來源：嵌入式單片機(jī)MCU開發(fā)

概述

本文將介紹如何驅(qū)動和利用LIS2DW12三軸加速度計的傾斜檢測理論和傾斜角測量方法。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，這取決于它們各自的規(guī)格。

計算傾斜角度

加速度計廣泛用于消費電子和工業(yè)應(yīng)用中的傾斜檢測，如屏幕旋轉(zhuǎn)和汽車安全報警系統(tǒng)。低g加速度計的另一個廣泛用途是用于地圖轉(zhuǎn)換和個人導(dǎo)航設(shè)備的傾斜補償式電子羅盤。該應(yīng)用筆記描述了如何通過對一些可能導(dǎo)致角度傾斜計算錯誤的非理想因素進(jìn)行補償，從而準(zhǔn)確測量相對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量的加速度計的單一感應(yīng)軸。

加速度計測量重力向量在感應(yīng)軸上的映射。被測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 = 測量的加速度
? g = 地球的重力向量

加速度計的單軸（360°旋轉(zhuǎn)）顯示在下圖中。

單軸傾斜檢測

上圖可以看出，當(dāng)感應(yīng)軸垂直于重力方向時，傳感器對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，傳感器的靈敏度較低（對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

當(dāng)使用雙軸傾斜傳感方法時，用戶應(yīng)了解在兩種不同的情況下，這種方法可能會限制總體精度，甚至阻止傾斜計算。
例A：繞虛線箭頭將加速度計逆時針旋轉(zhuǎn)β角度。當(dāng)β小于 45°時，X軸靈敏度較
高，Y軸靈敏度較低。當(dāng)β大于 45°時，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，如果不借助第三個軸（例如Z
軸），就不可能區(qū)分30°的傾斜角和150°的傾斜角，因為X軸在這兩個傾斜角度具有相同的輸出。

三軸傾斜檢測

借助三軸加速度計，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。
有兩種方法計算圖 5中的三個傾角。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是將加速度計校準(zhǔn)應(yīng)用到原始測量數(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計算俯仰和滾轉(zhuǎn)傾斜角，在360度旋轉(zhuǎn)時保持恒定靈敏度。

通信模式

對于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通訊模式的時候，SA0是用來控制IIC的地址位的。
對于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)。

新建工程

工程模板

保存工程路徑

芯片配置

本文中使用R7FA4M2AD3CFL來進(jìn)行演示。

工程模板選擇

時鐘設(shè)置

開發(fā)板上的外部高速晶振為12M.

需要修改XTAL為12M。

UART配置

點擊Stacks->New Stack->Driver->Connectivity -> UART Driver on r_sci_uart。

UART屬性配置

設(shè)置e2studio堆棧

printf函數(shù)通常需要設(shè)置堆棧大小。這是因為printf函數(shù)在運行時需要使用棧空間來存儲臨時變量和函數(shù)調(diào)用信息。如果堆棧大小不足，可能會導(dǎo)致程序崩潰或不可預(yù)期的行為。
printf函數(shù)使用了可變參數(shù)列表，它會在調(diào)用時使用棧來存儲參數(shù)，在函數(shù)調(diào)用結(jié)束時再清除參數(shù)，這需要足夠的棧空間。另外printf也會使用一些臨時變量，如果棧空間不足，會導(dǎo)致程序崩潰。
因此，為了避免這類問題，應(yīng)該根據(jù)程序的需求來合理設(shè)置堆棧大小。

