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外观

I2C协议 ​

本节介绍 ​

📝本节您将学习​​I2C（Inter-Integrated Circuit）总线协议​​的核心原理与工程实践，掌握​​TMS320F28P550​​的​​双I2C外设模块​​特性，并通过​​SysConfig图形化工具​​实现板载姿态传感器数据采集与实时输出。

🏆本章目标

1️⃣理解I2C协议时序（起始/停止条件、ACK/NACK、时钟同步等）及主从架构。

2️⃣熟悉F28P550的I2C硬件特性（超快模式1MHz SCL、仲裁机制、FIFO缓冲）。

3️⃣掌握软件I2C（GPIO模拟）与硬件I2C（专用外设）的差异及适用场景。

4️⃣实战应用：配置I2C读取板载姿态传感器（LSM6DS3），在​​CCS的CIO窗口​​输出欧拉角/加速度数据。

I2C协议介绍 ​

IIC（Inter-Integrated Circuit）协议也称为I2C总线，是一种串行通信协议，通常用于连接低速外设。它由Philips（现在的NXP Semiconductors）公司于1980年代初开发，现在已经成为一个标准。IIC总线只需要两条数据线，分别是串行数据线（SDA）和串行时钟线（SCL），这使得它成为一种非常简单的接口。它适用基于芯片的通信，例如连接传感器、存储器或数字信号处理器等。

在IIC协议中，总线上有一个主设备和多个从设备。主设备掌控着总线上的通信过程，负责发起、控制、停止通信。而从设备则需要等待主设备的请求，接收或发送数据。主设备和从设备之间的数据交换采用帧格式，每个帧通常包含地址、数据和控制信息。主设备根据从设备的地址来选中要通信的设备，从设备则根据控制信息进行相应的操作。IIC协议可以支持多个从设备连接到同一个主设备，为系统设计提供了更大的灵活性。

I2C的硬件实现 ​

  I2C总线通常使用两种电压电平，即高电平（VH）和低电平（VL）。高电平为2.5V至5.5V，低电平为0V至0.3V；这些电压电平范围是根据I2C规范确定的。I2C总线有不同的传输速率可选，包括标准模式（100 kbps）、快速模式（400 kbps）以及高速模式。传输速率的选择取决于应用的需求和设备的支持能力。为避免信号冲突，微处理器(MCU）必须只能驱动SDA和 SCL在低电平，即开漏输出。设置为开漏模式主要是为了保护器件和防止干扰。

  • 防止干扰：多个器件共享同一条数据线（SDA）和同一条时钟线（SCL），如果采用推挽输出模式，多个器件的输出将会叠加在数据线上，造成信号干扰，严重时会损坏器件或导致通信错误。而采用开漏输出模式，则各个器件的输出只有拉低数据线的部分，不会干扰彼此，从而提高了总线的可靠性和抗干扰能力。
  • 防止短路：在开漏输出模式下，由于器件的输出只有拉低数据线的部分，如果两个或多个器件同时输出，也不会造成短路。而如果采用推挽输出模式，两个或多个器件同时输出时，可能会形成短路。比如主设备输出高电平，从设备输出低电平。
  •   因设置为开漏模式，需要连接一个外部的上拉电阻（例如:10k)将信号提拉至高电平。故I2C总线中的SDA（数据线）和SCL（时钟线）通常都连接了上拉电阻，以确保逻辑高电平的稳定性。上拉电阻的阻值通常在2.2kΩ至10kΩ之间，具体取决于总线的电容负载和通信距离。

  I2C总线的最大线缆长度和传输容量受到一定限制。在标准模式下，最大线缆长度大约在1米左右，而在快速模式下，最大线缆长度约为0.3米。此外，线缆上的总线容量也会对传输速率产生影响。

I2C数据传输 ​

IIC只有两根通信线，因此它数据传输是基于时钟信号的。各个设备在时钟信号的控制下进行数据的收发操作。下面是IIC总线的几个重要的时序：

起始信号：SCL在高电平的状态下，SDA的电平由高转低，表示开始一次通信。

C
void IIC_Start(void)
{
    SDA_OUT();//设置SDA为输出模式
    SDA(1);
    SCL(1);
    delay_us(5);
    SDA(0);
    delay_us(5);
    SCL(0);
    delay_us(5);
}

停止信号：SCL在高电平的状态下，SDA的电平由低转高，表示结束这次通信。主设备在发送停止信号后不能再向从设备发送任何数据，除非再次发送起始信号。

C
void IIC_Stop(void)
{
    SDA_OUT();
    SCL(0);
    SDA(0);
    SCL(1);
    delay_us(5);
    SDA(1);
    delay_us(5);
}

数据传输：主设备和从设备进行数据的传输，可以是一个或多个字节的数据，发送和接收都是基于地址选择的。

C
//发送一个字节
void IIC_Send_Byte(uint8_t dat)
{
    int i = 0;
    SDA_OUT();
    SCL(0);
    for( i = 0; i < 8; i++ )
    {
        SDA( (dat & 0x80) >> 7 );
        delay_us(1);
        SCL(1);
        delay_us(5);
        SCL(0);
        delay_us(5);
        dat<<=1;
    }
}
C
//接收一个字节
unsigned char IIC_Read_Byte(void)
{
    unsigned char i,receive=0;
    SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
    {
        SCL(0);
        delay_us(5);
        SCL(1);
        delay_us(5);
        receive<<=1;
        if( SDA_GET() )
        {
            receive |= 1;
        }
    }
    SCL(0);
    return receive;
}

I2C还提供了一种称为“ACK/NACK”（应答/非应答）的确认机制。如果一个设备接收到数据，它将通过在SDA线上拉低电平来发送一个应答信号以通知发送方数据已被接收。相反，如果数据被损坏或未接收，接收设备将发送非应答信号。（在SDA上保持高电平）。

C
//主机发送应答信号
void IIC_Send_Ack(void)
{
    SDA_OUT();
    SCL(0);
    SDA(1);
    SDA(0);
    SCL(1);
    delay_us(5);
    SCL(0);
    SDA(1);
}
C
//主机发送非应答信号
void IIC_Send_Nack(void)
{
    SDA_OUT();
    SCL(0);
    SDA(0);
    SDA(1);
    SCL(1);
    delay_us(5);
    SCL(0);
    SDA(0);
}
c
//主机等待从机的应答信号
//函 数 返 回：1=无应答   0=有应答
uint8_t IIC_Wait_Ack(void)
{
  char ack = 0;
  unsigned char ack_flag = 10;
  SDA_IN();
  SCL(0);
  delay_us(5);
  SCL(1);
  delay_us(5);
  while( (SDA_GET()==1) && ( ack_flag ) )
  {
          ack_flag--;
          delay_us(5);
  }

  if( ack_flag <= 0 )
  {
          IIC_Stop();
          return 1;
  }
  else
  {
          SCL(0);
          SDA_OUT();
  }
  return ack;
}

在IIC总线中，时钟线由主设备控制，每个数据位在时钟边沿更新，传输的最高速率取决于总线上最慢的设备。一般来讲，IIC总线的通信速率比较慢，通常在几百kbps的范围内。如果需要更高的传输速率，可以采用其他通信协议，如SPI协议、CAN协议等。

通信流程 ​

I2C通信流程按照以下步骤进行：

  • 主控向总线发送开始信号。
  • 主控将要通信的设备地址和读写位（R/W）发送到总线上。
  • 设备接收到地址后发送应答信号，主控接收到应答信号后发送数据或继续发送地址。
  • 设备接收到数据后发送应答信号，主控接收到应答信号后可以继续发送数据或者停止通信。
  • 主控向总线发送停止信号。

