先聲明一下這篇東西不是寫給買來IIS3DWB模塊只打算通電看個(gè)亮的朋友而是寫給真正要在STM32C5上把這顆傳感器跑起來、通過SPI拿到高質(zhì)量震動(dòng)數(shù)據(jù)的人。IIS3DWB這顆加速度計(jì)在工業(yè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)里地位很特殊——6kHz帶寬、26.7kHz輸出數(shù)據(jù)速率配合STM32C5這種帶Cortex-M33內(nèi)核的新一代低功耗MCU做旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸承故障診斷、風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)這類項(xiàng)目非常適合。但正因?yàn)檫@顆芯片帶寬高SPI時(shí)序、寄存器配置順序、數(shù)據(jù)解析這些環(huán)節(jié)稍微有一點(diǎn)不小心讀出來的數(shù)據(jù)就會(huì)讓你懷疑人生。我自己在調(diào)試IIS3DWB10IS這塊子板的時(shí)候第一版固件花了整整一個(gè)晚上才把WHO_AM_I讀回來后來回頭排查發(fā)現(xiàn)根本不是傳感器的問題也不是STM32C5的問題而是SPI模式配置錯(cuò)了。這顆傳感器對(duì)SPI的CPOL和CPHA有嚴(yán)格的要求用錯(cuò)模式后讀出來的ID永遠(yuǎn)不對(duì)。這篇文章就圍繞STM32C5通過SPI讀取IIS3DWB10IS震動(dòng)數(shù)據(jù)的全過程展開從硬件連接、CubeMX配置、寄存器初始化到連續(xù)讀取6字節(jié)加速度數(shù)據(jù)、最終把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有實(shí)際意義的震動(dòng)值每一步都會(huì)講清楚為什么這么做、踩過哪些坑、怎么排查。順便說一句如果你在猶豫用IIC還是SPI讀這顆傳感器直接選SPI。IIS3DWB的ODR最高支持26.7kHzIIC的時(shí)鐘頻率撐不住這么高的吞吐量強(qiáng)行用IIC只會(huì)把數(shù)據(jù)速率壓得很低白白浪費(fèi)這顆芯片的帶寬優(yōu)勢(shì)。下面正文開始。1. 為什么選IIS3DWB一顆為高帶寬振動(dòng)而生的加速度計(jì)1.1 IIS3DWB在振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的位置IIS3DWB是ST推出的一款三軸數(shù)字加速度計(jì)最大帶寬6kHz輸出數(shù)據(jù)速率最高26.7kHz這個(gè)參數(shù)在MEMS加速度計(jì)里屬于很能打的水平。普通加速度計(jì)比如常見的LIS3DH帶寬一般幾百赫茲做姿態(tài)檢測(cè)、計(jì)步器綽綽有余但拿去做軸承故障診斷、齒輪箱振動(dòng)分析高頻分量根本采不到。IIS3DWB就是為了這類高頻振動(dòng)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的FS量程可選±2g、±4g、±8g、±16g噪聲密度低配合高ODR可以在頻域里看到更豐富的振動(dòng)特征。IIS3DWB10IS是ST官方出的一款帶Sensor子板的模組板子上集成了IIS3DWB傳感器芯片以及必要的去耦電容和電平轉(zhuǎn)換電路引腳通過排針或郵票孔引出方便直接插到MCU板上調(diào)試。這個(gè)子板在ST的評(píng)估體系里通常是配合STEVAL-MKI197V1這類適配板使用的但完全可以用杜邦線飛線連接到STM32C5開發(fā)板上只要接線正確、電平匹配跑SPI沒有任何問題。1.2 為什么是SPI而不是IICIIS3DWB同時(shí)支持IIC和SPI兩種接口但認(rèn)真看過數(shù)據(jù)手冊(cè)就知道這顆芯片的SPI時(shí)鐘最高可以到10MHz而IIC的最高通訊速率受限于Fast-mode Plus的1MHz規(guī)格。這意味著在相同時(shí)間內(nèi)SPI能搬運(yùn)的數(shù)據(jù)量比IIC大得多。震動(dòng)數(shù)據(jù)采集講究連續(xù)性O(shè)DR開到26.7kHz、三軸數(shù)據(jù)每個(gè)樣本6字節(jié)每秒就要輸出約160KB的數(shù)據(jù)這個(gè)吞吐量用IIC來跑非常緊張。另外從時(shí)序確定性角度看SPI是全雙工同步通訊Master產(chǎn)生時(shí)鐘從機(jī)在時(shí)鐘沿驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線沒有IIC那種地址應(yīng)答、仲裁、時(shí)鐘同步的額外開銷讀數(shù)據(jù)的時(shí)候延遲更可控。