ADXL345 三軸加速度計測試 [Flash FORTH]－早安，苦命工程師的胡言亂語

前言

其實是今天請假在家，因為好不容易預約到可以打武漢肺癌的疫苗囉。在家等待的過程有點無聊，所以坐在電腦桌前玩起 ADXL345 的這個三軸加速度計囉！照著之前這篇部落格的經驗，很快的就完成 Flash FORTH 的版本。測試了一下，運作非常良好，所以做個小小的記錄囉。

ADXL345 三軸加速度計

這是顆非常不錯由 Analog Device 所開發的低功耗三軸加速度計，其特點如下

體積小巧纖薄，非常適合行動裝備應用
高達 +/-16 g 的加速度高分辨率 (13位) 測量，數字採用 1 word (2 bytes) 帶正負符號的整數
提供 X, Y, Z 三軸加速度 Offset 補償功能，可以直接內部進行數值補償校正
高解析度， 4 mg/LSB ，利用重力能夠量測 0.25度的傾角變化。可以用在量測運動或衝擊導致的動態加速度，也可用在傾斜檢測應用中量測靜態重力加速度
支援 SPI 3線或4線通訊，或是 I2C通訊
內建活動/非活動檢測，可直接檢測是否加速度計從靜止被移動，無需外部MCU的協助
內建自由落體檢測，可直接檢測是否加速度計從空中摔落，無需外部MCU的協助
內建可定義的單擊/雙擊動作檢測，可監測使用者的動作，無需外部MCU的協助
內建 32級 FIFO 緩衝暫存區，減少外部MCU來不及處理資料時的負擔
睡眠模式，偵測到活動時才開啟系統，實現進一步省電的目的。低功耗模式，透過降低取樣率來進一步省電。

我買到的是已經弄好的模組囉，照片

硬體接線

最近對 I2C 學到一個小技巧。大家都知道， I2C 的兩條通訊線 SDA/SCL 一定要上拉電阻來連接的，否則不會動。

但是其實也未必，當網路上只有一台 Master 跟一台 Slave 的時候，是不需要上拉電阻的。只要將雙方的 SDA 對連， SCL對連，這樣就搞定囉。

所以 Ardunio Uno A4 (SDA) 接上 ADXL345 的 SDA， A5 (SCL) 接上 ADXL345 的 SCL， VCC 接上 5V， GND 接地，這樣就搞定啦。

ADXL345 Uno.JPG

暫存器解說

ADXL345 的規格書在這裡，

簡單簡介

暫存器 0x2D - POWER_CTL

這個用來控制 ADXL345 的模式選擇

我們的應用這裡很單純的，就是 D3 設成 1 ，讓系統維持在 Measure 模式隨時量測所有的加速度。所以就是 0x8 的資料。

暫存器 0x31 - DATA_FORMAT

這個暫存器用來控制加速度計數字輸出的格式，

這裡重要的是

D3: FULL_RES 設成1的話，會用最大解析度 4mg/LSB 來量測，然後 Scale 會手動固定由 D1.D0 的 Range 來決定。

D2: Justify, 設成0的話為 Right-Justify，經過測試，此時正負號會正常在 High Byte 的 MSB。

D1.D0 為手動 Range 選擇，

00 - +/-2g 的 Range 這裡希望最高解析度來偵測最小的震動，所以選用 +/-2g 最小的偵測範圍。

01 - +/-4g 的 Range

10 - +/-8g 的 Range

11 - +/-16g 的 Range

所以總結，這個暫存器需要設成 0x8 的資料。

暫存器 0x2E - INT_ENABLE

各種中斷訊號的致能設定，

而這裡沒有要使用任何的硬體中斷訊號來觸發，而是單純使用 I2C 來溝通。所以這個暫存器需要設成 0x0 的資料。

暫存器 0x2C - BW_RATE

重點是 D3.D2.D1.D0 這四個位元，這四個位元控制了加速度計其值取樣的速度。

在正常模式下，其控制的取樣頻率如下表， D3.D2.D1.D0 = Rate Code

這裡因為只是測試，所以先選擇 ADXL345 的預設值 Rate Code = %1010 = 0x0A 為 100Hz ，每秒100次的資料輸出標準設定。

接下來不用說，就是加速度 X, Y, Z 的資料暫存器了

0x32 X-Axis Data 0 (Low Byte)