IIC基本参数 ​

速率： I2C总线有标准模式（100 kbit/s）和快速模式（400 kbit/s）两种传输模式，还有更快的扩展模式和高速模式可供选择。

器件地址： 每个设备都有唯一的7位或10位地址，可以通过地址选择来确定与谁进行通信。

总线状态： I2C总线有五种状态，分别是空闲状态、起始信号、结束信号、响应信号、数据传输。

数据格式： I2C总线有两种数据格式，标准格式和快速格式。标准格式是8位数据字节加上1位ack/nack（应答/非应答）位，快速格式允许两个字节同时传输。

由于SCL和SDA线是双向的，它们也可能会由于外部原因（比如线路中的电容等）出现电平误差，而从而导致通信出错。因此，在IIC总线中，通常使用上拉电阻来保证信号线在空闲状态下的电平为高电平。

硬件I2C ​

TMS320F28P550的 I2C 支持主从模式，有7位和10位地址位可以设置，数据传输速率从 10kbps 到高达 400Kbps（快速模式）。 无论是主机或者从机，发送和接收都有独立的16个字节的接收与发送FIFO。

软件I2C与硬件I2C ​

I2C协议可以通过软件实现或者硬件实现。这两种方式的区别在于实现的方法和所需的硬件资源。

软件I2C ​

  软件I2C是指通过在程序中编写代码来实现I2C通信协议。它利用通用输入输出（GPIO）引脚来模拟I2C的数据线（SDA）和时钟线（SCL），通过软件控制引脚的电平变化来传输数据和生成时序信号。与硬件I2C相比，软件I2C的优势在于不需要特定的硬件支持，可以在任何支持GPIO功能的微控制器上实现。它利用了微控制器的通用IO引脚来实现I2C通信协议。

  软件I2C的实现通过编程方式来模拟I2C的主机和从机设备。通过逐位地读取和写入GPIO引脚的状态，并根据I2C协议的时序要求进行相应的操作，实现数据的传输和通信。软件I2C的灵活性较高，可以根据应用需求进行定制和扩展。它可以处理多个从机设备，并支持多主机环境。因此，软件I2C广泛应用于资源受限的MCU系统，特别是那些需要与多个外部设备进行通信的应用。

  尽管软件I2C的性能相对于硬件I2C较低，但在一些低速通信和简单通信需求的场景下，软件I2C是一种经济实用的解决方案。

硬件I2C ​

  硬件I2C是指通过专门的硬件模块来处理I2C通信协议。大多数现代微控制器和一些外部设备已经集成了硬件I2C模块，这些硬件模块负责处理I2C通信的细节，包括生成正确的时序信号、自动处理信号冲突、数据传输和错误检测等。可以直接使用硬件引脚连接，无需编写时序的代码。

  使用硬件I2C通常相对简单，开发者无需编写复杂的代码来处理通信协议的细节。硬件模块可以直接与外部设备连接，通过专用的引脚进行数据和时钟传输，从而实现高效且可靠的通信。

  在选择软件I2C还是硬件I2C时，需要考虑应用需求和硬件资源。软件I2C适用于资源受限的系统，可以在任何支持GPIO的微控制器上实现，但相对性能较低。硬件I2C通常性能更好，但需要硬件支持，并且可能占据一些特定的引脚资源。

IIC优缺点 ​

优点 ​

双向传输： I2C总线支持双向传输，可以通过SDA线同时传输主设备和从设备之间的数据，节约了总线的资源。

系统集成： I2C总线可以快速集成到芯片中，减少系统实现的逻辑复杂性，提高了设计效率。

多设备共享： I2C总线可以通过地址传输实现多个设备与主控器的通信，使得多个设备可以共享总线，并直接交互。

高可靠性： I2C总线使用逻辑层次的代替电气信号来表示数据传输，具有更高的传输可靠性。

缺点 ​

带宽不高： I2C总线的传输速度限制在400 kbps，相比较于SPI总线和CAN总线，带宽相对较低。

时序要求严格： I2C总线传输数据需要严格遵循时序要求，特别是在高速传输过程，时序容易受到干扰，造成通信失败。

最长电缆长度有限： 虽然I2C总线可以通过中继器扩展总线长度，但是由于信号线受到干扰，信号衰减和时序要求等问题，电缆最长长度一般限制在1~2米之间。

总之，I2C总线具有双向传输、系统集成、多设备共享等优点，但传输速度相对较低，时序要求严格且最长电缆长度有限等缺点。

I2C应用 ​

I2C总线是应用最广泛的通信接口之一，以下是几个常见的应用例子：

  1. 温度计传感器：常见的温度计传感器，如SHT31、LM75等，都采用I2C接口，其通过I2C总线将温度数据传输到主控器进行处理。
  2. LED驱动器：LED驱动器，如PCA9685，常用于控制LED灯的亮度和颜色，其通过I2C总线和主控器通信，可实现快速和精确定时。
  3. OLED显示屏：OLED显示屏通过I2C总线与主控器通信，可实现高清晰度的图形显示，应用于像表盘、智能手表、电子血压计等低功耗设备之中。
  4. 触摸屏控制器：常见的15寸及以下触摸屏控制器，如STMPE610，都采用I2C接口，这些控制器可提供触摸检测和X/Y坐标的读取等功能。
  5. 电流电压采集：电流或电压采集芯片，如INA219，可通过I2C总线和主控器通信，实现精确高速的电流电压数据采集，应用于电源管理和工业自动化等领域。

上述只是常见的应用例子之一，I2C总线在许多领域都有广泛的应用，具有性价比高、易于移植等优点。

案例实验介绍 ​

以LSM6DS3 6轴姿态传感器作为实验案例。通过软件I2C的方式与其进行通信，获取加速度与陀螺仪情况。

LSM6DS3 介绍 ​

LSM6DS3 是意法半导体（STMicroelectronics）推出的一款高性能、低功耗的六轴惯性测量单元（IMU），集成了 ​​3D 数字加速度计​​ 和 ​​3D 数字陀螺仪​​。

低功耗设计

  • 组合正常工作模式下功耗仅 ​​0.9 mA​​，高性能模式下为 ​​1.25 mA​​（数据输出速率可达 ​​1.6 kHz​​）。
  • 支持智能休眠唤醒功能，根据活动状态自动切换模式以节能。

​高精度与低噪声​

  • 加速度计量程：​​±2/±4/±8/±16 g​​
  • 陀螺仪量程：​​±125/±245/±500/±1000/±2000 dps​​
  • 超低噪声性能，适合高精度运动检测。

​硬件功能集成​

  • 内置 ​​8KB FIFO 缓冲区​​，支持批量处理传感器数据（包括外部传感器、计步器、温度等）。
  • 支持 ​​自由落体检测、6D方向识别、单击/双击感应、活动监测​​，并可生成中断信号。
  • 兼容 ​​传感器集线器（Sensor Hub）​​ 功能，可连接外部磁力计等传感器。

​​通信接口

​ 支持 ​​I2C​​ 和 ​​SPI​​ 数字接口。

模块硬件连接 ​

LSM6DS3 与开发板的连接如下：

开发板（主机）LSM6DS3（从机）说明
GPIO230SDA数据线
GPIO227SCL时钟线
GNDGND电源线
VCC3V3电源线

开发板上默认已经为大家贴好了该芯片，大家只需要了解连接的是哪一个引脚即可。

工程创建 ​

打开CCS，创建一个新的基于 F28P55X 的工程。

工程配置 ​

配置工程选项，将我们后面写好的代码烧录到 FLASH 中，并且使用的烧录模式是 cJTAG(1149.7)2-pin 模式。

软件 I2C 的配置 ​

打开工程下的 .syscfg 文件。找到 GPIO 选项开始配置：

完成I2C软件时序代码 ​

我们在工程文件夹下新建一个文件夹:hardware。

在hardware文件夹下再新建两个文件，分别是 bsp_i2c.c 和 bsp_i2c.h。

更新头文件路径，新增我们保存 bsp_i2c.c 和 .h 的文件夹路径。

C
${PROJECT_ROOT}/hardware

以上文件的操作完成之后，在bsp_i2c.h中编写以下代码：

c
#ifndef BSP_I2C_H
#define BSP_I2C_H

#include "board.h"

