讀取數(shù)據(jù)(無論是先讀MSB還是LSB),寄存器中的那一組數(shù)據(jù)就被“鎖定”,直到兩部分都被讀取完畢。這樣可以確保你讀取的MSB和LSB是同一測(cè)量時(shí)刻的數(shù)據(jù),避免了讀取到代表不同采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)。
簡(jiǎn)而言之,BDU位的作用是確保在讀取數(shù)據(jù)時(shí),輸出寄存器的內(nèi)容保持穩(wěn)定,從而避免讀取到拼湊或錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。這對(duì)于需要高精度和穩(wěn)定性的應(yīng)用尤為重要。
可以向CTRL2 (21h)的BDU寄存器寫入1進(jìn)行開啟。
對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,如下所示。
/* Enable Block Data Update */
lis2dw12_block_data_update_set(&dev_ctx, PROPERTY_ENABLE);
設(shè)置傳感器的量程
FS[1:0] - 全量程選擇:這兩個(gè)位用于設(shè)置傳感器的量程。量程決定了傳感器可以測(cè)量的最大加速度值。例如,量程可以設(shè)置為±2g、±4g、±8g或±16g。這允許用戶根據(jù)應(yīng)用的特定需求調(diào)整傳感器的靈敏度。
對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序,如下所示。
/* Set full scale */
lis2dw12_full_scale_set(&dev_ctx, LIS2DW12_2g);
配置過濾器鏈
lis2dw12_filter_path_set(&dev_ctx, LIS2DW12_LPF_ON_OUT);:設(shè)置加速度計(jì)輸出的過濾器路徑。這里選擇了輸出上的低通濾波器(LPF),用于去除高頻噪聲。
lis2dw12_filter_bandwidth_set(&dev_ctx, LIS2DW12_ODR_DIV_4);:設(shè)置過濾器的帶寬。這里的設(shè)置是將輸出數(shù)據(jù)率(ODR)除以4,進(jìn)一步?jīng)Q定了濾波器的截止頻率。
配置電源模式
lis2dw12_power_mode_set(&dev_ctx, LIS2DW12_HIGH_PERFORMANCE);:這個(gè)調(diào)用設(shè)置加速度計(jì)的電源模式為高性能模式。這通常意味著更高的功耗,但提供更精確的測(cè)量。
設(shè)置輸出數(shù)據(jù)速率
lis2dw12_data_rate_set(&dev_ctx, LIS2DW12_XL_ODR_25Hz);:設(shè)置加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)速率為每秒25次。輸出數(shù)據(jù)速率決定了傳感器多久采集一次數(shù)據(jù),并影響數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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);
輪詢獲取加速度
檢查新數(shù)據(jù)是否可用:
lis2dw12_flag_data_ready_get(&dev_ctx, ®);:這個(gè)函數(shù)調(diào)用檢查加速度計(jì)是否有新的數(shù)據(jù)可讀。如果有新數(shù)據(jù),reg 變量將被設(shè)置為非零值。
主要為讀取STATUS (27h)的DRDY位。
如果 reg 是非零的,說明有新的加速度數(shù)據(jù)可讀。
lis2dw12_acceleration_raw_get(&dev_ctx, data_raw_acceleration);:這個(gè)函數(shù)調(diào)用實(shí)際讀取加速度計(jì)的原始數(shù)據(jù),并存儲(chǔ)在 data_raw_acceleration 數(shù)組中。
數(shù)據(jù)在28h-2Dh中。
加速度數(shù)據(jù)首先以原始格式(通常是整數(shù))讀取,然后需要轉(zhuǎn)換為更有意義的單位,如毫重力(mg)。這里的轉(zhuǎn)換函數(shù) lis2dw12_from_fs2_to_mg() 根據(jù)加速度計(jì)的量程(這里假設(shè)為±2g)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為毫重力單位。
acceleration_mg[0] = lis2dw12_from_fs2_to_mg(data_raw_acceleration[0]); 等三行代碼分別轉(zhuǎn)換 X、Y、Z 軸的加速度數(shù)據(jù)。
● LIS2DW12 加速度計(jì)通常會(huì)有一個(gè)固定的位分辨率,比如 16 位(即輸出值是一個(gè) 16 位的整數(shù))。這意味著加速度計(jì)可以輸出的不同值的總數(shù)是 2^16=65536。這些值均勻地分布在 -2g 到 +2g 的范圍內(nèi)。
● 因此,這個(gè)范圍(4g 或者 4000 mg)被分成了 65536 個(gè)步長(zhǎng)。
● 每個(gè)步長(zhǎng)的大小是 4000 mg/65536≈0.061 mg/LSB
所以,函數(shù)中的乘法 ((float_t)lsb) * 0.061f 是將原始的整數(shù)值轉(zhuǎn)換為以毫重力(mg)為單位的加速度值。這個(gè)轉(zhuǎn)換對(duì)于將加速度計(jì)的原始讀數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理測(cè)量值是必需的。
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
uint8_t reg;
/* Read output only if new value is available */
lis2dw12_flag_data_ready_get(&dev_ctx, ®);
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=%4.2ftY=%4.2ftZ=%4.2frn",acceleration_mg[0], acceleration_mg[1], acceleration_mg[2]);
}
HAL_Delay(100);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
計(jì)算傾角
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
uint8_t reg;
/* Read output only if new value is available */
lis2dw12_flag_data_ready_get(&dev_ctx, ®);
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=%4.2ftY=%4.2ftZ=%4.2frn",acceleration_mg[0], acceleration_mg[1], acceleration_mg[2]);
float g = 1000;
// 計(jì)算X軸的傾角
float x_angle = atan(acceleration_mg[0] / sqrt(acceleration_mg[1] * acceleration_mg[1] + acceleration_mg[2] * acceleration_mg[2]));
// 計(jì)算Y軸的傾角
float y_angle = atan(acceleration_mg[1] / sqrt(acceleration_mg[0] * acceleration_mg[0] + acceleration_mg[2] * acceleration_mg[2]));
// 計(jì)算Z軸的傾角
float z_angle = atan(acceleration_mg[2] / sqrt(acceleration_mg[0] * acceleration_mg[0] + acceleration_mg[1] * acceleration_mg[1]));
// 將弧度轉(zhuǎn)換為度數(shù)
x_angle = x_angle * 180.0 / 3.14159265;
y_angle = y_angle * 180.0 / 3.14159265;
z_angle = z_angle * 180.0 / 3.14159265;
// 打印結(jié)果
printf("X軸傾角: %.2f 度n", x_angle);
printf("Y軸傾角: %.2f 度n", y_angle);
printf("Z軸傾角: %.2f 度n", z_angle);
}
HAL_Delay(100);
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
演示
在平放時(shí)候數(shù)據(jù)如下所示。
審核編輯 黃宇
-
mems
+關(guān)注
關(guān)注
129文章
3931瀏覽量
190628 -
加速度計(jì)
+關(guān)注
關(guān)注
6文章
702瀏覽量
45897 -
stm32cubemx
+關(guān)注
關(guān)注
5文章
283瀏覽量
14809
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論