ADXL345三軸數(shù)字加速度計(jì)的驅(qū)動設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

移動設(shè)備的廣泛應(yīng)用增加對移動過程中各種參數(shù)的檢測需求。ADXL345三軸數(shù)字加速度計(jì)可以用來檢測加速度、進(jìn)而測量傾斜角度等。在這一篇中，我們將討論ADXL345三軸數(shù)字加速度計(jì)驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 、功能概述

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高(13位)，測量范圍達(dá)±16 g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI(3線或4線)或I2C數(shù)字接口訪問。采用SPI通訊接口時，最大SPI時鐘速度為5 MHz，時序方案按照時鐘極性(CPOL)= 1、時鐘相位(CPHA)= 1執(zhí)行。采用I2C通訊接口時，ALT ADDRESS引腳處于高電平，器件的7位I2C地址是0x1D，隨后為R / W位。這轉(zhuǎn)化為0x3A寫入，0x3B讀取。通過ALT ADDRESS引腳(引腳12)接地，可以選擇備用I2C地址0x53(隨后為R / W位)。這轉(zhuǎn)化為0xA6寫入，0xA7讀取。引腳定義及封裝如下：

ADXL345非常適合移動設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運(yùn)動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度。其高分辨率(3.9 mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。

該器件提供多種特殊檢測功能?；顒雍头腔顒訖z測功能通過比較任意軸上的加速度與用戶設(shè)置的閾值來檢測有無運(yùn)動發(fā)生。敲擊檢測功能可以檢測任意方向的單振和雙振動作。自由落體檢測功能可以檢測器件是否正在掉落。這些功能可以獨(dú)立映射到兩個中斷輸出引腳中的一個。正在申請專利的集成式存儲器管理系統(tǒng)采用一個32級先進(jìn)先出(FIFO)緩沖器，可用于存儲數(shù)據(jù)，從而將主機(jī)處理器負(fù)荷降至最低，并降低整體系統(tǒng)功耗。

低功耗模式支持基于運(yùn)動的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閾值感測和運(yùn)動加速度測量。

ADXL345是一款完整的3軸加速度測量系統(tǒng)，可選擇的測量范圍有±2 g，±4 g，±8 g或±16 g。既能測量運(yùn)動或沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度，也能測量靜止加速度，例如重力加速度，使得器件可作為傾斜傳感器使用。

2 、驅(qū)動設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

我們對ADXL345驅(qū)動設(shè)計(jì)與其它設(shè)備一樣。我們先抽象對象類型并考慮對對象的初始化和操作。

2.1 、對象定義

基于對象的操作至少要包括3方面內(nèi)容：對象的定義，對象的初值以及對象的操作。接下來我們就從這里個方面入手設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)ADXL345的驅(qū)動。

2.1.1 、抽象對象類型

對于ADXL345也同時支持SPI接口通訊和I2C接口通訊。所以我們在抽象ADXL345對象類型時將接口類型作為屬性以區(qū)別不同的特性。在使用I2C時，設(shè)備有地址以區(qū)別不同的設(shè)備，所以我們將I2C設(shè)備地址也定義為屬性。而使用SPI時，沒有設(shè)備地址但有片選信號，我們將對片選的操作定義為對象的操作函數(shù)。

/*定義ADXL345三軸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/
typedef struct Adxl345Object {
       uint8_t devAddress;
       uint8_t devID;
       Adxl345PortTypeport;
       int16_t incidence_X;
       int16_t incidence_Y;
       int16_t incidence_Z;
      
       float incidence_Xf;
       float incidence_Yf;
       float incidence_Zf;
      
       void(*ReadBytes)(struct Adxl345Object *adxl，uint8_t regAdd，uint8_t *rData，uint16_t rSize);  //讀ADXL345寄存器操作
       void(*WriteBytes)(struct Adxl345Object *adxl，uint8_t regAdd，uint8_t *wData，uint16_t wSize);//寫ADXL345寄存器操作
       void(*ChipSelect)(Adxl345CSType en);    //使用SPI接口時，片選操作
       void(*Delayus)(volatile uint32_t nTime);     /*實(shí)現(xiàn)us延時操作*/
}Adxl345ObjectType;

2.1.2 、對象初始化函數(shù)

一個對象必須賦初值方可使用，所以我們還需要一個初始化函數(shù)來對對象初始化。初始化函數(shù)除了為對象屬性賦初始值和給操作指定函數(shù)指針外，還需要檢測參數(shù)的合法性以及對硬件設(shè)備做必要的配置?；诖宋覀冊O(shè)計(jì)ADXL345的初始化函數(shù)如下：