/************************ I2C ************************/
//设置SDA输出模式
#define SDA_OUT()   {   GPIO_setDirectionMode(I2C_SDA, GPIO_DIR_MODE_OUT);}
//设置SDA输入模式
#define SDA_IN()    { 	GPIO_setDirectionMode(I2C_SDA, GPIO_DIR_MODE_IN); }

//获取SDA引脚的电平变化
#define SDA_GET()   ( GPIO_readPin(I2C_SDA) )
//SDA与SCL输出
#define SDA(x)      ( (x) ? (GPIO_writePin(I2C_SDA,1)) : (GPIO_writePin(I2C_SDA,0)) )
#define SCL(x)      ( (x) ? (GPIO_writePin(I2C_SCL,1)) : (GPIO_writePin(I2C_SCL,0)) )

void i2c_start(void);
void i2c_stop(void);
void i2c_send_ack(unsigned char ack);
unsigned char i2c_wait_ack(void);
void i2c_send_byte(uint8_t dat);
unsigned char i2c_read_byte_ack(unsigned char ack);

#endif

bsp_i2c.h 的代码用到了我们在图形化生成工具配置的 I2C_SDA 和 I2C_SCL，将其适配更新到该 .h 中。

如果你在图形化生成工具中的配置跟 软件 I2C 的配置 小节的一样则不需要理会。

在bsp_i2c.c中补充I2C时序的代码:

c
#include "bsp_i2c.h"

#define delay_us(X)		DEVICE_DELAY_US(X)  //I2C时序的微秒延时
#define I2C_DELAY_TIME  3                   //I2C时序的延时时间

//发送开始信号
void i2c_start(void)
{
    SDA_OUT();
    SCL(0);
    SDA(1);
    SCL(1);
    delay_us(I2C_DELAY_TIME);
    SDA(0);
    delay_us(I2C_DELAY_TIME);
    SCL(0);
    delay_us(I2C_DELAY_TIME);
}

//发送停止信号
void i2c_stop(void)
{
    SDA_OUT();
    SCL(0);
    SDA(0);
    SCL(1);
    delay_us(I2C_DELAY_TIME);
    SDA(1);
    delay_us(I2C_DELAY_TIME);

}

/******************************************************************
 * 函 数 说 明：主机发送应答或者非应答信号
 * 函 数 形 参：0发送应答  1发送非应答
******************************************************************/
void i2c_send_ack(unsigned char ack)
{
    SDA_OUT();
    SCL(0);
    SDA(0);
    delay_us(I2C_DELAY_TIME);
    if(!ack) SDA(0);
    else     SDA(1);
    SCL(1);
    delay_us(I2C_DELAY_TIME);
    SCL(0);
    SDA(1);
}
/******************************************************************
 * 函 数 说 明：等待从机应答
 * 函 数 返 回：0有应答  1超时无应答
******************************************************************/
unsigned char i2c_wait_ack(void)
{
    char ack = 0;
    char ack_flag = 50;
    SDA_IN();
    SDA(1);
    while( (SDA_GET()==1) && ( ack_flag ) )
    {
        ack_flag--;
        delay_us(I2C_DELAY_TIME);
    }

    if( ack_flag == 0 )
    {
        i2c_stop();
        return 1;
    }
    else
    {
        SCL(1);
        delay_us(I2C_DELAY_TIME);
        SCL(0);
        SDA_OUT();
    }
    return ack;
}

/******************************************************************
 * 函 数 说 明：写入一个字节
 * 函 数 形 参：dat要写入的数据
******************************************************************/
void i2c_send_byte(uint8_t dat)
{
    int i = 0;
    SDA_OUT();
    SCL(0);//拉低时钟开始数据传输
    for( i = 0; i < 8; i++ )
    {
        SDA( (dat & 0x80) >> 7 );
        delay_us(2);
        SCL(1);
        delay_us(I2C_DELAY_TIME);
        SCL(0);
        delay_us(I2C_DELAY_TIME);
        dat<<=1;
    }
}

/******************************************************************
*	函 数 名: i2c_read_byte_ack
*	功能说明: CPU从I2C总线设备读取一个字节数据
*	形    参：ack ： 1发送ACK应答，0发送nACK非应答
*	返 回 值: 读到的数据
******************************************************************/
unsigned char i2c_read_byte_ack(unsigned char ack)
{
    unsigned char i,receive=0;
    SDA_IN();//SDA设置为输入
    for(i=0;i<8;i++ )
    {
        SCL(0);
        delay_us(2);
        SCL(1);
        receive<<=1;
        if(SDA_GET())
            receive++;
        delay_us(1);
    }
    if (!ack)
        i2c_send_ack(1);//发送nACK
    else
        i2c_send_ack(0); //发送ACK
    return receive;
}

每一个时序的实现原理请看 I2C数据传输 小节的内容。

LSM6DS3的开发 ​

在hardware文件夹下再新建两个文件，分别是 hw_lsm6ds3.c 和 hw_lsm6ds3.h。

I2C的设备地址 ​

要进行I2C通信，需要知道其器件地址。并且了解如何与其进行通信。

LSM6DS3TR-C 的器件地址为 110101xb 。其中芯片的 SDO/SA0 引脚可用于修改设备地址的最低有效位。

  • 如果 SDO/SA0 引脚连接到电源电压，则最低有效位为“1”（地址为 1101011b）；
  • 如果 SDO/SA0 引脚连接到地，则最低有效位为“0”（地址为 1101010b）。

此方案允许将两个不同的惯性模块连接到同一 I2C 总线上并进行寻址。

在我们的板子上，SA0引脚接的是地 GND，故设备地址为 1101010，换算为16进制则为：0X6A。

写入与读取数据 ​

在 LSM6DS3TR-C 中，有4种读写方式：

写入一个字节时序

写入多个字节时序

读取一个字节时序

读取多个字节时序

说明

  • Master 表示主机；
  • Slave 表示从机；
  • ST 表示发送开始信号；
  • SAD+W 表示发送设备地址 + 写入指令；
  • SAD+R 表示发送设备地址 + 读取指令；
  • SAK 表示从机的应答信号
  • MAK 表示主机发送应答信号
  • NMAK 表示主机发送非应答信号
  • SUB 表示寄存器地址
  • DATA 表示数据
  • SP 表示发送停止信号

