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。

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計算傾斜角度

加速度計廣泛用于消費(fèi)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(bǔ)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(bǔ)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。

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)。

生成STM32CUBEMX

用STM32CUBEMX生成例程，這里使用MCU為STM32WB55RG。 配置時鐘樹，配置時鐘為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，若不添加會出現(xiàn) identifier "FILE" is undefined報錯。

复制/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */

函數(shù)聲明和串口重定向：

复制/* 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。

复制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。

复制/* 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。

复制/* 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。

复制/* 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。

复制/* 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。

复制/* 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。

复制/* 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 */

計算傾角

复制/* 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

在平放時候數(shù)據(jù)如下所示。

審核編輯 黃宇