對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的振動(dòng)采集場(chǎng)景SPI明顯更合適。ST的官方例程也基本以SPI為主網(wǎng)上能找到的參考代碼也大多用SPI。1.3 STM32C5在其中的角色STM32C5是ST新一代主流級(jí)MCU系列基于Arm Cortex-M33內(nèi)核主打低功耗和高性價(jià)比。相比老的F系列C5系列在運(yùn)算性能、外設(shè)豐富度和功耗控制上都有明顯提升而且CubeMX已經(jīng)提供了完善的支持。用SPI讀取IIS3DWB這種帶寬要求高的傳感器時(shí)MCU的SPI外設(shè)支持DMA更是加分項(xiàng)可以在不占用CPU的情況下持續(xù)搬運(yùn)數(shù)據(jù)。這篇博客用的主控是STM32C5系列開發(fā)板CubeMX生成初始化代碼HAL庫(kù)驅(qū)動(dòng)SPI外設(shè)。整體流程對(duì)STM32F4、G4系列同樣適用只需注意引腳復(fù)用關(guān)系和時(shí)鐘樹配置不同即可。2. 硬件連接與信號(hào)完整性別讓小細(xì)節(jié)毀掉高頻數(shù)據(jù)2.1 IIS3DWB10IS引腳定義與接線表拿到IIS3DWB10IS子板首先確認(rèn)板子上的絲印。這塊子板引出的引腳中與SPI通訊相關(guān)的有這么幾個(gè)SCLK、SDI、SDO、CS另外就是VDD、GND以及可選的INT1、INT2中斷引腳。部分版本的子板還會(huì)引出SA0引腳這個(gè)在做IIC地址選擇時(shí)才用SPI模式下不需要關(guān)心。以STM32C5開發(fā)板為例用SPI1外設(shè)時(shí)典型接線如下表所示IIS3DWB10IS引腳功能說明STM32C5對(duì)應(yīng)引腳備注SCLKSPI時(shí)鐘線PA5 (SPI1_SCK)由MCU作為Master產(chǎn)生時(shí)鐘SDIMOSI數(shù)據(jù)線PA7 (SPI1_MOSI)Master輸出連接從機(jī)輸入SDOMISO數(shù)據(jù)線PA6 (SPI1_MISO)從機(jī)輸出連接Master輸入CS片選信號(hào)PA4 (SPI1_NSS)低電平有效VDD電源正極3.3V注意電壓范圍GND地GND共地必須可靠如果你的開發(fā)板選擇的SPI引腳不在PA5/PA6/PA7上比如有些板子把SPI1復(fù)用在PB3/PB4/PB5那接線就按實(shí)際的管腳映射來代碼里初始化SPI時(shí)用的引腳也會(huì)隨之變化。這個(gè)靈活度很高關(guān)鍵是引腳和SPI外設(shè)之間的映射關(guān)系必須和CubeMX配置保持一致。2.2 供電、去耦與電平匹配IIS3DWB的供電范圍是1.71V到3.6V子板上一般已經(jīng)放了100nF和4.7uF的去耦電容所以直接用3.3V給VDD供電即可。需要注意MCU和傳感器必須在同一個(gè)參考地電位否則SPI通訊會(huì)出現(xiàn)莫名其妙的偶發(fā)錯(cuò)誤。尤其用杜邦線飛線時(shí)地線要盡可能短、粗最好用兩根地線并聯(lián)連接降低地回路阻抗。STM32C5的IO口是3.3V電平和IIS3DWB子板的電平直接兼容不需要電平轉(zhuǎn)換。如果你用的是別的MCU比如5V電平的Arduino就必須在通訊線上串聯(lián)電阻分壓或者加電平轉(zhuǎn)換芯片否則會(huì)損壞傳感器。2.3 線長(zhǎng)、線序與干擾在高頻SPI通訊里線長(zhǎng)和信號(hào)完整性密切相關(guān)。IIS3DWB的SCLK最高能到10MHz雖然這個(gè)頻率不算極高速但當(dāng)杜邦線超過15厘米、又沒有良好的地回路時(shí)波形振鈴會(huì)很嚴(yán)重導(dǎo)致數(shù)據(jù)采樣出錯(cuò)。我建議在最初調(diào)試階段把SPI時(shí)鐘配置成2MHz左右先把通訊跑通確認(rèn)數(shù)據(jù)和寄存器配置都沒問題再逐步把時(shí)鐘提上去。如果后續(xù)需要高頻采樣且數(shù)據(jù)量增大可以考慮把杜邦線換成雙絞線或者干脆設(shè)計(jì)和傳感器子板一體的PCB走線越短越好。另外SPI的SCLK和SDI、SDO之間不要交叉飛線CS片選線盡量單獨(dú)走避免數(shù)據(jù)跳變耦合到時(shí)鐘線上。電源線也不要和信號(hào)線平行走太長(zhǎng)距離。3. CubeMX工程配置把SPI外設(shè)和片選引腳調(diào)對(duì)3.1 創(chuàng)建工程與選擇MCU打開STM32CubeMX在選擇MCU的界面上直接搜STM32C5系列的具體型號(hào)比如STM32C501或STM32C511之類的開發(fā)板型號(hào)。新建工程后首先配置時(shí)鐘源可以選擇外部高速晶振HSE也可以直接用內(nèi)部時(shí)鐘HSI。