寄存器表 ​

寄存器表（点击展开）
寄存器名称类型地址(Hex)默认值(Hex)功能描述
RESERVED-00-保留
FUNC_CFG_ACCESSr/w0100嵌入式功能配置寄存器
RESERVED-02-03-保留
SENSOR_SYNC_TIME_FRAMEr/w0400传感器同步时间帧配置
SENSOR_SYNC_RES_RATIOr/w0500传感器同步分辨率比例配置
FIFO_CTRL1r/w0600FIFO控制寄存器1
FIFO_CTRL2r/w0700FIFO控制寄存器2
FIFO_CTRL3r/w0800FIFO控制寄存器3
FIFO_CTRL4r/w0900FIFO控制寄存器4
FIFO_CTRL5r/w0A00FIFO控制寄存器5
DRDY_PULSE_CFG_Gr/w0B00陀螺仪数据就绪脉冲配置
RESERVED-0C-保留
INT1_CTRLr/w0D00INT1中断控制寄存器
INT2_CTRLr/w0E00INT2中断控制寄存器
WHO_AM_Ir0F6A设备ID寄存器（固定值0x6A）
CTRL1_XLr/w1000加速度计控制寄存器1
CTRL2_Gr/w1100陀螺仪控制寄存器2
CTRL3_Cr/w1204主控制寄存器3
CTRL4_Cr/w1300主控制寄存器4
CTRL5_Cr/w1400主控制寄存器5
CTRL6_Cr/w1500主控制寄存器6
CTRL7_Gr/w1600陀螺仪控制寄存器7
CTRL8_XLr/w1700加速度计控制寄存器8
CTRL9_XLr/w1800加速度计控制寄存器9
CTRL10_Cr/w1900主控制寄存器10
MASTER_CONFIGr/w1A00I²C主配置寄存器
WAKE_UP_SRCr1B-唤醒中断源状态寄存器
TAP_SRCr1C-敲击中断源状态寄存器
D6D_SRCr1D-6D方向检测中断源状态寄存器
STATUS_REGr1E-用户接口状态数据寄存器
RESERVED-1F-保留
OUT_TEMP_Lr20-温度输出数据寄存器（低字节）
OUT_TEMP_Hr21-温度输出数据寄存器（高字节）
OUTX_L_Gr22-陀螺仪X轴输出数据（低字节）
OUTX_H_Gr23-陀螺仪X轴输出数据（高字节）
OUTY_L_Gr24-陀螺仪Y轴输出数据（低字节）
OUTY_H_Gr25-陀螺仪Y轴输出数据（高字节）
OUTZ_L_Gr26-陀螺仪Z轴输出数据（低字节）
OUTZ_H_Gr27-陀螺仪Z轴输出数据（高字节）
OUTX_L_XLr28-加速度计X轴输出数据（低字节）
OUTX_H_XLr29-加速度计X轴输出数据（高字节）
OUTY_L_XLr2A-加速度计Y轴输出数据（低字节）
OUTY_H_XLr2B-加速度计Y轴输出数据（高字节）
OUTZ_L_XLr2C-加速度计Z轴输出数据（低字节）
OUTZ_H_XLr2D-加速度计Z轴输出数据（高字节）
SENSORHUB1_REGr2E-传感器集线器输出寄存器1
SENSORHUB2_REGr2F-传感器集线器输出寄存器2
SENSORHUB3_REGr30-传感器集线器输出寄存器3
SENSORHUB4_REGr31-传感器集线器输出寄存器4
SENSORHUB5_REGr32-传感器集线器输出寄存器5
SENSORHUB6_REGr33-传感器集线器输出寄存器6
SENSORHUB7_REGr34-传感器集线器输出寄存器7
SENSORHUB8_REGr35-传感器集线器输出寄存器8
SENSORHUB9_REGr36-传感器集线器输出寄存器9
SENSORHUB10_REGr37-传感器集线器输出寄存器10
SENSORHUB11_REGr38-传感器集线器输出寄存器11
SENSORHUB12_REGr39-传感器集线器输出寄存器12
FIFO_STATUS1r3A-FIFO状态寄存器1（存储采样数低8位）
FIFO_STATUS2r3B-FIFO状态寄存器2（溢出/满标志）
FIFO_STATUS3r3C-FIFO状态寄存器3（保留）
FIFO_STATUS4r3D-FIFO状态寄存器4（水印/批处理标志）
FIFO_DATA_OUT_Lr3E-FIFO数据输出寄存器（低字节）
FIFO_DATA_OUT_Hr3F-FIFO数据输出寄存器（高字节）
TIMESTAMP0_REGr40-时间戳输出寄存器（字节0）
TIMESTAMP1_REGr41-时间戳输出寄存器（字节1）
TIMESTAMP2_REGr/w42-时间戳输出寄存器（字节2，可读写）
RESERVED-43-48-保留
STEP_TIMESTAMP_Lr49-计步器时间戳寄存器（低字节）
STEP_TIMESTAMP_Hr4A-计步器时间戳寄存器（高字节）
STEP_COUNTER_Lr4B-计步器输出寄存器（低字节）
STEP_COUNTER_Hr4C-计步器输出寄存器（高字节）
SENSORHUB13_REGr4D-传感器集线器输出寄存器13
SENSORHUB14_REGr4E-传感器集线器输出寄存器14
SENSORHUB15_REGr4F-传感器集线器输出寄存器15
SENSORHUB16_REGr50-传感器集线器输出寄存器16
SENSORHUB17_REGr51-传感器集线器输出寄存器17
SENSORHUB18_REGr52-传感器集线器输出寄存器18
FUNC_SRC1r53-功能中断源寄存器1
FUNC_SRC2r54-功能中断源寄存器2
WRIST_TILT_IAr55-手腕倾斜中断状态寄存器
RESERVED-56-57-保留
TAP_CFGr/w5800敲击中断配置寄存器
TAP_THS_6Dr/w5900敲击阈值和6D方向检测配置
INT_DUR2r/w5A00中断持续时间配置
WAKE_UP_THSr/w5B00唤醒阈值配置
WAKE_UP_DURr/w5C00唤醒持续时间配置
FREE_FALLr/w5D00自由落体检测配置
MD1_CFGr/w5E00主设备中断1配置
MD2_CFGr/w5F00主设备中断2配置
MASTER_CMD_CODEr/w6000主设备命令代码寄存器
SENS_SYNC_SPI_ERROR_CODEr/w6100SPI同步错误代码寄存器
RESERVED-62-65-保留
OUT_MAG_RAW_X_Lr66-外部磁力计X轴原始数据（低字节）
OUT_MAG_RAW_X_Hr67-外部磁力计X轴原始数据（高字节）
OUT_MAG_RAW_Y_Lr68-外部磁力计Y轴原始数据（低字节）
OUT_MAG_RAW_Y_Hr69-外部磁力计Y轴原始数据（高字节）
OUT_MAG_RAW_Z_Lr6A-外部磁力计Z轴原始数据（低字节）
OUT_MAG_RAW_Z_Hr6B-外部磁力计Z轴原始数据（高字节）
RESERVED-6C-72-保留
X_OFS_USRr/w7300加速度计X轴用户偏移校准
Y_OFS_USRr/w7400加速度计Y轴用户偏移校准
Z_OFS_USRr/w7500加速度计Z轴用户偏移校准
RESERVED-76-7F-保留

类型说明​​

  • r/w：可读写
  • r：只读
  • -：保留或无操作

关键说明

​​FIFO状态寄存器​​：

FIFO_STATUS1 和 FIFO_STATUS2 用于监控FIFO的存储状态（如采样数、溢出标志等）。

DIFF_FIFO 字段表示当前FIFO中存储的数据量（单位：字，每字7字节）。

​​时间戳与计步器​​：

时间戳寄存器（TIMESTAMPx_REG）记录传感器事件的精确时间。

计步器相关寄存器（STEP_COUNTER_L/H）输出步数和时间戳。

​​中断配置​​：

TAP_CFG 和 TAP_THS_6D 用于配置敲击检测的灵敏度和方向判断。

WAKE_UP_THS 和 FREE_FALL 与低功耗唤醒和自由落体检测相关。

​​传感器集线器​​：

SENSORHUBx_REG 用于扩展外部传感器（如磁力计）的数据采集。

在全部的寄存器中，我们关心的是：

寄存器名称地址(HEX)功能为什么关心它？
WHO_AM_I0F读取LSM6DS3TRC器件ID判断我们的设备是否正常，如果读不到或者数据不对说明有问题
CTRL3_C12LSM6DS3TRC重置、块数据更新等寄存器初始化使用
CTRL1_XL10设置加速度计的数据采样率配置采样率
CTRL2_G11设置陀螺仪数据速率配置速率
CTRL8_XL17设置加速度计输出数据率配置速率
STATUS_REG1E从状态寄存器获取数据状态读取状态，在采样还是转换还是空闲
OUTX_L_XL28读取加速度计数据获取加速度的原始数据
OUTX_L_G22读取陀螺仪数据获取陀螺仪的原始数据