0x33 X-Axis Data 1 (High Byte)

0x34 Y-Axis Data 0 (Low Byte)

0x35 Y-Axis Data 1 (High Byte)

0x36 Z-Axis Data 0 (Low Byte)

0x37 Z-Axis Data 1 (High Byte)

因為這幾個暫存器的位址是連續的，所以這裡為了減少資料傳輸的負擔，在 I2C 的傳輸時採用一次傳輸多 bytes 的 I2C協定。

所以傳送從 0x32 開始，Master 要求 Slave 依序傳送 6 bytes 過來，所有的資料就進來囉。

最後是

0x1E OFSX X-axis Offset

0x1F OFSY Y-axis Offset

0x20 OFSZ Z-axis Offset

這三個是加速度計 Offset 補償值的暫存器。是個 8位元有正負號的數值，可正負補償 +/-127 個單位，單位視 Range 而決定。

當是 +/-2g的 Range 時，其單位為 15.6 mg/LSB (0x7F = +2g)

FORTH 程式碼解說

程式的前半段是 Arduino 的 I2C 控制程式碼，關於 I2C 的程式碼的解說，請參照這篇我的部落格文章，這裡就不贅述囉。

FORTH 的特色，寫完的程式碼可以變成自己的函式庫，這樣再開發新的東西的時候就不用重新來過。這段程式碼已經驗證跟實戰很多次了，在工作上，利用 FORTH 交談性的開發過程。例如，我只要用 scanner 這個字，就可以立刻掃描所有的 I2C裝置，馬上可以驗證 I2C Slave 的程式碼有無錯誤。實戰驗證過，用來 debug 真的非常方便。

這裡，我把原來的 I2C 程式碼繼續延伸如下。在實際的經驗中，大部分 I2C Slave 裝置的溝通方式離不開對它們自己的暫存器做讀或寫的動作。訊息格式大概都是這樣的

1. 給定暫存器位址，讀取單一內容，訊息格式

讓我們把它廣義化成程式碼 regRead ( reg-addr -- dada)，這樣以後就可以直接使用囉。

先定義一個變數存 slaveid，所以要使用前記得要初始化這個變數

variable slaveid \ i2c address

剩下其實看圖說故事，照 I2C 的訊息格式寫程式碼，這樣就完成囉。 |Addr-WR| 因為是對 Slave 裝置做點名的動作，可能這個裝置是不存在的。所以後面用 ?Response 做個回應檢查，沒有回應的話它會執行 abort，跳出程式執行。

2. 給定暫存器位址，寫入單一內容，訊息格式

一樣，看圖說故事，程式碼如下。其實就是在 I2C上連送兩筆資料，第一筆是暫存器位址，第二筆是要給這個暫存器的資料。

3. 給定起始暫存器位址，依序讀取接續每一筆暫存器資料。訊息格式如下，

其實就是第一種例子，只是多了個 for-loop 用 |Rx-Ack| 來連續讀取資料，依序放到堆疊上

4. 給定起始暫存器位址，依序接續每一筆暫存器，寫入特定資料。訊息格式如下，

其實就是第二種例子，只是多了個 for-loop 來連續將堆疊上的資料，依序傳出給 slave 寫入暫存器中

我們的 ADXL345 是完全符合上面的四種情況的，所以直接可以拿 regRead, regsRead, regWrite, regsWrite 來使用。

剩下的，沒有難度

起始一下一些變數

: adxl345
$53 slaveid ! \ I2C slave address
45 scaleX ! \ factor for mg/LSB ~ (3.5, 4.3)
45 scaleY ! \ factor for mg/LSB ~ (3.5, 4.3)
45 scaleZ ! \ factor for mg/LSB ~ (3.5, 4.3)
;

slaveid 透過 scanner 掃描後是 0x53 ，存入 slaveid 提供 i2c 使用

scaleX, scaleY, scaleZ 是三軸加速度計的 ADC 單位，每個 LSB 約是 3.9 mg 的解析度 (在 2g 的度規下)，規格書是說保證介於 3.5 跟 4.3 之間。