為了方便調(diào)試我一般把System Clock配置到最高頻率比如64MHz或更高這樣SPI外設(shè)時(shí)鐘源充裕分頻選擇更靈活。配置完時(shí)鐘后在左側(cè)Categories里找到Connectivity打開SPI1將Mode設(shè)置為Full-Duplex Master硬件片選可以暫時(shí)使用Software NSS或Hardware NSS。兩種方式各有優(yōu)劣我建議調(diào)試初期用Hardware NSS讓CubeMX自動(dòng)把SPI1_NSS引腳配置為AF復(fù)用功能減少手動(dòng)控制CS的代碼踩坑概率更低。軟件片選留到后面需要靈活控制CS時(shí)序時(shí)再切換。3.2 SPI參數(shù)配置細(xì)節(jié)在SPI1的Configuration面板里需要配置以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)?；九渲庙?xiàng)如下表所示參數(shù)項(xiàng)配置值說明ModeFull-Duplex Master全雙工主模式Data Size8 BitsIIS3DWB寄存器按字節(jié)訪問First BitMSB First遵循SPI協(xié)議最高位先發(fā)Prescaler32或64根據(jù)時(shí)鐘頻率計(jì)算實(shí)際SPI時(shí)鐘初始建議低于5MHzClock Polarity(CPOL)Low空閑時(shí)鐘保持低電平對(duì)應(yīng)SPI Mode 0Clock Phase(CPHA)1 Edge第一個(gè)邊沿采樣對(duì)應(yīng)SPI Mode 0NSSHardware NSS由硬件控制片選上表中最容易出錯(cuò)的就是CPOL和CPHA。IIS3DWB的數(shù)據(jù)手冊(cè)里明確指出SPI通訊支持模式0CPOL0、CPHA0和模式3CPOL1、CPHA1。大部分MCU初始化代碼默認(rèn)都是模式0即Clock Polarity選Low、Clock Phase選1st Edge。如果這里選成了模式1或模式2通訊就會(huì)失敗但代碼又不會(huì)報(bào)錯(cuò)只會(huì)讀到全0或者0xFF之類的異常數(shù)據(jù)。后面我會(huì)專門講怎么用邏輯分析儀或者讀取ID來判斷是不是SPI模式搞錯(cuò)了。Prescaler的配置要和APB時(shí)鐘配合計(jì)算。假設(shè)APB2時(shí)鐘是64MHzPrescaler選16SPI時(shí)鐘就是4MHz這個(gè)頻率低于IIS3DWB支持的10MHz上限同時(shí)在杜邦線場(chǎng)景下也比較穩(wěn)定。隊(duì)伍全部跑通后想提速再把Prescaler調(diào)小比如8分頻得到8MHz6分頻甚至4分頻得到更高時(shí)鐘但需要驗(yàn)證波形質(zhì)量。3.3 生成代碼與工程結(jié)構(gòu)CubeMX配置完成后點(diǎn)上方的Generate Code按鈕生成初始工程。如果使用的IDE是Keil MDKProject Manager里選MDK-ARM V5或者V6用STM32CubeIDE就選STM32CubeIDE直接生成。生成的代碼里SPI初始化函數(shù)會(huì)出現(xiàn)在MX_SPI1_Init()里GPIO初始化和片選引腳配置會(huì)自動(dòng)處理好。打開生成的main.c可以看到HAL_SPI_Transmit()、HAL_SPI_Receive()這些HAL庫(kù)函數(shù)已經(jīng)可用。接下來要做的就是在User Code Begin區(qū)域里添加IIS3DWB的驅(qū)動(dòng)代碼。4. 從WHO_AM_I開始的寄存器初始化第一步?jīng)Q定成敗4.1 認(rèn)識(shí)IIS3DWB關(guān)鍵寄存器IIS3DWB寄存器不多核心操作也就幾個(gè)。首先要認(rèn)識(shí)WHO_AM_I寄存器地址0x0F讀出來的固定值應(yīng)該是0xDB。這個(gè)寄存器相當(dāng)于傳感器的身份證明能讀對(duì)就說明SPI物理層、協(xié)議層都對(duì)了。其次是CTRL1到CTRL6這一組控制寄存器用來配置ODR、FS、濾波、中斷等。加速度數(shù)據(jù)輸出寄存器從0x28開始依次是OUT_X_L、OUT_X_H、OUT_Y_L、OUT_Y_H、OUT_Z_L、OUT_Z_H六個(gè)字節(jié)。CTRL1地址是0x20主要配置ODR和低通濾波器。IIS3DWB的ODR有多個(gè)檔位最高26.7kHz最低1.6Hz。做振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)通常開高ODR比如26.7kHz或13.3kHz這樣才能把6kHz帶寬內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)完整采下來。