初始化流程 ​

  1. 检测设备是否存在
  1. 设备重置

  1. 设置加速度采样率图 23

  2. 设置陀螺仪采样率图 24

  3. 设置加速度满量程图 23

  4. 设置陀螺仪满量程图 24

  5. 设置加速度模拟链带宽图 23

  6. 软件校准（可选）

    上电手动采集多次数据，然后取平均值。

单位换算 ​

图 26

加速度单位

LSM6DS3 的加速度读取出来的默认单位是已 mg/LSB 为单位，我们如果要转换为单位 g，则：

c
加速度数据 = 轴原始数据 * Typ / 1000

例如，±2g，则 加速度数据= 轴原始数据 * 0.061 （切换单位为mg）/ 1000（切换单位为g）

陀螺仪单位

LSM6DS3 的陀螺仪读取出来的默认单位是已 mdps/LSB 为单位，我们如果要转换为单位 dps，则：

c
角速度数据 = (pi / 180) * 轴原始数据 * Typ / 1000

例如，±2000，则 加速度数据= (pi / 180) * 轴原始数据 * 70 （切换单位为mbps）/ 1000（切换单位为bps）

代码编写 ​

基于以上的数据手册中的关键信息，将其转换为代码。在 hw_lsm6ds3.h 中编写以下代码：

c
#ifndef HW_LSM6DS3_H
#define HW_LSM6DS3_H

#include "board.h"

/************************ 陀螺仪 ************************/
#define LSM6DS3TRC_I2CADDR 0x6A//SA0接GND，如果接的是VCC，则地址是0x6B
#define LSM6DS3TRC_WHO_AM_I		0x0F //Who am I
#define LSM6DS3TRC_CTRL3_C		0x12

//加速度计控制寄存器
#define LSM6DS3TRC_CTRL1_XL		0x10

//线性加速输出数据速率
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_0	    0x00
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_1HZ6	0xB0
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_12HZ5	0x10
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_26HZ	0x20
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_52HZ	0x30
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_104HZ	0x40
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_208HZ	0x50
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_416HZ	0x60
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_833HZ	0x70
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_1660HZ	0x80
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_3330HZ	0x90
#define LSM6DS3TRC_ACC_RATE_6660HZ	0xA0

//陀螺仪控制寄存器
#define LSM6DS3TRC_CTRL2_G		0x11

//线性陀螺仪输出数据速率
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_0	    0x00
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_1HZ6	0xB0
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_12HZ5	0x10
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_26HZ	0x20
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_52HZ	0x30
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_104HZ	0x40
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_208HZ	0x50
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_416HZ	0x60
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_833HZ	0x70
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_1660HZ	0x80
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_3330HZ	0x90
#define LSM6DS3TRC_GYR_RATE_6660HZ	0xA0

//加速度计全量程
#define LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_2G	0x00
#define LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_16G	0x04
#define LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_4G	0x08
#define LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_8G	0x0C

//陀螺仪全量程
#define LSM6DS3TRC_GYR_FSG_245	0x00
#define LSM6DS3TRC_GYR_FSG_500	0x04
#define LSM6DS3TRC_GYR_FSG_1000	0x08
#define LSM6DS3TRC_GYR_FSG_2000	0x0C

#define LSM6DS3TRC_CTRL1_XL		0x10

//加速度计的模拟链带宽
#define LSM6DS3TRC_ACC_BW0XL_1500HZ	0x00
#define LSM6DS3TRC_ACC_BW0XL_400HZ	0x01

#define LSM6DS3TRC_CTRL8_XL		0x17

//加速度计带宽选择
//低通滤波器
#define LSM6DS3TRC_ACC_LOW_PASS_ODR_50	    0x88
#define LSM6DS3TRC_ACC_LOW_PASS_ODR_100  	0xA8
#define LSM6DS3TRC_ACC_LOW_PASS_ODR_9	    0xC8
#define LSM6DS3TRC_ACC_LOW_PASS_ODR_400	    0xE8
//高通滤波器
#define LSM6DS3TRC_ACC_HIGH_PASS_ODR_50  	0x04
#define LSM6DS3TRC_ACC_HIGH_PASS_ODR_100	0x24
#define LSM6DS3TRC_ACC_HIGH_PASS_ODR_9 	    0x44
#define LSM6DS3TRC_ACC_HIGH_PASS_ODR_400	0x64

//用户界面的状态数据寄存器
#define LSM6DS3TRC_STATUS_REG	0x1E
#define LSM6DS3TRC_STATUS_GYROSCOPE		0x02
#define LSM6DS3TRC_STATUS_ACCELEROMETER	0x01

//加速度计输出接口XYZ
#define LSM6DS3TRC_OUTX_L_XL		0x28
#define LSM6DS3TRC_OUTX_H_XL		0x29
#define LSM6DS3TRC_OUTY_L_XL		0x2A
#define LSM6DS3TRC_OUTY_H_XL		0x2B
#define LSM6DS3TRC_OUTZ_L_XL		0x2C
#define LSM6DS3TRC_OUTZ_H_XL		0x2D

//陀螺仪输出接口XYZ
#define LSM6DS3TRC_OUTX_L_G		0x22
#define LSM6DS3TRC_OUTX_H_G		0x23
#define LSM6DS3TRC_OUTY_L_G		0x24
#define LSM6DS3TRC_OUTY_H_G		0x25
#define LSM6DS3TRC_OUTZ_L_G		0x26
#define LSM6DS3TRC_OUTZ_H_G		0x27

//四元素
typedef struct {
    float x;
    float y;
    float z;
    float w;
} Quaternion;

//欧拉角
typedef struct {
    float x;
    float y;
    float z;
} Angle;

extern Angle angle;
extern Quaternion quaternion;

uint8_t lsm6ds3_init(void);
void lsm6ds3_angle_return_zero(void);
void lsm6ds3_get_angle(Angle* angle);
void lsm6ds3_getAngle(Angle* angle);
void float_to_string(float num, char *str);
#endif

在 hw_lsm6ds3.c 中编写以下代码：

c
#include "hw_lsm6ds3.h"
#include "bsp_i2c.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <math.h>

Angle angle;
Quaternion quaternion;

//积分时间20ms
//多少秒采集一次陀螺仪时间就填入多少秒
const static float dt = 0.02f;

//陀螺仪yaw角软件校准值
static float gyro_zero_z = 0.0f;