e2studio的重定向printf設(shè)置

在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，尤其是在使用GNU編譯器集合（GCC）時，–specs 參數(shù)用于指定鏈接時使用的系統(tǒng)規(guī)格（specs）文件。這些規(guī)格文件控制了編譯器和鏈接器的行為，尤其是關(guān)于系統(tǒng)庫和啟動代碼的鏈接。–specs=rdimon.specs 和 --specs=nosys.specs 是兩種常見的規(guī)格文件，它們用于不同的場景。
–specs=rdimon.specs
用途: 這個選項用于鏈接“Redlib”庫，這是為裸機(jī)（bare-metal）和半主機(jī)（semihosting）環(huán)境設(shè)計的C庫的一個變體。半主機(jī)環(huán)境是一種特殊的運行模式，允許嵌入式程序通過宿主機(jī)（如開發(fā)PC）的調(diào)試器進(jìn)行輸入輸出操作。
應(yīng)用場景: 當(dāng)你需要在沒有完整操作系統(tǒng)的環(huán)境中運行程序，但同時需要使用調(diào)試器來處理輸入輸出（例如打印到宿主機(jī)的終端），這個選項非常有用。
特點: 它提供了一些基本的系統(tǒng)調(diào)用，通過調(diào)試接口與宿主機(jī)通信。
–specs=nosys.specs
用途: 這個選項鏈接了一個非常基本的系統(tǒng)庫，這個庫不提供任何系統(tǒng)服務(wù)的實現(xiàn)。
應(yīng)用場景: 適用于完全的裸機(jī)程序，其中程序不執(zhí)行任何操作系統(tǒng)調(diào)用，比如不進(jìn)行文件操作或者系統(tǒng)級輸入輸出。
特點: 這是一個更“裸”的環(huán)境，沒有任何操作系統(tǒng)支持。使用這個規(guī)格文件，程序不期望有操作系統(tǒng)層面的任何支持。
如果你的程序需要與宿主機(jī)進(jìn)行交互（如在開發(fā)期間的調(diào)試），并且通過調(diào)試器進(jìn)行基本的輸入輸出操作，則使用 --specs=rdimon.specs。
如果你的程序是完全獨立的，不需要任何形式的操作系統(tǒng)服務(wù)，包括不進(jìn)行任何系統(tǒng)級的輸入輸出，則使用 --specs=nosys.specs。

R_SCI_UART_Open()函數(shù)原型

故可以用 R_SCI_UART_Open()函數(shù)進(jìn)行配置，開啟和初始化UART。

/* Open the transfer instance with initial configuration. */ err = R_SCI_UART_Open(&g_uart9_ctrl, &g_uart9_cfg); assert(FSP_SUCCESS == err);

回調(diào)函數(shù)user_uart_callback ()

當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送的時候，可以查看UART_EVENT_TX_COMPLETE來判斷是否發(fā)送完畢。

可以檢查檢查 "p_args" 結(jié)構(gòu)體中的 "event" 字段的值是否等于 "UART_EVENT_TX_COMPLETE"。如果條件為真，那么 if 語句后面的代碼塊將會執(zhí)行。

fsp_err_t err = FSP_SUCCESS; volatile bool uart_send_complete_flag = false; void user_uart_callback (uart_callback_args_t * p_args) { if(p_args- >event == UART_EVENT_TX_COMPLETE) { uart_send_complete_flag = true; } }

printf輸出重定向到串口

打印最常用的方法是printf，所以要解決的問題是將printf的輸出重定向到串口，然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 注意一定要加上頭文件#include

#ifdef __GNUC__ //串口重定向 #define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch) #else #define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f) #endif PUTCHAR_PROTOTYPE { err = R_SCI_UART_Write(&g_uart9_ctrl, (uint8_t *)&ch, 1); if(FSP_SUCCESS != err) __BKPT(); while(uart_send_complete_flag == false){} uart_send_complete_flag = false; return ch; } int _write(int fd,char *pBuffer,int size) { for(int i=0;i< size;i++) { __io_putchar(*pBuffer++); } return size; }

IIC屬性配置

查看手冊，可以得知LIS2DW12的IIC地址為“0011000” 或者 “0011001”，即0x18或0x19。

初始換管腳

由于需要向LIS2DW12_I2C_ADD_L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為低電平。

R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_00_PIN_00, BSP_IO_LEVEL_HIGH); R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_00_PIN_01, BSP_IO_LEVEL_LOW);

IIC配置

配置RA4M2的I2C接口，使其作為I2C master進(jìn)行通信。 查看開發(fā)板原理圖，對應(yīng)的IIC為P407和P408。

點擊Stacks->New Stack->Connectivity -> I2C Master(r_iic_master)。

設(shè)置IIC的配置，需要注意從機(jī)的地址。

R_IIC_MASTER_Open()函數(shù)原型

R_IIC_MASTER_Open()函數(shù)為執(zhí)行IIC初始化，開啟配置如下所示。

/* Initialize the I2C module */ err = R_IIC_MASTER_Open(&g_i2c_master0_ctrl, &g_i2c_master0_cfg); /* Handle any errors. This function should be defined by the user. */ assert(FSP_SUCCESS == err);