CTRL2地址0x21用于軟件復(fù)位和BDR等觸發(fā)配置建議初始化時(shí)先寫0x01執(zhí)行軟件復(fù)位等傳感器穩(wěn)定后再配置其他寄存器。CTRL6地址0x25可以配置濾波器帶寬模式IIS3DWB有兩種低通濾波器配置。如果只做原始振動(dòng)數(shù)據(jù)采集可以關(guān)掉低通濾波或選擇較寬的帶寬把傳感器原始頻率響應(yīng)完整保留下來。濾波器的取舍后面專門說。4.2 SPI讀寫指令格式SPI操作IIS3DWB寄存器時(shí)指令由第一個(gè)字節(jié)組成最高位是讀寫標(biāo)志位低7位是寄存器地址。讀操作時(shí)第一個(gè)字節(jié)是0x80 | REG_ADDR也就是最高位置1寫操作時(shí)第一個(gè)字節(jié)是0x00 | REG_ADDR。從第二個(gè)字節(jié)開始寫操作是數(shù)據(jù)內(nèi)容讀操作是寄存器數(shù)據(jù)返回。有個(gè)重要特性IIS3DWB的地址指針在連續(xù)讀取時(shí)會(huì)自動(dòng)遞增。也就是說如果想讀取OUT_X_L到OUT_Z_H這6個(gè)字節(jié)只需要發(fā)送一次讀指令0x80 | 0x28然后連續(xù)拉CLK讀取6個(gè)字節(jié)即可不需要為每個(gè)寄存器單獨(dú)發(fā)送讀指令。這個(gè)特性對(duì)提高SPI讀取效率、降低CPU開銷非常關(guān)鍵尤其是后續(xù)改用DMA搬運(yùn)數(shù)據(jù)時(shí)一次多字節(jié)傳輸就能把三軸數(shù)據(jù)全部拿回來。4.3 用HAL庫(kù)代碼讀取WHO_AM_I在main.c中添加一段讀ID的代碼核心思路是先拉低CS通過SPI發(fā)送讀指令和讀取返回字節(jié)最后拉高CS。用HAL庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的話可以用HAL_SPI_TransmitReceive()雙緩沖方式一次性完成發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)。代碼示例如下uint8_t iis3dwb_read_reg(uint8_t reg_addr) { uint8_t tx_data[2]; uint8_t rx_data[2] {0, 0}; tx_data[0] 0x80 | reg_addr; tx_data[1] 0x00; // dummy byte, 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)從機(jī)輸出數(shù)據(jù) HAL_GPIO_WritePin(SPI1_CS_GPIO_Port, SPI1_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); HAL_SPI_TransmitReceive(hspi1, tx_data, rx_data, 2, 100); HAL_GPIO_WritePin(SPI1_CS_GPIO_Port, SPI1_CS_Pin, GPIO_PIN_SET); return rx_data[1]; }這個(gè)函數(shù)里有個(gè)容易被忽略的地方發(fā)送讀指令后要跟一個(gè)dummy字節(jié)才能讀到數(shù)據(jù)。因?yàn)镾PI是全雙工協(xié)議MISO上的數(shù)據(jù)是在主機(jī)連續(xù)輸出時(shí)鐘時(shí)才會(huì)驅(qū)動(dòng)的第一個(gè)字節(jié)期間從機(jī)還在解析指令第二個(gè)字節(jié)時(shí)鐘來自主機(jī)的dummy發(fā)送過程從機(jī)才把寄存器數(shù)據(jù)放到MISO上。這個(gè)用法我在第一次寫代碼時(shí)就沒注意當(dāng)時(shí)只用HAL_SPI_Transmit()發(fā)了一個(gè)字節(jié)然后調(diào)用HAL_SPI_Receive()去收數(shù)據(jù)結(jié)果收到的永遠(yuǎn)是0xFF。原因就是兩次獨(dú)立調(diào)用之間CS指針被拉高從機(jī)的數(shù)據(jù)輸出根本沒有被時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)出來。在主循環(huán)里調(diào)用上述函數(shù)讀回的值如果等于0xDB用串口打印出來看到這個(gè)數(shù)字基本可以確定SPI通訊已經(jīng)打通了。uint8_t id iis3dwb_read_reg(0x0F); printf(WHO_AM_I 0x%02X\r\n, id);如果讀到的不是0xDB先別急著查代碼按照后面排查章節(jié)的內(nèi)容逐項(xiàng)檢查。4.4 軟件復(fù)位與初始化序列讀通ID之后下一步就是對(duì)傳感器做完整初始化。