树莓派Pico与ADXL345三轴加速度传感器SPI总线接口技术及MicroPython编程

内容目录：
一、SPI总线接口介绍
二、树莓派Pico与ADXL345加速度传感器SPI总线接口
三、树莓派Pico与ADXL345加速度传感器MicroPython通信程序示例

一、SPI总线接口介绍
SPI(Serial Peripheral Interface)总线是Motorola公司推出的一种串行接口标准总线，允许微控制器(MCU)与不同厂家的标准外围设备直接相连，以串行通信方式交换信息。通过SPI接口可方便地与多种拥有SPI的外围器件或外设进行通信。
SPI采用主从方式传送数据，主机控制传输的启动。SPI接口使用了SCLK、MOSI和MOSI三条信号线，另有一条选择通信从机的/SS从机选择信号线。在SCLK信号同步下，数据在MOSI和MOSI两根信号线上进行传输；/SS则是主机发出的选择进行数据传输的从机控制线，低电平有效，只有被主机发送的/SS选中的从机，才能和主机交换数据。SPI主要支持一主多从机的连接方式。
SPI接口信号功能说明如下：
(1)SCLK(SPI Clock，串行时钟信号)：该信号由主机输出到从机，用于同步主机和从机之间在MOSI和MISO线上的串行数据传输；当主机启动一次数据传输时，自动产生SCLK时钟信号给从机，在SCLK的每个跳变处(上升沿或下降沿)移出一位数据，以此同步数据的发送或接收，因此，SCLK信号的频率决定了SPI数据传送的速率。
(2)MOSI(Master Out Slave In，主机输出/从机输入，简称主出从入)：主机的输出和从机的输入，用于从主机到从机的串行传输；当SPI接口作为主机时，该信号是输出；当SPI接口为从器件时，该信号是输入；根据SPI规范，多个从机可以挂在这一信号线上共享一根MOSI信号线。
(3)MISO (Master In Slave Out，主机输入/从机输出，简称主入从出)：从机的输出和主机的输入，用于从机到主机的串行数据传输；当SPI接口作为主机时，该信号是输入；当SPI接口为从器件时，该信号是输出；同样在SPI规范下，多个从机共享一根MISO信号线。当主机与一个从机通信时，其他从机应将其MISO引脚驱动置为高阻状态。
(4)/SS或/CS(Slave Select或Chip Select，从机选择信号或片选信号)：对从机而言，该信号是输入信号，由主机输出来选择处于从机工作方式的模块，低电平有效；对主机而言，其/SS引脚可通过10k电阻上拉至高电平；每一个从机的/SS可接到主机的I/O口，由主机控制电平的高低，以便主机选择从机；对于从机，只有在/SS信号有效的情况下才能进行发送或者接收；SPI主机可以使用本信号选择一个SPI器件作为当前的从机。
应用微控制器的SPI接口可组成如下几种数据通信方式：单主机-单从机方式、双器件方式(器件互为主机和从机)和单主机-多从机方式。
二、树莓派Pico与ADXL345加速度传感器SPI总线接口
树莓派Pico开发板GPIO扩展接口见图1所示，Pico开发板拥有两个SPI控制器，它可提供SPI0和SPI1两个SPI接口，从GPIO扩展接口引脚上看，它们都是GPIO复用的多功能引脚。

图1
这里采用Pico开发板SPI0接口并使用图1扩展接口右下角区域引脚编号的SPI0接口信号：SPI0 RX(GP16, Pin21物理引脚)、SPI0 CSn(GP17，Pin22物理引脚)、SPI0 SCK(GP18，Pin24物理引脚)、SPI0 TX(GP19，Pin25物理引脚)，Pico开发板与ADXL345加速度传感器4线SPI接口连接原理图见2所示。

图2
图2所示的Pico与ADXL345加速度传感器4线SPI数据通信方式为单主机-单从机方式，Pico为主机(Master)，ADXL345为从机(Slave)，由GPIO17口线程控从机片选。以SPI字节读写为例，当主机程序向SPI接口的数据缓冲器写入字节数据时，立即启动一个连续的8位移位通信过程：主机的SCLK引脚向从机引脚发出一串脉冲，在该串脉冲驱动下，主机SPI接口的8位移位寄存器中的数据移动到从机SPI的8位移位寄存器中；与此同时，从机SPI的8位移位寄存器中的数据也可移动到主机的8位移位寄存器中。由此，主机既可向从机发送数据，又可读取从机中的数据。
图3为一款从X东某工业品店购买的ADXL345三轴加速度传感器模块拍照图，该模块电路原理图见图4所示。

