小试牛刀之nios2中采用SPI和I2C总线操作ADXL345经验总结【转】

只看该作者 · 2014-4-11 10:00

转自ADI 技术论坛：http://ezchina.analog.com/thread/7865
一、 ADXL345简介
         ADXL345是ADI公司推出的三轴（x，y，z）iMEMS数字加速度计（digital accelerometer），具有在16G下高分辨率（13Bit）测量能力，同时具备16Bit数字输出。ADXL345 适用于静态倾角测量以及动态加速度测量，高达4mg/LSB的灵敏度允许测量小于1度的倾角。

   该传感器还具备单击 /双击探测，自由落体探测，并允许用户设置一个加速度阀值，当加速度值超过设定阀值后可以产生一个信号输出。所有这些功能都可以映射到2个中断上。内置的32级FIFO缓存可以极大的缓解处理器的压力。

特点：
   2.0 - 3.6VDC供电电压
   超低功耗： 40uA的测量模式， 0.1uA在standby@2.5V
   单击/双击检测
   自由落体检测
   用户阀值设定
   SPI和I2C接口
   ADXL345以+2.5V的电源电压工作时的消耗电流控制为标准25μ～130μA。该产品可比与3轴惯性传感器节约80％的耗电量。主要面向手机、便携式游戏机、游戏机控制器以及PND等。还支持硬盘的跌落检测等。

   可检测的加速度范围为±2/4/8/16G。集成了FIFO（First-in, First-out）型存储器，最多可存储32组3轴数据。耐冲击性为1万G。输出接口备有I2C和SPI。数据输出速度为0.1～3.2kHz。

   电源电压（Vs）为+2.0～3.6V，接口部分为+1.8V～Vs。工作温度范围为-40～+85℃。封装采用14端子的LFCSP。

二、 SPI-4线模式操作ADXL345内部寄存器编程要点

1．ADXL345 SPI-4线模式的硬件连接电路

   SPI-4线模式是adxl345默认的操作总线,无需配置即可用。，详见datasheet page25 DATA_FORMAT寄存器。

2．关于ADXL345的PI总线协议与标准的SPI协议的一些差异（标准的SPI协议可以参考http://baike.baidu.com/view/245026.htm?fr=ala0_1  这里不做详细介绍）

   标准的SPI总线时序中，每个字节之间的操作是断开的，即片选线SS_n和串行时钟线SCLK正在传输该字节时有效，其余时刻保持无效状态（即SS_n=1，SCLK=1）如下图：

ADXL345 datasheet中要求clock polarity (CPOL) = 1 and clock phase (CPHA) = 1,这可以在SOPC中选择SPI IP核作为nios2外设构建系统时，用GUI的方式方便的设置，其SPI操作的时序如下图：

   从图中可以看到：SPI总线对ADXL345内部寄存器的读写操作都是以字节为单位进行的（这是由ADXL345内部30个可操作寄存器均为字节寄存器所决定的），然而每两个字节数据/地址之间CS_n和SCLK一直需要保持有效。

      由以上分析，在采用Altera提供的nios2 SPI API函数alt_avalon_spi_command()访问ADXL345时，其最后一个参数 alt_u32 flags必须置为ALT_AVALON_SPI_COMMAMD_MERGE，该标志的意思是“把多个SPI访问命令/数据合并到一起”，若置为0，则是标准的SPI时序，每次访问后自动释放CS_n和SCLK。

3．读取ADXL345内部寄存器的顺序
      先读取地址0x00的DEVID，device ID寄存器，正确之后再进行其他寄存器的操作。只要该器件具有唯一的ID号，首先读取器件ID寄存器并判断正确就应该是必要和首要的。如果读出ID正确了，至少可以证明我们操作时序正确了。O(∩_∩)O~，个人总结而已。当然，你如果看过linux下面外设的驱动程序，这样的操作时非常常见的，也就算是一种默认的规范吧！

4．ADXL345的SPI协议的第一字节

说明：bit7：1—读，0—写；
Bit6：1—多字节读写；0—单字节操作；
Bit5~bit0：ADXL345内部寄存器地址A5~A0；

三、I2C-2线模式操作ADXL345内部寄存器编程要点

1．ADXL345 I2C通信模式的硬件连接电路

这里需要注意：a. cs_n必须上拉至VDD以启动I2C总线模式
                           b．SDA和SCL需上拉电阻，（2.2KΩ-400Kbitps，10KΩ—100kbitps）
                           c．SDA为双向通信端口，故在FPGA的IO配置时，需将其配置为inout类型，在SOPC中SDA信号线需设置为bidirectional（tri-state）ports。
                           d．ALT_ADDRESS的接法对应的ADXL345的设备从地址不一样，具体为：
   若ALT_ADDRESS = 1，ADXL345_slave_addr=0x1D;
相应的I2C第一字节：read——0x3B，write——0x3A
   若ALT_ADDRESS = 0，ADXL345_slave_addr=0x53；
相应的I2C第一字节：read——0xA7，write——0xA6

2．I2C时序操作要点
      对ADXL345的I2C总线访问，只要严格按照NXP的i2c总线规范进行即可，可以采用nios2外挂I2C总线IP的方式实现，亦可以采用nios2 GPIO软件模拟的方式实现。

这里总结一下，初学者使用I2C总线是容易犯的错误：

   如上，在用I2C总线协议访问ADXL345（其他所有的I2C器件也一样），无论是读操作还是写操作，I2C总线的SDA信号线上送出的第一字节都必须是SLAVE ADDRESS + WRITE，这一点切记不能搞错。我之前就是因为没有注意这一点，而在读ADXL345内部寄存器时，第一字节送成SLAVE ADDRESS + READ了，一直不出来数据，很是郁闷了半天。O(∩_∩)O~呵呵，最后改正确后，数据立马就出现了！！！！

四、FPGA中嵌入式nios2软核调试经验小结

   凡是牵涉到时序的外设（比如常见的i2c，spi，lin，can总线器件）调试，时序都是第一位的，顺序不正确，命令送不起，数据配置不了，信息也读不出来。一般在我们会借助示波器，逻辑分析仪来判断硬件电路连接的通断。

      但是，逻辑分析仪价格昂贵，不易获得。好在FPGA里面提供了嵌入式的逻辑分析仪——QuartusII中为signaltap II，ISE里面为chipscope。我们可以免费使用它们，设置好触发条件，观察FPGA板子上实时运行的信号状态和顺序，何乐而不为呢！

      另外，我们也可以把手中的FPGA板子用作免费的逻辑分析仪来用！方法很简单，就是用Quartus II做一个简单的FPGA工程，引出一定数量的IO口，并用将所有的IO口信号配置为Signaltap II的输入捕捉，并根据所要观察的信号和顺序设置好触发条件，采样时钟以及采样深度，保存并连同Quartus工程一起整体编译下载sof文件运行即可。实时准确，配置灵活，百试不爽呀！

      以上是我最近工作和学习的一些总结，在这里写出来与大家分享，希望能够对大家有所帮助！

      同样，个人己见，不当之处难免，还望大牛赐教！

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