建議的初始化順序是先軟件復(fù)位再配置CTRL1、CTRL6等寄存器最后讀一次狀態(tài)寄存器確認(rèn)傳感器已經(jīng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。iis3dwb_write_reg(0x21, 0x01); // 軟復(fù)位 HAL_Delay(50); iis3dwb_write_reg(0x20, 0x60); // 配置CTRL1ODR26.7kHz, 全部軸使能 iis3dwb_write_reg(0x25, 0x00); // 配置CTRL6關(guān)閉低通濾波或設(shè)置最寬帶寬CTRL1的值可以根據(jù)ODR需求調(diào)整0x60對(duì)應(yīng)的是26.7kHz輸出速率同時(shí)使能X軸、Y軸、Z軸。假如你只想采集單軸數(shù)據(jù)也可以通過CTRL1里的各軸禁用位來關(guān)閉不需要的軸降低數(shù)據(jù)量。軟復(fù)位后延時(shí)50ms這是因?yàn)閭鞲衅鲝?fù)位過程需要時(shí)間復(fù)位完成后內(nèi)部配置才會(huì)穩(wěn)定加載。如果延時(shí)太短就寫寄存器可能出現(xiàn)寫不進(jìn)去或者配置丟失的問題。4.5 寫寄存器也要注意CS控制寫寄存器函數(shù)和讀函數(shù)類似只是第一個(gè)字節(jié)不帶0x80標(biāo)志位。實(shí)現(xiàn)如下void iis3dwb_write_reg(uint8_t reg_addr, uint8_t data) { uint8_t tx_data[2]; tx_data[0] reg_addr; tx_data[1] data; HAL_GPIO_WritePin(SPI1_CS_GPIO_Port, SPI1_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); HAL_SPI_Transmit(hspi1, tx_data, 2, 100); HAL_GPIO_WritePin(SPI1_CS_GPIO_Port, SPI1_CS_Pin, GPIO_PIN_SET); }這里有個(gè)經(jīng)驗(yàn)細(xì)節(jié)CS拉低后要稍微有一點(diǎn)延時(shí)尤其在高速SPI時(shí)鐘下CS剛剛拉低立即開始發(fā)送時(shí)鐘可能會(huì)因?yàn)镃S建立時(shí)間不夠而導(dǎo)致第一個(gè)字節(jié)丟失。雖然大部分情況下HAL庫(kù)函數(shù)調(diào)用的底層初始化耗時(shí)已經(jīng)掩蓋了這個(gè)建立時(shí)間但在極端情況下還是會(huì)出問題。保險(xiǎn)做法是CS拉低后加一個(gè)空的循環(huán)或者短暫延時(shí)比如幾個(gè)NOP指令。5. 連續(xù)讀取6字節(jié)加速度數(shù)據(jù)SPI時(shí)序里最容易被低估的坑5.1 數(shù)據(jù)寄存器地址映射IIS3DWB的加速度數(shù)據(jù)寄存器地址從0x28到0x2D分三軸、每軸16位低字節(jié)在前。寄存器地址寄存器名稱內(nèi)容0x28OUT_X_LX軸低字節(jié)0x29OUT_X_HX軸高字節(jié)0x2AOUT_Y_LY軸低字節(jié)0x2BOUT_Y_HY軸高字節(jié)0x2COUT_Z_LZ軸低字節(jié)0x2DOUT_Z_HZ軸高字節(jié)16位數(shù)據(jù)是有符號(hào)數(shù)用int16_t類型接收。合成時(shí)低字節(jié)在前所以代碼里要寫成(int16_t)((uint16_t)high 8 | low)。千萬別把字節(jié)序搞反否則數(shù)據(jù)會(huì)在正負(fù)值之間跳變震動(dòng)波形的極性完全錯(cuò)誤。5.2 一次性讀出6字節(jié)的SPI讀寫函數(shù)得益于地址自動(dòng)遞增特性可以寫一個(gè)更高效的多字節(jié)讀數(shù)函數(shù)void iis3dwb_read_xyz(int16_t *x, int16_t *y, int16_t *z) { uint8_t tx_data[7]; uint8_t rx_data[7] {0}; uint8_t output[6]; tx_data[0] 0x80 | 0x28; for (int i 1; i 7; i) { tx_data[i] 0x00; } HAL_GPIO_WritePin(SPI1_CS_GPIO_Port, SPI1_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET); HAL_SPI_TransmitReceive(hspi1, tx_data, rx_data, 7, 100); HAL_GPIO_WritePin(SPI1_CS_GPIO_Port, SPI1_CS_Pin, GPIO_PIN_SET); for (int i 0; i 6; i) { output[i] rx_data[i 1]; } *x (int16_t)((uint16_t)output[1] 8 | output[0]); *y (int16_t)((uint16_t)output[3] 8 | output[2]); *z (int16_t)((uint16_t)output[5] 8 | output[4]); }這段代碼的核心是一次發(fā)送7個(gè)字節(jié)第一個(gè)字節(jié)是讀指令后面6個(gè)字節(jié)都是dummy而接收緩沖區(qū)里對(duì)應(yīng)的6個(gè)有效字節(jié)從rx_data[1]到rx_data[6]依次是OUT_X_L、OUT_X_H、OUT_Y_L、OUT_Y_H、OUT_Z_L、OUT_Z_H。之所以不使用分兩次發(fā)送的方式是為了保證CS在整個(gè)多字節(jié)讀取期間保持低電平片選不能中間拉高否則地址指針會(huì)重置或者通訊狀態(tài)機(jī)被破壞。5.3 數(shù)據(jù)更新位與應(yīng)對(duì)過讀問題IIS3DWB在讀取寄存器時(shí)如果讀的速度跟不上ODR可能會(huì)讀到當(dāng)前正在更新的數(shù)據(jù)。ST的傳感器普遍在STATUS寄存器里提供了一個(gè)數(shù)據(jù)就緒位地址是0x1Dbit0表示X、Y、Z軸數(shù)據(jù)已更新。讀取數(shù)據(jù)之前查一下這個(gè)標(biāo)志位可以確保讀到的是一幀完整數(shù)據(jù)而不是半幀。在實(shí)際高頻采樣時(shí)我不建議用標(biāo)志位查詢方式因?yàn)檩喸儤?biāo)志位本身會(huì)占用時(shí)間可能造成數(shù)據(jù)覆蓋。比較好的做法是把SPI讀取放到定時(shí)器中斷或者DMA完成中斷里以固定頻率觸發(fā)讀回來的數(shù)據(jù)先緩存到緩沖區(qū)再由上層算法處理。IIS3DWB內(nèi)部沒有FIFO數(shù)據(jù)采樣率又很高所以外部MCU必須及時(shí)把數(shù)據(jù)搬走否則高頻下的數(shù)據(jù)丟失是必然的。我在驗(yàn)證的時(shí)候用了一個(gè)簡(jiǎn)單辦法在讀取到一幀數(shù)據(jù)后檢查STATUS寄存器的bit0如果這個(gè)位沒置位就直接丟棄當(dāng)前幀等下一輪再讀。雖然會(huì)丟幀但在調(diào)試階段至少能保證拿到的每一幀都是完整的。等串口輸出正常了再切到定時(shí)器中斷模式提高數(shù)據(jù)完整性。6. 數(shù)據(jù)解析與震動(dòng)值換算從原始碼值到有意義的重力加速度6.1 量程與靈敏度IIS3DWB的靈敏度取決于FS配置數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的典型值如下量程(FS)靈敏度(mg/digit)說明±2g0.061最精細(xì)高頻下容易飽和±4g0.122平衡兼顧±8g0.244工業(yè)振動(dòng)常用±16g0.488適合大沖擊震動(dòng)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景通常推薦把FS配置成±8g或±16g。原因是工業(yè)設(shè)備的振動(dòng)很多時(shí)候帶有瞬時(shí)沖擊分量如果量程設(shè)得太小數(shù)據(jù)頂部會(huì)被削平導(dǎo)致時(shí)域波形明顯失真。我之前用±2g量程去測(cè)一個(gè)小型電機(jī)的振動(dòng)空載時(shí)看起來沒問題負(fù)載一加上去波形尖峰直接被削頂后來把FS改成±8g才看到完整的沖擊特征。靈敏度換算的公式很簡(jiǎn)單[ 實(shí)際加速度(g) 原始碼值 \times 靈敏度(mg/digit) / 1000 ]如果把原始數(shù)據(jù)乘以靈敏度再除以1000就得到了以g為單位的三軸加速度值。如果想換算成m/s2再乘以9.80665即可。6.2 實(shí)測(cè)算例假設(shè)某次讀取得到的原始碼值是13456FS配置為±8g靈敏度0.244mg/digit則[ 13456 \times 0.244 / 1000 3.283g ]這個(gè)數(shù)值大約是3.28g的加速度。如果靜止水平放置Z軸理論上應(yīng)該讀到接近1g的重力加速度X軸和Y軸接近0g。用這個(gè)常識(shí)可以快速驗(yàn)證數(shù)據(jù)解析是否正確。我的經(jīng)驗(yàn)是每次換量程或換傳感器板子后先把傳感器平放看看Z軸讀數(shù)是不是在1g附近如果偏差超過±5%就要檢查靈敏度系數(shù)是不是配錯(cuò)了。6.3 震動(dòng)數(shù)據(jù)在時(shí)域和頻域里的呈現(xiàn)拿到以g為單位的加速度數(shù)據(jù)后震動(dòng)分析的下一步通常是做時(shí)域波形顯示和FFT頻譜分析。