//实现自己的毫秒延时
static void delay_syms(long X)
{
    while(X--)
    {
        DEVICE_DELAY_US(1000);
    }
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：LSM6DS3TRC_ReadOneByte
 * 描述  ：从LSM6DS3TRC指定地址处开始读取一个字节数据
 * 输入  ：reg_addr地址
 * 输出  ：读取的数据dat
 *******************************************************************************/
uint8_t lsm6ds3_read_one_byte(uint8_t reg_addr)
{
	uint8_t dat = 0;

    i2c_start();//发送起始信号

    i2c_send_byte((LSM6DS3TRC_I2CADDR<<1) | 0x00);//从设备地址
    delay_syms(1);

  	if(i2c_wait_ack())	// 检测设备的ACK应答
	{
		i2c_stop();//产生一个停止条件
	}

    i2c_send_byte(reg_addr);//寄存器地址
    delay_syms(1);

  	if(i2c_wait_ack())	// 检测设备的ACK应答
	{
		 i2c_stop();//产生一个停止条件
	}

    i2c_start();//发送重复起始信号，准备读取数据

	i2c_send_byte((LSM6DS3TRC_I2CADDR<<1) | 0x01);//从设备地址（读取模式）
    delay_syms(1);

  	if(i2c_wait_ack())	// 检测设备的ACK应答
	{
		i2c_stop();//产生一个停止条件
	}

    dat = i2c_read_byte_ack(0);

	i2c_stop();//发送停止信号

    return dat;
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_ReadCommand
 * 描述  ：对LSM6DS3TRC读取数据
 * 输入  ：uint8_t reg_addr, uint8_t *rev_data, uint8_t length
 * 输出  ：void
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_read_command(uint8_t reg_addr, uint8_t *rev_data, uint8_t length)
{
	while(length)
	{
		*rev_data++ = lsm6ds3_read_one_byte(reg_addr++);
		length--;
	}
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_WriteCommand
 * 描述  ：往LSM6DS3TRC写入命令
 * 输入  ：uint8_t reg_addr, uint8_t *send_data, uint16_t length
 * 输出  ：void
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_write_command(uint8_t reg_addr, uint8_t *send_data, uint16_t length)
{
	i2c_start();

	delay_syms(10);

	i2c_send_byte((LSM6DS3TRC_I2CADDR<<1) | 0x00);//发送设备地址

	if(i2c_wait_ack())	// 检测设备的ACK应答
	{
		i2c_stop();//产生一个停止条件
	}

	delay_syms(10);

	i2c_send_byte(reg_addr);//发送寄存器地址

	delay_syms(10);

	if(i2c_wait_ack())	// 检测设备的ACK应答
	{
		i2c_stop();//产生一个停止条件
	}

	delay_syms(10);

	i2c_send_byte(*send_data);//发送数据

	delay_syms(10);

	if(i2c_wait_ack())	// 检测设备的ACK应答
	{
		i2c_stop();//产生一个停止条件
	}

	delay_syms(10);

	i2c_stop();//产生一个停止条件
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：IIC_CheckDevice
 * 描述  ：检测I2C总线设备，CPU向发送设备地址，然后读取设备应答来判断该设备是否存在
 * 输入  ：_Address：设备的I2C总线地址
 *******************************************************************************/
uint8_t i2c_check_device(uint8_t _Address)
{
	uint8_t ucAck;

    i2c_start();		// 发送启动信号

    i2c_send_byte(_Address );
    ucAck = i2c_wait_ack();	// 检测设备的ACK应答

    i2c_stop();			// 发送停止信号

    return ucAck;

}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_CheckOk
 * 描述  ：判断LSM6DS3TRC是否正常
 * 输出  ： 1 表示正常， 0 表示不正常
 *******************************************************************************/
uint8_t lsm6ds3_check_ok(void)
{
	if(i2c_check_device( LSM6DS3TRC_I2CADDR ) == 1)
	{
	    //printf("Device exist\r\n");
		return 1;
	}
	else
	{
		// 失败后，切记发送I2C总线停止信号
	    //printf("Device not exist\r\n");
		i2c_stop();
		return 0;
	}
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_GetChipID
 * 描述  ：读取LSM6DS3TRC器件ID
 * 输出  ：返回值true表示0x6a，返回false表示不是0x6a
 *******************************************************************************/
uint8_t lsm6ds3_get_Chip_id(void)
{
	uint8_t buf = 0;

	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_WHO_AM_I, &buf, 1);//Who I am ID
	//printf("buf 0x%02X\r\n",buf);
	if (buf == 0x6a)
	{
	    //printf("ID ok\r\n");
		return 1;
	}
	else
	{
	    //printf("ID error\r\n");
		return 0;
	}
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_Reset
 * 描述  ：LSM6DS3TRC重启和重置寄存器
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_reset(void)
{
	uint8_t buf[1] = {0};
	//reboot modules
	buf[0] = 0x80;
	lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL3_C, buf, 1);//BOOT->1
    delay_syms(15);
	//reset register
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL3_C, buf, 1);//读取SW_RESET状态
	buf[0] |= 0x01;
	lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL3_C, buf, 1);//将CTRL3_C寄存器的SW_RESET位设为1
	while (buf[0] & 0x01)
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL3_C, buf, 1);//等到CTRL3_C寄存器的SW_RESET位返回0
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_Set_BDU
 * 描述  ：LSM6DS3TRC设置块数据更新
 * 输入  ：uint8_t flag=1启动 0禁用
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_set_BDU(uint8_t flag)
{
	uint8_t buf[1] = {0};
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL3_C, buf, 1);

	if (flag == 1)
	{
		buf[0] |= 0x40;//启用BDU
		lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL3_C, buf, 1);
	}
	else
	{
		buf[0] &= 0xbf;//禁用BDU
		lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL3_C, buf, 1);
	}

	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL3_C, buf, 1);
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_Set_Accelerometer_Rate
 * 描述  ：LSM6DS3TRC设置加速度计的数据采样率
 * 输入  ：uint8_t rate
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_set_accelerometer_rate(uint8_t rate)
{
	uint8_t buf[1] = {0};
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL1_XL, buf, 1);
	buf[0] |= rate;//设置加速度计的数据采样率
	lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL1_XL, buf, 1);
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_Set_Gyroscope_Rate
 * 描述  ：LSM6DS3TRC设置陀螺仪数据速率
 * 输入  ：uint8_t rate
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_set_gyroscope_rate(uint8_t rate)
{
	uint8_t buf[1] = {0};
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL2_G, buf, 1);
	buf[0] |= rate;//设置陀螺仪数据速率
	lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL2_G, buf, 1);
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_Set_Accelerometer_Fullscale
 * 描述  ：LSM6DS3TRC加速度计满量程选择
 * 输入  ：uint8_t value
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_set_accelerometer_fullscale(uint8_t value)
{
	uint8_t buf[1] = {0};
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL1_XL, buf, 1);
	buf[0] |= value;//设置加速度计的满量程
	lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL1_XL, buf, 1);
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_Set_Gyroscope_Fullscale
 * 描述  ：LSM6DS3TRC陀螺仪满量程选择
 * 输入  ：uint8_t value
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_set_gyroscope_fullscale(uint8_t value)
{
	uint8_t buf[1] = {0};
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL2_G, buf, 1);
	buf[0] |= value;//设置陀螺仪的满量程
	lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL2_G, buf, 1);
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：LSM6DS3TRC_Set_Accelerometer_Bandwidth
 * 描述  ：LSM6DS3TRC设置加速度计模拟链带宽
 * 输入  ：uint8_t BW0XL, uint8_t ODR
 * 备注  ：BW0XL模拟链带宽, ODR输出数据率
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_set_accelerometer_bandwidth(uint8_t BW0XL, uint8_t ODR)
{
	uint8_t buf[1] = {0};
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL1_XL, buf, 1);
	buf[0] |= BW0XL;
	lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL1_XL, buf, 1);