實測，在沒校正 offset 的情況下，以 Z軸的重力加速度 1g 的情況下來計算，我手上的這顆約在 4.5 mg/LSB 左右，所以先採用 45來測試。ADXL345 傳來的是 ADC 單位，乘上這個比例常數後才會是 mg 的重力加速度單位。

起始一下 ADXL345

: init345
adxl345 i2cInit
$8 $2d ( POWER_CTL) regWrite \ measure mode
$8 $31 ( DATA_FORMAT) regWrite \ full resolution, right-justify, 2g
$0 $2e ( INT_ENABLE) regWrite \ interrupt disable
$a $2c ( BW_RATE) regWrite \ normal power 100Hz Sampling
$0 $1e ( OFSX) regWrite \ offset for X
$0 $1f ( OFSY) regWrite \ offset for Y
$0 $20 ( OFSZ) regWrite \ offset for Z
;

設好 i2c slaveid，起始一下i2c的硬體。透過I2C傳輸設定一下 ADXL345的量測模式，資料格式為全解析度，右齊，2g 的度規。關掉中斷模式，正常每秒100次的取樣模式。 X, Y, Z 加速度計的校正補償設為零。

跟 ADXL345 要資料囉

: accRead ( -- X Y Z)
$32 6 regsRead
8 lshift or scaleZ @ * >r
8 lshift or scaleY @ * >r
8 lshift or scaleX @ * r> r>
;

0x32 是加速度X Low Byte 的位址，後面六個 byte依序為 X-Low, X-High, Y-Low, Y-High, Z-Low, Z-High。所以透過 regsRead 一次搞定把全部6個三軸加速度計的所有值的弄到手。

High-byte 在後面，所以 lshift 左移8位元後 or 跟 Low-byte 合併，就是完整的加速度資料了。

因為是 ADC 的數值，所以需要乘上 scaleX, scaleY, scaleZ 後才是重力加速度 g 的單位。就這樣， X, Y, Z 的加速度 get!

再來是列印囉，

測試後 Z 軸的加速度是 226，乘上 scaleZ = 45， 216*45 = 10170 ，這個數值等於 1.0170 g 的重力加速度，所以要列印四位小數且需要正負號。來看看怎麼印啦，

: .acc ( acc ---)
dup s>d dabs <# # # # # [char] . hold #s rot sign #> type
;

先數字 dup 複製一下留個底，因為後面要利用它來看正負號。

然後 s>d 帶符號的單整數轉成雙整數，因為 <# # ... #s #> 這些都是為雙整數數字來設計的。

然後，很重要的因為 <# # #s #> 是針對不帶符號的雙整數來運作的，當數字有帶符號的話，當其是負數的時候會算錯。所以一定要 dabs 取個絕對值後才可以繼續轉換。

四位小數，就是 <# # # # # [char] . hold #s #> ，但是且慢，正負號還沒加上去呀！ rot 可以把我們剛剛刻意留下來有符號的單整數翻進來， sign 則會根據堆疊上的單整數的符號，假如是負的，補上 "-"字串。

所以就這樣，搞定四位小數，有帶正負號數字的列印。

最後就是主程式，串連全部

: main
init345
begin
accRead
rot ." X=" .acc ." , "
swap ." Y=" .acc ." , "
." Z=" .acc cr
again
;