時(shí)域里可以看到震動(dòng)的幅值包絡(luò)頻域里可以看到主要頻率成分。比如電機(jī)轉(zhuǎn)速3000rpm轉(zhuǎn)頻是50Hz軸承外圈故障特征頻率可能是轉(zhuǎn)頻的3.3倍左右這些在頻譜圖上都能清晰看到。用串口把數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)最簡(jiǎn)單的做法是直接在串口助手里看數(shù)字。但如果你需要實(shí)時(shí)波形建議寫一個(gè)簡(jiǎn)單的Python腳本用pyserial讀取串口數(shù)據(jù)再用matplotlib繪制波形或者把數(shù)據(jù)保存成CSV文件后用Excel或Origin分析。6.4 數(shù)據(jù)格式和串口輸出代碼在STM32C5的代碼中把解析好的數(shù)據(jù)通過串口打印出來格式可以自定義。推薦以CSV格式輸出字段之間用逗號(hào)分隔每幀占一行方便上位機(jī)解析。printf(%d, %d, %d\r\n, raw_x, raw_y, raw_z);如果用的是HAL庫(kù)的printf重定向需要在工程里重寫fputc函數(shù)把輸出重定向到UART發(fā)送函數(shù)。這一步在Keil里稍微配置一下即可不是本篇重點(diǎn)不展開說。7. 調(diào)試實(shí)錄SPI讀不到ID時(shí)的完整排查鏈路7.1 第一步先懷疑物理連接我在調(diào)IIS3DWB時(shí)遇到的最典型問題是WHO_AM_I讀出來是0xFF。第一步排查就是檢查接線。拿萬用表量一下每個(gè)引腳的連通性特別是SDO和SCLK因?yàn)槎虐罹€在反復(fù)插拔后很容易出現(xiàn)接觸不良。還有一種隱蔽問題子板的排針座如果虛焊看起來線接上了但信號(hào)根本過不去。這種情況下示波器測(cè)量SPI_SCK引腳會(huì)有波形但Sensor端的SCLK可能是懸空的。7.2 第二步確認(rèn)SPI模式是否正確如果接線沒有問題讀ID還是錯(cuò)誤就要檢查CPOL和CPHA。IIS3DWB支持模式0和模式3但前提是你必須選模式0或模式3不能選模式1或模式2。最簡(jiǎn)單的判斷方法是把SPI時(shí)鐘降到1MHz然后用邏輯分析儀抓取SCLK和SDO波形。如果看到SDO在SCLK上升沿穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)、下降沿變化說明硬件時(shí)序和模式0匹配如果SDO在下降沿采樣才穩(wěn)定可能是模式3。沒有邏輯分析儀的話也可以用一種笨辦法在CubeMX里依次嘗試四種SPI模式組合每次重新編譯下載看哪次能讀回0xDB。四組參數(shù)試完最多也就是幾分鐘比憑空猜快得多。7.3 第三步檢查CS時(shí)序和片選極性CS拉低后到SCLK開始發(fā)送之間需要滿足建立時(shí)間。雖然IIS3DWB的建立時(shí)間要求不算苛刻但如果MCU在CS拉低后立即發(fā)起SPI發(fā)送且SPI時(shí)鐘很高可能在極端情況下導(dǎo)致第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)不穩(wěn)定。排查方法是降低SPI時(shí)鐘比如降到500kHz看問題是否消失。如果降頻后正常說明時(shí)序余量不足可以在代碼里CS拉低后加延時(shí)或者保持較低SPI時(shí)鐘運(yùn)行。7.4 第四步檢查接收緩沖區(qū)和字節(jié)序讀到數(shù)據(jù)但數(shù)值不對(duì)比如X軸應(yīng)該接近0卻顯示某個(gè)大數(shù)或者Z軸靜態(tài)時(shí)不是1g優(yōu)先檢查字節(jié)拼接順序。很多第一次寫IIS3DWB驅(qū)動(dòng)的朋友會(huì)把低字節(jié)和高字節(jié)拼反或者把int16_t和uint16_t混用導(dǎo)致符號(hào)位錯(cuò)亂。這里注意一個(gè)細(xì)節(jié)IIS3DWB的輸出是有符號(hào)數(shù)用int16_t接收拼接時(shí)必須先把兩個(gè)uint8_t擴(kuò)展成uint16_t再移位否則在編譯器里會(huì)發(fā)生整數(shù)提升導(dǎo)致符號(hào)擴(kuò)展錯(cuò)誤。7.5 第五步排查傳感器供電與復(fù)位狀態(tài)偶爾會(huì)遇到傳感器輸出全零的情況。此時(shí)檢查VDD電壓是否在正常工作范圍以及是否已經(jīng)完成軟件復(fù)位。IIS3DWB上電后如果一直處于復(fù)位狀態(tài)所有寄存器值都是默認(rèn)值數(shù)據(jù)輸出可能是0或異常。還有一種可能是傳感器進(jìn)入了低功耗模式可以通過讀CTRL1寄存器確認(rèn)ODR是否配置成功。8. 