	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_CTRL8_XL, buf, 1);
	buf[0] |= ODR;
	lsm6ds3_write_command(LSM6DS3TRC_CTRL8_XL, buf, 1);
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：LSM6DS3TRC_Get_Status
 * 描述  ：从LSM6DS3TRC状态寄存器获取数据状态
 *******************************************************************************/
uint8_t lsm6ds3_get_status(void)
{
	uint8_t buf[1] = {0};
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_STATUS_REG, buf, 1);
	return buf[0];
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：LSM6DS3TRC_Get_Acceleration
 * 描述  ：从LSM6DS3TRC读取加速度计数据
 * 输入  ：uint8_t fsxl, float *acc_float
 * 备注  ：转换为浮点数的加速度值
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_get_acceleration(uint8_t fsxl, float *acc_float)
{
	uint8_t buf[6];
	int16_t acc[3];
	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_OUTX_L_XL, buf, 6);//获取加速度计原始数据
	acc[0] = buf[1] << 8 | buf[0];
	acc[1] = buf[3] << 8 | buf[2];
	acc[2] = buf[5] << 8 | buf[4];

	switch (fsxl)//根据不同量程来选择输出的数据的转换系数
	{
	case LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_2G:
		acc_float[0] = ((float)acc[0] * 0.061f);
		acc_float[1] = ((float)acc[1] * 0.061f);
		acc_float[2] = ((float)acc[2] * 0.061f);
		break;

	case LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_16G:
		acc_float[0] = ((float)acc[0] * 0.488f);
		acc_float[1] = ((float)acc[1] * 0.488f);
		acc_float[2] = ((float)acc[2] * 0.488f);
		break;

	case LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_4G:
		acc_float[0] = ((float)acc[0] * 0.122f);
		acc_float[1] = ((float)acc[1] * 0.122f);
		acc_float[2] = ((float)acc[2] * 0.122f);
		break;

	case LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_8G:
		acc_float[0] = ((float)acc[0] * 0.244f);
		acc_float[1] = ((float)acc[1] * 0.244f);
		acc_float[2] = ((float)acc[2] * 0.244f);
		break;
	}
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：LSM6DS3TRC_Get_Gyroscope
 * 描述  ：从LSM6DS3TRC读取陀螺仪数据
 * 输入  ：uint8_t fsg, float *gry_float
 * 备注  ：转换为浮点数的角速度值
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_get_gyroscope(uint8_t fsg, float *gry_float)
{
	uint8_t buf[6];
	int16_t gry[3];

	lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_OUTX_L_G, buf, 6);//获取陀螺仪原始数据

	gry[0] = buf[1] << 8 | buf[0];
	gry[1] = buf[3] << 8 | buf[2];
	gry[2] = buf[5] << 8 | buf[4];
	switch (fsg)//根据不同量程来选择输出的数据的转换系数
	{
	case LSM6DS3TRC_GYR_FSG_245:
		gry_float[0] = ((float)gry[0] * 8.750f);
		gry_float[1] = ((float)gry[1] * 8.750f);
		gry_float[2] = ((float)gry[2] * 8.750f);
		break;
	case LSM6DS3TRC_GYR_FSG_500:
		gry_float[0] = ((float)gry[0] * 17.50f);
		gry_float[1] = ((float)gry[1] * 17.50f);
		gry_float[2] = ((float)gry[2] * 17.50f);
		break;
	case LSM6DS3TRC_GYR_FSG_1000:
		gry_float[0] = ((float)gry[0] * 35.00f);
		gry_float[1] = ((float)gry[1] * 35.00f);
		gry_float[2] = ((float)gry[2] * 35.00f);
		break;
	case LSM6DS3TRC_GYR_FSG_2000:
		gry_float[0] = ((float)gry[0] * 70.00f);
		gry_float[1] = ((float)gry[1] * 70.00f);
		gry_float[2] = ((float)gry[2] * 70.00f);
		break;
	}
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_soft_calibrate_z0
 * 描述  ：传感器校准
 * 备注  ：上电前用，减小Z零点漂移
 *******************************************************************************/
static void lsm6ds3_soft_calibrate_z0(void)
{
    uint16_t calibration_samples = 500;//校准采样数
    float gz_sum = 0.0f;
    int16_t GyroZ;
    uint8_t buf[2]={0};
    uint16_t i;
    uint8_t status = 0;

    for (i = 0; i < calibration_samples; i++)
    {
        ///////////根据Z轴的变换规律进行修正/////////
        status = lsm6ds3_get_status();
        if( status & LSM6DS3TRC_STATUS_GYROSCOPE )
        {
            // 读取Z轴数据
            lsm6ds3_read_command(LSM6DS3TRC_OUTZ_L_G, buf, 2);
            GyroZ = buf[1] << 8 | buf[0];
            gz_sum += (float)GyroZ;
        }
        delay_syms(20);//要和dt同步
    }
    gyro_zero_z = gz_sum / calibration_samples;
}


// 卡尔曼滤波器结构体
typedef struct {
    float q; // 过程噪声协方差
    float r; // 测量噪声协方差
    float x; // 状态估计值
    float p; // 估计误差协方差
    float k; // 卡尔曼增益
} MPU6050_KalmanFilter;

//定义三个欧拉角的滤波体
MPU6050_KalmanFilter kf_roll, kf_pitch, kf_yaw;

/*******************************************************************************
 * 函数名：LSM6DS3TRC_Get_Gyroscope
 * 描述  ：卡尔曼滤波更新函数
 * 输入  ：kf 开发板滤波的结构体变量地址 measurement滤波前的参数
 * 返回  ：滤波后的参数
 *******************************************************************************/
static float KalmanFilter_Update(MPU6050_KalmanFilter *kf, float measurement)
{
    // 预测步骤
    kf->p = kf->p + kf->q;
    // 计算卡尔曼增益
    kf->k = kf->p / (kf->p + kf->r);
    // 更新估计值
    kf->x = kf->x + kf->k * (measurement - kf->x);
    // 更新估计误差协方差
    kf->p = (1 - kf->k) * kf->p;
    return kf->x;
}
//卡尔曼滤波参数初始化
static void KalmanFilter_init(void)
{
	//roll的初始化
	kf_roll.q = 0.02f;
	kf_roll.r = 0.1f;
	kf_roll.x = 0;
	kf_roll.p = 1;
	//Pitch的初始化
	kf_pitch.q = 0.02f;
	kf_pitch.r = 0.1f;
	kf_pitch.x = 0;
	kf_pitch.p = 1;
	//yaw的初始化
	kf_yaw.q = 0.02f;
	kf_yaw.r = 0.1f;
	kf_yaw.x = 0;
	kf_yaw.p = 1;
}

float acc[3] = {0,0,0};
float gyr[3] = {0,0,0};

float Kp=130.0f;
float Ki=0.005f;

float halfT=0.001f;
float q0=1, q1 = 0, q2 = 0, q3 = 0;
float exInt = 0, eyInt = 0, ezInt = 0;

//如yaw值偏移逐渐加大，则加大该值
//如yaw值偏移逐渐减小，则减小该值
float z_offset = 0.1034f;	//yaw轴手动偏移

//获取原始数据并转换为欧拉角
//参数angle 为传入的角度结构体
void lsm6ds3_get_angle(Angle* angle)
{
    int i = 0;
    uint8_t status = 0;
    float norm;
    float vx,vy,vz;
    float ex,ey,ez;

	//获取传感器状态
    status = lsm6ds3_get_status();

    if( (status&LSM6DS3TRC_STATUS_ACCELEROMETER) && (status&LSM6DS3TRC_STATUS_GYROSCOPE) )
    {
		//获取加速度原始数据
        lsm6ds3_get_acceleration(LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_2G, acc);
		//单位换算
        for( i = 0; i < 3; i++ )
        {
			acc[i] = acc[i] / 1000.0f;
        }
		//获取陀螺仪原始数据
        lsm6ds3_get_gyroscope(LSM6DS3TRC_GYR_FSG_2000, gyr);
		//单位换算
        for( i = 0; i < 3; i++ )
        {
			//Z轴应用软件校准值
            if( i == 2 )
            {
                gyr[i] = gyr[i] - (int16_t)gyro_zero_z;
            }
            gyr[i] = gyr[i] /1000.0f;
        }