/*對ADXL345進(jìn)行初始化配置*/
void Adxl345Initialization(Adxl345ObjectType*adxl，uint8_t devAdd，
                           Adxl345PortTypeport，
                           Adxl345ReadBytesTyperead，
                           Adxl345WriteBytesTypewrite，
                           Adxl345ChipSelectTypecs，
                           Adxl345DelayTypedelay)
{
       uint8_t devID=0;
       uint8_t setValue=0;
      
       if((adxl==NULL)||(read==NULL)||(write=NULL)||(delay==NULL))
       {
              return;
       }
      
       if(port==SPI)
       {
              if(cs==NULL)
              {
                     return;
              }
             
              adxl->ChipSelect=cs;
              adxl->devAddress=0x00;
       }
       else
       {
              if((devAdd==0xA6)||(devAdd==0x3A))
              {
                     adxl->devAddress=devAdd;
              }
              elseif((devAdd==0x53)||(devAdd==0x1D))
              {
                     adxl->devAddress=(devAdd<<1);
              }
              else
              {
                     adxl->devAddress=0x00;
              }
              adxl->ChipSelect=NULL;
       }
      
       adxl->port=port;
       adxl->devID=0xE5;
       adxl->incidence_X=0;
       adxl->incidence_Xf=0.0;
       adxl->incidence_Y=0;
       adxl->incidence_Yf=0.0;
       adxl->incidence_Z=0;
       adxl->incidence_Zf=0.0;
      
       adxl->ReadBytes=read;
       adxl->WriteBytes=write;
       adxl->Delayus=delay;
      
       /*讀取設(shè)備ID，在每次操作前讀一次*/
       devID=Adxl345ReadRegister(adxl，REG_DEVID);
       if(adxl->devID!=devID)
       {
              return;
       }
       adxl->Delayus(300);
 
       /*配置數(shù)據(jù)格式*/
       setValue = 0x2B;
       Adxl345WriteRegister(adxl，REG_DATA_FORMAT，setValue);
       adxl->Delayus(50);
   
       /*配置數(shù)據(jù)速率及功率模式*/
       setValue = 0x0A;
       Adxl345WriteRegister(adxl，REG_BW_RATE，setValue);
       adxl->Delayus(50);
   
       /*配置電源特性*/
       setValue = 0x28;
       Adxl345WriteRegister(adxl，REG_POWER_CTL，setValue);
       adxl->Delayus(50);
   
       /*配置中斷使能*/
       setValue = 0;
       Adxl345WriteRegister(adxl，REG_INT_ENABLE，setValue);
       adxl->Delayus(50);
 
       /*配置X軸偏移*/
       Adxl345WriteRegister(adxl，REG_OFSX，setValue);
       adxl->Delayus(50);
 
       /*配置Y軸偏移*/
       Adxl345WriteRegister(adxl，REG_OFSY，setValue);
       adxl->Delayus(50);
 
       /*配置Z軸偏移*/
       Adxl345WriteRegister(adxl，REG_OFSZ，setValue);
       adxl->Delayus(500);
}

2.2 、對象操作

我們定義一個對象的目的是操作這個對象，這也是驅(qū)動程序的主要內(nèi)容。接下來我們就來實(shí)現(xiàn)對ADXL345對象的操作函數(shù)。

2.2.1 、寫數(shù)據(jù)操作

對ADXL345對象的寫操作因?yàn)槭褂玫慕涌诓煌鋽?shù)據(jù)幀格式也會有不同。使用SPI接口時，其數(shù)據(jù)幀格式如下：

而使用I2C接口時，可以同時寫多個寄存器，其數(shù)據(jù)幀格式如下：

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)幀格式和時序圖我們可以編寫寫ADXL345的寄存器函數(shù)：

/* 寫ADXL345的寄存器 */
static voidAdxl345WriteRegister(Adxl345ObjectType *adxl，uint8_t regAdd，uint8_t wData)
{     
       if(adxl->port==SPI)
       {
              adxl->ChipSelect(ADXL345CS_Enable);
              adxl->Delayus(50);
              adxl->WriteBytes(adxl，regAdd，&wData，1);
              adxl->Delayus(50);
              adxl->ChipSelect(ADXL345CS_Disable);
       }
       else
       {
              adxl->WriteBytes(adxl，regAdd，&wData，1);
       }
}

2.2.2 、讀數(shù)據(jù)操作

對ADXL345對象的讀操作也同樣在使用不同的接口時擁有不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。使用SPI接口時，其數(shù)據(jù)幀格式如下：

而在使用I2C接口時，可以實(shí)現(xiàn)一個或多個寄存器的讀操作，其數(shù)據(jù)幀格式如下：

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)幀格式和時序圖我們可以開發(fā)讀取ADXL345的寄存器操作函數(shù)：

/* 讀取ADXL345的寄存器 */
static uint8_tAdxl345ReadRegister(Adxl345ObjectType *adxl，uint8_t regAdd)
{
       uint8_t regValue=0;
      
       if(adxl->port==SPI)
       {
              adxl->ChipSelect(ADXL345CS_Enable);
              adxl->Delayus(50);
              adxl->ReadBytes(adxl，regAdd，®Value，1);
              adxl->Delayus(50);
              adxl->ChipSelect(ADXL345CS_Disable);
       }
       else
       {
              adxl->ReadBytes(adxl，regAdd，®Value，1);
       }
      
       returnregValue;
}

2.2.3 、測量數(shù)據(jù)輸出

我們操作ADXL345對象的目的當(dāng)然是獲取我們想要的數(shù)據(jù)。最基本的，我們開發(fā)從ADXL345獲取3個坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