提升數(shù)據(jù)連續(xù)性的進(jìn)階思路定時(shí)器觸發(fā)和DMA搬運(yùn)8.1 為什么不建議在主循環(huán)里while(1)讀數(shù)據(jù)如果只是驗(yàn)證傳感器能不能工作在main函數(shù)里寫一個(gè)while(1)循環(huán)不斷調(diào)用讀取函數(shù)就夠了。但真實(shí)采集場(chǎng)景下主循環(huán)里還有其他任務(wù)比如串口發(fā)送、算法處理、顯示刷新這些任務(wù)會(huì)打斷SPI讀取的節(jié)奏導(dǎo)致采樣間隔不均勻。對(duì)于振動(dòng)分析來說采樣時(shí)間間隔抖動(dòng)會(huì)直接影響頻譜分析的精度可能出現(xiàn)頻譜泄漏或者虛假頻率分量。我的建議是使用基礎(chǔ)定時(shí)器產(chǎn)生固定頻率的更新中斷在中斷服務(wù)函數(shù)里只做一件事——啟動(dòng)SPI DMA傳輸讀取一組數(shù)據(jù)讀取完成后再通過DMA完成中斷通知主程序解析數(shù)據(jù)。這樣采樣間隔由定時(shí)器硬件保證抖動(dòng)可以控制在極小的范圍內(nèi)。8.2 SPIDMA的基本配置CubeMX中把SPI1的DMA通道打開選擇SPI1_RX、SPI1_TX都配置為Normal模式。生成代碼后在初始化里調(diào)用HAL_SPI_TransmitReceive_DMA()啟動(dòng)一次DMA傳輸。DMA完成中斷回調(diào)函數(shù)HAL_SPI_TxRxCpltCallback()里把數(shù)據(jù)拷貝到應(yīng)用緩沖區(qū)然后設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位通知主循環(huán)解析數(shù)據(jù)。這里有一個(gè)細(xì)節(jié)需要注意HAL庫(kù)的SPI DMA傳輸是一次性的每次傳完都要重新啟動(dòng)。為了連續(xù)采樣可以在完成回調(diào)里再次啟動(dòng)下一次傳輸。但注意不要在回調(diào)里做過多處理否則會(huì)影響下一次傳輸?shù)膯?dòng)時(shí)機(jī)。我的處理方式是在回調(diào)里只要幾個(gè)變量賦值和開啟下一次傳輸不進(jìn)行數(shù)據(jù)換算、不打串口、不跑算法。8.3 FIFO的取舍IIS3DWB沒有內(nèi)置FIFO這對(duì)高頻采樣是個(gè)遺憾。所以MCU側(cè)的緩沖設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。如果SPI時(shí)鐘足夠快比如8MHz那么讀取6字節(jié)只需要約6到7微秒在26.7kHz采樣周期約37.5微秒的情況下只占不到兩成時(shí)間MCU完全能應(yīng)付。但如果是低速SPI時(shí)鐘讀取時(shí)間過長(zhǎng)就會(huì)在啟動(dòng)下一次DMA前就已經(jīng)有一幀數(shù)據(jù)被覆蓋。所以進(jìn)階階段優(yōu)先把SPI時(shí)鐘提到8MHz或10MHz確保SPI傳輸時(shí)間遠(yuǎn)小于采樣周期。9. 寫在最后的實(shí)操心得這套STM32C5 IIS3DWB10IS的SPI讀取方案從CubeMX配置到最終拿到震動(dòng)波形整個(gè)過程的核心就三件事SPI模式必須配對(duì)、寄存器要按順序初始化、數(shù)據(jù)解析時(shí)字節(jié)序不能錯(cuò)。把這三點(diǎn)做扎實(shí)讀取加速度數(shù)據(jù)就只是幾行代碼的事。個(gè)人更推薦在調(diào)試階段保留一個(gè)專門用來讀狀態(tài)的函數(shù)比如讀取WHO_AM_I和STATUS寄存器在應(yīng)用代碼里通過串口定期打印。很多傳感器在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)因?yàn)殡姎庠肼暬螂娫床▌?dòng)出現(xiàn)偶發(fā)掛死及時(shí)監(jiān)視狀態(tài)寄存器能讓你在問題剛出現(xiàn)時(shí)就發(fā)現(xiàn)而不是等到數(shù)據(jù)錯(cuò)亂很久后才察覺。最后分享一個(gè)很多人忽視的小技巧IIS3DWB的X、Y、Z軸數(shù)據(jù)都是16位有符號(hào)數(shù)但在某些編譯器環(huán)境下直接用(int16_t)((reg_h 8) | reg_l)可能會(huì)因?yàn)樽笠埔绯霎a(chǎn)生警告或錯(cuò)誤符號(hào)擴(kuò)展。穩(wěn)妥做法是先用uint16_t拼接再加一層int16_t轉(zhuǎn)換。我見過不少人在這一步栽了跟頭讀出來的數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)時(shí)錯(cuò)最后才發(fā)現(xiàn)是類型轉(zhuǎn)換問題。基礎(chǔ)的細(xì)節(jié)永遠(yuǎn)值得多花時(shí)間確認(rèn)。