【开源教程13】疯壳·开源编队无人机-SPI（六轴传感器数据获取）

COCOFLY教程
——疯壳·无人机·系列
SPI（六轴传感器数据获取）

图1


一、ICM20602 简介
六轴传感器在当今智能穿戴和定位导航产品中被广泛应用，而六轴传感器中做的最好的要属 InvenSense 公司的产品了，ICM20602 便是其推出的优秀六轴传感器之一。
ICM20602 集成 3 轴加速度计和 3 轴陀螺仪，其中陀螺仪量程范围可以选择
+/-250dps，+/-500dps，+/-1000dps 和+/-2000dps 这四种，而加速度计量程范围可选择+/-2g，+/-4g，+/-8g 和+/-16g 四种。
ICM20602 支持高达 400KHz 的 I2C 以及高达 10MHz 的 SPI，具有较高的接口兼容性。
ICM20602 的实物图如下所示。


图2
ICM20602 的引脚如下图所示。


图3


二、SPI 概述
SPI 是指 Serial Peripheral Interface 的缩写，即串行外围设备接口，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的引脚，SPI 的 4 条通信线为：
（1）MISO 主入从出接口；
（2）MOSI 主出从入接口；
（3）SCLK 由主设备产生的时钟信号；
（4）CS 由主设备控制的从设备片选信号。
STM32F103 的 SPI 的时钟最高可达 18MHz，支持 DMA。SPI 主从机通信，如下图所示：


图4
当有多个设备挂载在 SPI 总线上，其接线图如下图所示。


图5
单片机和外围器件之间进行 SPI 同步串行数据传输时，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，低位在前，高位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比 I2C 总线要快，速度可达到几 Mbp，相比于其它总线，SPI 协议简单，相对数据速率高，但是 SPI 也有它的缺点，比如没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

三、SPI 总线协议
SPI 通信需要掌握以下知识：时钟极性、时钟相位以及 SPI 的传输时序。

（1）时钟极性，SPI 通过时钟极性（CPOL）来决定在总线空闲时，同步时钟（SCLK）信号线的电平是高电平还是低电平。当时钟极性为 0 时（CPOL=0）， SCLK 信号线在空闲时为低电平；当时钟极性为 1 时（CPOL=1），SCLK 信号线在空闲时为高电平；
（2）时钟相位，SPI 通过时钟相位（CPHA）用来决定何时进行信号采样。当时钟相位为 1 时（CPHA=1），在 SCK 信号线的第二个跳变沿进行采样；这里的跳变沿究竟是上升沿还是下降沿？这取决于时钟的极性。当时钟极性为 0
时，取下降沿；当时钟极性为 1 时，取上升沿；如下图所示：

图6
当时钟相位为 0 时（CPHA=0），在 SCK 信号线的第一个跳变沿进行采样。跳变沿同样与时钟极性有关：当时钟极性为 0 时，取上升沿；当时钟极性为 1
时，取下降沿；如下图所示：


图7
四、 SPI 寄存器
在本次实验中使用到的是 STM32 的硬件 SPI，STM32 的硬件 SPI 所涉及的寄存器较多，这里挑选较为重要的来讲解。

（1）SPI_CR1：SPI 控制寄存器 1，如下图所示：


图8
其中 SPE 为 SPI 使能控制位，等于 1 时使能 SPI，等于 0 时关闭 SPI；BR[2:0]为 SPI 的波特率控制位，BR[2:0]等于 000 则波特率为 fPCLK/2，等于 001 则波特率为 fPCLK/4，等于 010 则波特率为 fPCLK/8，等于 011 则波特率为 fPCLK/16，等于100 则波特率为 fPCLK/32，等于 101 则波特率为 fPCLK/64，等于 110 则波特率为fPCLK/128，等于 111 则波特率为 fPCLK/256；MSTR 为 SPI 主从模式选择位，等于0 时为从模式，等于 1 时为主模式；CPOL 为 SPI 时钟极性设置位，为 0 则空闲时钟为低电平，为 1 则空闲时钟为高电平；CPHA 为 SPI 时钟相位设置位，等于0 时，在第一个时钟跳边沿开始采集，等于 1 时，在第 2 个时钟跳边沿开始采集。
（2）SPI_SR：SPI 状态寄存器，如下图所示：


图9
其中 TXE 是发送缓冲区状态位，该位为 0 时发送缓冲区非空，为 1 时发送缓冲区为空；RXNE 为接收缓冲区状态位，该位为 0 时接收缓冲区为空，该位为1 时，接收缓冲区为非空。
（3）SPI_DR：SPI 数据寄存器，用于存储接收或者发送的数据。SPI_DR 的描述如下图所示：


图10
其中 DR[15:0]存放 SPI 数据。
五、六轴传感器数据获取实验

六轴传感器数据获取实验使用 STM32 的硬件 SPI 与六轴传感器 ICM20602 相连接，串口 1 即 UART1，通过 USB 转串口模块连接电脑，把 SPI 获取到的六轴数据通过串口 1 传输到电脑端的串口调试助手显示出来。做该实验的时候需要把视觉模组暂时取下，并且把 USB 转串口的线接到视觉模组接口处。六轴传感器 ICM20602 在无人机顶部的白色 RGB 彩灯盒里，通过软排把 SPI 及供电口接出，如下图所示。


图11
根据原理图，可以看到 ICM20602 的的 SPI 接口分别是：PB13、PA5、PA6、PA7，如下图所示。


图12
串口 1 的配置可以参考《串口（基础收发），配置代码（通过调用官方库）获取 ICM20602 的数据代码编写的思路如下：

代码思路

表1
SPI 初始化代码如下：


图13
SPI 的读写代码如下。


图14
ICM20602 的初始化代码如下。


图15
ICM20602 的读写代码如下。


图16
这里注意要把串口的发送也配置好，这样才能把数据发送到电脑。串口 1 通过 USB 转串口模块接到电脑，获取 ICM20602 代码如下。

图17
保存、编译、下载代码，可以看到 USB 转串口模块在不断地打印 ICM20602
的 X 轴加速度高 8 位，数据如下图所示：

图18

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