        //测量正常化，三维向量变为单位向量
        norm = sqrt(acc[0]*acc[0] + acc[1]*acc[1] + acc[2]*acc[2]);
        acc[0] = acc[0] / norm;//单位化
        acc[1] = acc[1] / norm;
        acc[2] = acc[2] / norm;
        //估计方向的重力
        vx = 2* (q1*q3 - q0*q2);
        vy = 2* (q0*q1 + q2*q3);
        vz = q0*q0 - q1*q1 - q2*q2 + q3*q3;

        ex = (acc[1]*vz - acc[2]*vy);
        ey = (acc[2]*vx - acc[0]*vz);
        ez = (acc[0]*vy - acc[1]*vx);

        //积分误差比例积分增益
        exInt = exInt + ex*Ki;
        eyInt = eyInt + ey*Ki;
        ezInt = ezInt + ez*Ki;
        //调整后的陀螺仪测量
        gyr[0] = gyr[0] + Kp*ex + exInt;
        gyr[1] = gyr[1] + Kp*ey + eyInt;
        gyr[2] = gyr[2] + Kp*ez + ezInt;
        //整合四元数率和正常化
        q0 = q0 + (-q1*gyr[0] - q2*gyr[1]- q3*gyr[2])*halfT;
        q1 = q1 + (q0*gyr[0] + q2*gyr[2] - q3*gyr[1])*halfT;
        q2 = q2 + (q0*gyr[1] - q1*gyr[2] + q3*gyr[0])*halfT;
        q3 = q3 + (q0*gyr[2] + q1*gyr[1] - q2*gyr[0])*halfT;
        //正常化四元数
        norm= sqrt(q0*q0+ q1*q1+ q2*q2+ q3*q3);
        //四元素
		q0 = q0 / norm;//w
        q1 = q1 / norm;//x
        q2 = q2 / norm;//y
        q3 = q3 / norm;//z

        angle->x = KalmanFilter_Update(&kf_roll, asin(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1 ) * 57.3);
        angle->y =KalmanFilter_Update(&kf_pitch, atan2(-2 * q1 * q3 + 2 * q0 * q2, q0*q0-q1*q1-q2*q2+q3*q3)*57.3);
        gyr[2] = KalmanFilter_Update(&kf_yaw, gyr[2] * dt);
		//如参数小于预期请加大3.0f
		//如参数大于预期请减小3.0f
        angle->z +=  gyr[2] * 3.0f + z_offset;
    }
}

/*******************************************************************************
 * 函数名：lsm6ds3_angle_return_zero
 * 描述  ：角度归零初始化
 *******************************************************************************/
void lsm6ds3_angle_return_zero(void)
{
    angle.x = 0;
    angle.y = 0;
    angle.z = 0;
    lsm6ds3_reset();
}
/*******************************************************************************
 * 函数名：传感器初始化
 * 描述  ：lsm6ds3_init
 *******************************************************************************/
uint8_t lsm6ds3_init(void)
{
    //检测设备是否存在
    if( lsm6ds3_check_ok() == 0 ) return 1;

    //设备重启
    lsm6ds3_reset();

    //在读取MSB和LSB之前不更新输出寄存器
    lsm6ds3_set_BDU(1);

    //设置加速度计的数据采样率 1/52=19.2ms
    lsm6ds3_set_accelerometer_rate(LSM6DS3TRC_ACC_RATE_52HZ);

    //设置陀螺仪的数据采样率 1/52=19.2ms
    lsm6ds3_set_gyroscope_rate(LSM6DS3TRC_GYR_RATE_52HZ);

    //设置加速度计满量程选择
    lsm6ds3_set_accelerometer_fullscale(LSM6DS3TRC_ACC_FSXL_2G);

    //设置陀螺仪全量程选择
    lsm6ds3_set_gyroscope_fullscale(LSM6DS3TRC_GYR_FSG_2000);

    //设置加速度计模拟链带宽
    lsm6ds3_set_accelerometer_bandwidth(LSM6DS3TRC_ACC_BW0XL_400HZ, LSM6DS3TRC_ACC_LOW_PASS_ODR_100);

    delay_syms(100);

    //软件校准,减少yaw的零点漂移
    //lsm6ds3_soft_calibrate_z0();

	//卡尔曼滤波初始化
	KalmanFilter_init();

    return 0;
}

其他配置 ​

因为我们要看到陀螺仪的实际效果，可以通过串口调试工具 Vofa+ 查看波形数据与3D角度数据。所以我们还需要配置一个串口。

在hardware文件夹下再新建两个文件，分别是 hw_uart.c 和 hw_uart.h。

往 hw_uart.c 写入以下代码：

c
#include "hw_uart.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>

//发送单个字节
void uart0_sendChar(char ch)
{
    while( SCI_isTransmitterBusy(mySCI0_BASE) != false);

    SCI_writeCharNonBlocking(mySCI0_BASE, ch);
}

//发送字符串
void uart0_sendString(char* str)
{
    while(*str!=0 && str != 0)
    {
        uart0_sendChar(*str++);
    }
}

往 hw_uart.h 写入以下代码：

c
#ifndef HW_UART_H
#define HW_UART_H

#include "driverlib.h"
#include "device.h"
#include "board.h"

void uart0_sendChar(char ch);
void uart0_sendString(char* str);

#endif

案例验证 ​

更新主函数代码 ​

更新工程的 empty_driverlib_main.c 文件为以下代码：

c
#include "driverlib.h"
#include "device.h"
#include "board.h"
#include "c2000ware_libraries.h"
#include "hw_uart.h"
#include "hw_lsm6ds3.h"
#include "stdio.h"
#include <math.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

//浮点转字符串
//只转换小数点后两位
void float_to_str(float num, char* output)
{
    int num_int = 0;
    int point1;
    int point2;

    num_int = num * 100;
    point1 = num_int/10%10;
    point2 = num_int%10;
    num_int = num_int/100;

    if( point2 < 0 ) point2=-point2;
    if( point1 < 0 ) point1=-point1;
    sprintf(output, "%d.%d%d",num_int, point1, point2);
}

void main(void)
{
    char x[20]={0},y[20]={0},z[20]={0},bufs[50]={0};

    Device_init();
    Device_initGPIO();
    Interrupt_initModule();
    Interrupt_initVectorTable();
    Board_init();
    C2000Ware_libraries_init();
    EINT;
    ERTM;
    // 陀螺仪初始化
    lsm6ds3_init();
    while(1)
    {
        //获取欧拉角
        lsm6ds3_get_angle(&angle);
        //将欧拉角的浮点型数据转换字符串
        float_to_str(angle.x,x);
        float_to_str(angle.y,y);
        float_to_str(angle.z,z);
        //格式化字符串
        sprintf(bufs,"xyz: %s,%s,%s\r\n",x,y,z);
        //串口发送字符串
        uart0_sendString(bufs);

        DEVICE_DELAY_US(15000);
    }
}

下载器连接 ​

XDS110下载器开发板
SWDSWD/TMS
CLKCLK/TCK
TXDRX
RXDTX
GNDGND
5V5V

代码烧录 ​

GIF 动图

图 6

案例现象 ​

使用vofa+ 显示串口的数据，同时调用vofa+的3D控件显示3D效果，波形控件显示3个轴的效果。

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