R_IIC_MASTER_Write()函數(shù)原型

R_IIC_MASTER_Write()函數(shù)是向IIC設(shè)備中寫入數(shù)據(jù)，寫入格式如下所示。

err = R_IIC_MASTER_Write(&g_i2c_master0_ctrl, ?, 1, true); assert(FSP_SUCCESS == err);

R_IIC_MASTER_Read()函數(shù)原型

R_SCI_I2C_Read()函數(shù)是向IIC設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)，讀取格式如下所示。

/* Read data from I2C slave */ err = R_IIC_MASTER_Read(&g_i2c_master0_ctrl, bufp, len, false); assert(FSP_SUCCESS == err);

sci_i2c_master_callback()回調(diào)函數(shù)

對于數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，可以查看是否獲取到I2C_MASTER_EVENT_TX_COMPLETE字段。

/* Callback function */ i2c_master_event_t i2c_event = I2C_MASTER_EVENT_ABORTED; uint32_t timeout_ms = 100000; void sci_i2c_master_callback(i2c_master_callback_args_t *p_args) { i2c_event = I2C_MASTER_EVENT_ABORTED; if (NULL != p_args) { /* capture callback event for validating the i2c transfer event*/ i2c_event = p_args- >event; } }

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)。

對應(yīng)的獲取ID驅(qū)動程序,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)。

對應(yīng)的驅(qū)動程序,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完整的數(shù)據(jù)值。例如，在一個加速度計中，MSB和LSB可能共同表示一個加速度的測量值。
連續(xù)更新模式（BDU = ‘0’）：在默認(rèn)模式下，輸出寄存器的值會持續(xù)不斷地被更新。這意味著在你讀取MSB和LSB的時候，寄存器中的數(shù)據(jù)可能會因為新的測量數(shù)據(jù)而更新。這可能導(dǎo)致一個問題：當(dāng)你讀取MSB時，如果寄存器更新了，接下來讀取的LSB可能就是新的測量值的一部分，而不是與MSB相對應(yīng)的值。這樣，你得到的就是一個“拼湊”的數(shù)據(jù)，它可能無法準(zhǔn)確代表任何實際的測量時刻。
塊數(shù)據(jù)更新（BDU）模式（BDU = ‘1’）：當(dāng)激活BDU功能時，輸出寄存器中的內(nèi)容不會在讀取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是同一測量時刻的數(shù)據(jù)，避免了讀取到代表不同采樣時刻的數(shù)據(jù)。
簡而言之，BDU位的作用是確保在讀取數(shù)據(jù)時，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誤的數(shù)據(jù)。這對于需要高精度和穩(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。

對應(yīng)的驅(qū)動程序,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：這兩個位用于設(shè)置傳感器的量程。量程決定了傳感器可以測量的最大加速度值。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。

對應(yīng)的驅(qū)動程序,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);：這個調(diào)用設(shè)置加速度計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)的實時性和功耗。

/* 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, ?);：這個函數(shù)調(diào)用檢查加速度計是否有新的數(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);：這個函數(shù)調(diào)用實際讀取加速度計的原始數(shù)據(jù)，并存儲在 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 加速度計通常會有一個固定的位分辨率，比如 16 位（即輸出值是一個 16 位的整數(shù)）。這意味著加速度計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，這個范圍（4g 或者 4000 mg）被分成了 65536 個步長。

● 每個步長的大小是 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。這個轉(zhuǎn)換對于將加速度計的原始讀數(shù)轉(zhuǎn)換為實際的物理測量值是必需的。

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]); } R_BSP_SoftwareDelay(100, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); }

計算傾角

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: %.2f °n", x_angle); printf("Y: %.2f °n", y_angle); printf("Z: %.2f °n", z_angle); } R_BSP_SoftwareDelay(100, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); }

演示

在平放時候數(shù)據(jù)如下所示。