图3

图4
从图4可以看出， R4为0Ω电阻直接接地，SDO保持为低电平，只能进行3线SPI通信，而本文采用的是4线SPI通信，必须将R4电阻从图3中的ADXL345电路模块中焊接取下来(若无电烙铁等焊接工具，可找相关的硬件人员将该电阻取下来)，否则不能进行4线SPI通信。
下面对ADXL345三轴加速度传感器器件作简要说明，ADXL345为一款超低功耗加速度传感器，其分辨率为13位，测量范围达±16g（可选±2、±4、±8g），输出数据格式为16位二进制补码，可通过SPI接口(三线/四线)或者I2C接口访问；同时，它还支持32级的FIFO数据存储，以满足快速读取数据的要求。SPI时钟要求：在设置读取速率时，要和SPI的时钟匹配，否则可能读到错误的数据，比如设置1600Hz，SPI时钟要大于2MHz。SPI读取数据时钟最大为5MHz。SPI总线的理解：SCLK下降沿时进行数据更新，SCLK上升沿时进行采样。SPI要读取一个数据，必须先写入一个数据；在写入数据时，时钟线才会启动。ADXL345器件读写时序图见图5所示。

图5
从图5 的4线SPI读写时序图可知：在读取字节数据时，要读取的字节数据的地址最高位为1；在写入字节数据时，要写入的字节数据的地址最高位为0；在进行多字节读取时，要读取的次高位字节数据的地址为1，这样才可以进行多字节读取。
要在单次传输内读取或写入多个字节，必须设置位于第一个字节传输(MB，图3(a)和(b))R/W位后的多个字节位。当寄存器寻址数据的第一个字节后，时钟脉冲随后的每次设置(8个时钟脉冲)会导致ADXL345指向下一个字节数据寄存器的读取/写入。时钟脉冲停止后，移位才随之中止，/CS失效。要执行不同不连续寄存器的读取或写入，传输之间/CS必须失效，新寄存器另行处理。
三、树莓派Pico与ADXL345加速度传感器MicroPython通信程序示例
图6为拍照的Pico开发板与ADXL345加速度传感器4线SPI接口通信连接实物图。

图6
Pico通过4线SPI通信接口读取ADXL345三轴加速度传感器数据MicroPython程序清单如下(按图2和图6所示的4线SPI接口连接，本程序运行通过)：

Filename: ADXL345.py
import machine
import utime
import ustruct
import sys
# ADXL345常量
# ADXL345寄存器常量
REG_DEVID = 0x00  #0x00-器件ID寄存器, 用于获得器件ID
REG_POWER_CTL = 0x2D  #0x2D-节电控制寄存器
#0x32-X轴数据0寄存器，0x33-X轴数据1寄存器,...
REG_DATAX0 = 0x32
# 其它常量
DEVID = 0xE5  #0xE5-ADXL345器件ID
SENSITIVITY_2G = 1.0/256    # (g/LSB)
EARTH_GRAVITY = 9.80665     # 重力加速度[m/(s*s)]# 指定PIO17口线为程控从机片选CS
cs = machine.Pin(17, machine.Pin.OUT)# 初始化SPI
spi = machine.SPI(0,baudrate=1000000,polarity=1,phase=1,bits=8,firstbit=machine.SPI.MSB,sck=machine.Pin(18),mosi=machine.Pin(19),miso=machine.Pin(16))# 函数定义
def reg_write(spi, cs, reg, data):"""写入字节到指定的寄存器"""msg = bytearray()msg.append(0x00|reg)msg.append(data)cs.value(0)spi.write(msg)cs.value(1)def reg_read(spi, cs, reg, nbytes=1):"""从指定的寄存器中读取字节; 如果nbytes>1, 则从连续的寄存器中读取。"""if nbytes < 1:return bytearray()elif nbytes == 1:mb = 0else:mb = 1msg = bytearray()msg.append(0x80|(mb<<6)|reg)cs.value(0)spi.write(msg)data = spi.read(nbytes)cs.value(1)return data# 主程序
cs.value(1)
reg_read(spi, cs, REG_DEVID)
# 读取器件ID以判断是否能与ADXL345进行SPI通信
data = reg_read(spi, cs, REG_DEVID)test=bytearray((DEVID,))
if (data != bytearray((DEVID,))):print("出错: Pico不能与ADXL345进行SPI通信！")sys.exit()
data = reg_read(spi, cs, REG_POWER_CTL)
print(data)
data = int.from_bytes(data, "big")|(1<<3)
reg_write(spi, cs, REG_POWER_CTL, data)
data = reg_read(spi, cs, REG_POWER_CTL)
print(data)
utime.sleep(2.0)
while True:data = reg_read(spi, cs, REG_DATAX0, 6)acc_x = ustruct.unpack_from("<h", data, 0)[0]acc_y = ustruct.unpack_from("<h", data, 2)[0]acc_z = ustruct.unpack_from("<h", data, 4)[0]acc_x = acc_x * SENSITIVITY_2G * EARTH_GRAVITYacc_y = acc_y * SENSITIVITY_2G * EARTH_GRAVITYacc_z = acc_z * SENSITIVITY_2G * EARTH_GRAVITYprint("X=", "{:.2f}".format(acc_x), \", Y=", "{:.2f}".format(acc_y), \", Z=", "{:.2f}".format(acc_z))utime.sleep(0.1)

参考文献：
[1] ADXL345 Datasheet. ADXL345 3-Axis Digital Accelerometer.
[2]class SPI - a Serial Peripheral Interface bus protocol. https://docs.micropython.org/en/latest/library/machine.SPI.html

发布日期：2021年7月25日

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