/*讀取數(shù)據(jù)值，分辨率(3.9 mg/LSB)*/
voidGetValueFromAdxl345(Adxl345ObjectType *adxl)
{
 uint8_t devID = 0;
 uint8_t dataTemp[6];
 
 /*讀取設(shè)備ID，在每次操作前讀一次*/
 devID=Adxl345ReadRegister(adxl，REG_DEVID);
 if(adxl->devID!=devID)
 {
    return;
 }
 adxl->Delayus(200);
 
 /*讀取三軸數(shù)據(jù)值*/
 Adxl345ReadMultiReg(adxl，REG_DATAX0，dataTemp，6);
 
 /*數(shù)據(jù)解析*/
 adxl->incidence_X = (int16_t)(dataTemp[0] + ((uint16_t)dataTemp[1]<< 8));
 adxl->incidence_Y = (int16_t)(dataTemp[2] + ((uint16_t)dataTemp[3]<< 8));
 adxl->incidence_Z = (int16_t)(dataTemp[4] + ((uint16_t)dataTemp[5]<< 8));
      
 adxl->incidence_Xf = (float)(adxl->incidence_X * 0.0039);
 adxl->incidence_Yf = (float)(adxl->incidence_Y * 0.0039);
 adxl->incidence_Zf = (float)(adxl->incidence_Z * 0.0039);
}

3 、驅(qū)動的使用

完成了驅(qū)動的設(shè)計(jì)開發(fā)，我們還要使用驅(qū)動實(shí)現(xiàn)ADXL345的應(yīng)用。與其它外設(shè)一樣，我們也按照實(shí)際項(xiàng)目的使用流程來驗(yàn)證之。

3.1 、聲明并初始化對象

首先我們使用前面定義的Adxl345ObjectType類型聲明一個ADXL345對象變量。如：Adxl345ObjectType adxl345；

聲明對象變量后還需要調(diào)用Adxl345Initialization初始化函數(shù)對ADXL345對象變量進(jìn)行初始化。當(dāng)然在調(diào)用初始化函數(shù)前需要考慮傳入的參數(shù)。特別是幾個函數(shù)指針需要實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的函數(shù)。需要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)類型如下：

typedef void(*Adxl345ReadBytesType)(struct Adxl345Object *adxl，uint8_t regAdd，uint8_t *rData，uint16_t rSize); //讀ADXL345寄存器操作

typedef void(*Adxl345WriteBytesType)(struct Adxl345Object *adxl，uint8_t regAdd，uint8_t *wData，uint16_t wSize);//寫ADXL345寄存器操作

typedef void(*Adxl345ChipSelectType)(Adxl345CSType en); //使用SPI接口時，片選操作

typedef void(*Adxl345DelayType)(volatile uint32_t nTime); / 實(shí)現(xiàn)us延時操作 /

定義這幾個函數(shù)后，就可以將器函數(shù)指針作為實(shí)參傳遞給初始化函數(shù)。調(diào)用如下：

Adxl345Initialization(&adxl345，devAdd，port，read，write，cs，delay);

其中adxl345為需要初始化的ADXL345對象。devAdd為使用I2C通訊時的設(shè)備地址，使用SPI時無用。port為通訊端口的類型，SPI或者I2C。read讀操作函數(shù)指針，是對硬件層的封裝。write為寫操作函數(shù)指針，是對硬件層的封裝。cs為使用SPI接口時，片選操作函數(shù)指針。delay為延時函數(shù)的指針。

3.2 、基于對象進(jìn)行操作

對象初始化完成后就可進(jìn)行相應(yīng)的操作。ADXL345的操作比較簡單就是調(diào)用GetValueFromAdxl345函數(shù)獲取我們需要的數(shù)據(jù)。具體的調(diào)用樣式如下：

GetValueFromAdxl345(&adxl345);

這個使用比較簡單，因?yàn)槲覀冊诔跏蓟瘯r將數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)速率及功率模式、電源特性、中斷使能、各軸的數(shù)據(jù)偏移量等都按我們的需要在初始化時作了配置。如果需要不同配置則需要做相應(yīng)的修改。

4 、應(yīng)用總結(jié)

在我們的應(yīng)用中，我們將其設(shè)置為全分辨率，±16g的測量范圍，讀取數(shù)據(jù)與預(yù)期一致。

使用I2C接口時，設(shè)備地址使用7位輸入或8位輸入都沒問題，地址一共有4種可能。其他的都為非法地址，在地址輸入不符合要求時，會被默認(rèn)初始化為廣播地址。

在使用SPI接口時，如果是通過軟件操作片選信號則需要實(shí)現(xiàn)操作函數(shù)并將函數(shù)指針傳遞給初始化函數(shù)。如果硬件上采取永久選中的形式則可將NULL作為參數(shù)傳入。