起始 345 跟 i2c 後，無窮迴圈不斷透過 i2c 讀取 X, Y, Z 的加速度後列印。

實際測試影片

運作非常完美，預計程式再改一下，可以利用重力來做水平儀的應用，或是地震儀應該也不錯。

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原始程式列表

\ ADXL 345 Test
\ 2021.7.19 Frank Lin
\

marker --i2c--

decimal

\
\ ARduino I2C
\

\ Registers

$b8 constant TWBR
$b9 constant TWSR
$bb constant TWDR
$bc constant TWCR

\ Bits in the Control Register

%10000000 constant mTWINT \ Interrupt Flag
%01000000 constant mTWEA \ Enable Acknowledge
%00100000 constant mTWSTA \ Start Condition
%00010000 constant mTWSTO \ Stop Condition
%00001000 constant mTWWC \ Write Collition
%00000100 constant mTWEN \ Enable
%00000001 constant mTWIE \ Interrupt Enable

variable ACK?

: i2cInit ( -- ) \ Set frequency to 100kHz
%11 TWSR mclr \ prescale = 1
[ Fcy #100 / #16 - 2/ ] literal TWBR c!
mTWEN TWCR mset
;

: DoneWait ( -- ) \ Wait for operation to complete
begin TWCR c@ mTWINT and until
;

: <Start| ( -- ) \ Send start condition
[ mTWINT mTWEN or mTWSTA or ] literal TWCR c!
DoneWait
;

: |Restart| ( -- ) \ Send repeated start
<Start|
;

: |Stop> ( -- ) \ Send stop condition
[ mTWINT mTWEN or mTWSTO or ] literal TWCR c!
;

: |Tx| ( c--) \ send 1 byte to bus
DoneWait

TWDR c!
[ mTWINT mTWEN or ] literal TWCR c!
DoneWait

TWSR c@ $f8 and $18 xor 0= \ SLA + W
if true ACK? ! exit then \ true if ACK

TWSR c@ $f8 and $28 xor 0= \ data byte
if true ACK? ! exit then \ true if ACK

TWSR c@ $f8 and $40 xor 0= \ SLA + R
if true ACK? ! exit then \ true if ACK

false ACK? ! \ false if NACK
;

: |Rx-ACK| ( -- c)
[ mTWINT mTWEN or mTWEA or ] literal TWCR c!
DoneWait TWDR c@
;

: |Rx-NACK| ( -- c)
[ mTWINT mTWEN or ] literal TWCR c!
DoneWait TWDR c@
;

: |Addr-WR| ( 7-bit-addr --) \ ask slave for writing
1 lshift 1 invert and
|Tx|
;

: |Addr-RD| ( 7-bit-addr --) \ ask slve for reading
1 lshift 1 or
|Tx|
;

: ?Response ( --) \ ACK check
ACK? @ abort" I2C: No response from Slave!"
;

: scanner ( --) \ scan all i2c slave
base @ hex i2cInit
cr #5 spaces $10 for r@ 2 u.r next
$80
for r@ $0f and $f =
if cr r@ $f0 and #2 u.r [char] : emit space
   then
   r@ $7 $78 within
   if r@ i2cPing?
   if r@ #2 u.r
       else ." -- " then
   else #3 spaces then
next
cr base !
;

\
\ I2C extension
\

variable slaveid \ i2c address

marker --adxl345--

\
\ ADXL345 control
\

variable scaleX
variable scaleY
variable scaleZ

: adxl345
$53 slaveid ! \ I2C slave address
45 scaleX ! \ factor for mg/LSB ~ (3.5, 4.3)
45 scaleY ! \ factor for mg/LSB ~ (3.5, 4.3)
45 scaleZ ! \ factor for mg/LSB ~ (3.5, 4.3)
;

: accRead ( -- X Y Z)
$32 6 regsRead
8 lshift or scaleZ @ * >r
8 lshift or scaleY @ * >r
8 lshift or scaleX @ * r> r>
;

: .acc ( acc ---)
dup s>d dabs <# # # # # [char] . hold #s rot sign #> type
;

: main
init345
begin
accRead
rot ." X=" .acc ." , "
swap ." Y=" .acc ." , "
." Z=" .acc cr
again
;

ohiyooo2

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