Main Takeaway

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陀螺仪模块以及加速度计模块是常用传感器，用于姿态解算以及云台速度环控制。 本文介绍了 BMI088 六轴 IMU 模块，以及如何通过 SPI 协议对其进行驱动并读取数据。

前言

现在我们是在MEMS时代。现在我们是在MEMS时代。

• 微的:因为所有尺寸都在千分尺范围内
• 电:因为我们在里面有电极来制造电容器，它们形成了电气系统
• 机械:我们的质量和弹簧形成了机械系统
• 系统:它们一起组成一个系统，服务于一个特定的目的，在我们的例子中是测量加速度。

BMI088传感器

BMI088 传感器是一个六轴惯性测量单元 (IMU)，能够应用于机器人上的姿态解算，该款 6 轴传感器在 3 x 4.5 x 0.95mm³小尺寸 LGA 封装中集成了 16 位 ADC 精度的三轴陀螺仪和三轴加速度计

对于IMU的科普可以看看这篇文章：

IMU传感器，你所需要知道的全部 - 知乎 (zhihu.com)

陀螺仪

陀螺仪是测量角速度的传感器，是 IMU 的重要组成部分。陀螺仪能测量在三个正交方向上旋转的角速度，也可以用于估算在三个方向上的旋转角度。

陀螺仪有许多种类，不同的陀螺仪一般基于不同的工作原理，能够达到的精度也不一样，市场上最常用的微机电（MEMS）陀螺仪的基本原理是利用旋转时产生的科里奥利力引发电容的变化，从而将旋转的角速度转化为电信号。

加速度计

加速度计能够测量三个正交方向上的加速度。 MEMS 加速度计原理是利用加速度变化使内部质量块产生的力发生变化，从而改变电容大小，转化为电信号。

当物体静止时，加速度计测量重力加速度在三个正交方向上的分量，配合陀螺仪的角速度信息可以解算出物体的空间位姿

协议

BMI088 支持 SPI 协议和 I2C 协议，通过 PS 引脚（pin select）的电平状态决定是 SPI 协议或者 I2C 协议，

• PS接GND：使用SPI模式
• PS接VDD：使用IIC模式

当 BMI088 使用 SPI 协议时，各个管脚的功能可见下表：

寄存器

BMI088 中包含了用于控制陀螺仪，加速度计以及通讯接口的控制寄存器，存储传感器数据的数据寄存器以及存储传感器 ID 的寄存器

当要进行通讯时，首先读取 ID 寄存器，确认 ID 正确之后，先往控制寄存器中写入数据，设置传感器的工作状态，然后再从数据寄存器中进行数据的读取。

为了验证加速度计和陀螺仪工作正常，需要读取它们各自的 ID 寄存器， ID 寄存器内存有特定的 ID 值，用户可以将读取到的寄存器值和标准 ID 值进行对比。

数据读取

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BMI088_accel_read_muli_reg();

读取加速度数据时，首先通过BMI088_accel_read_muli_reg 函数，片选信号选中加速度计然后用 SPI 将加速度计数据寄存器中的数据读入 buf 中，按照高八位和低八位完成数据的拼接。

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BMI088_gyro_read_muli_reg();

读取角速度数据时，首先通过 BMI088_gyro_read_muli_reg 函数，片选信号选中陀螺仪，然后用 SPI 将角速度计的 ID 和数据寄存器中的数据读入 buf。检测 ID 正确后，将数据按照高八位和低八位进行拼接

其中 BMI088_accel_read_muli_reg 和 BMI088_gyro_read_muli_reg 调用了 HAL 库的 SPI通信函数 HAL_SPI_TransmitReceive

Tips:进行数据拼接的时候记得查看BMI088寄存器的介绍

陀螺仪数据处理(BMI088)_lilei668的博客-CSDN博客

SPI协议

SPI协议详解（图文并茂+超详细） - 知乎 (zhihu.com)

简介

SPI 协议是摩托罗拉公司开发的一种高速的，全双工，同步的通信总线，使用四根线进行通信，具有简单易用，通讯速度高的特点。 SPI 总线上可以挂载多个设备，这些设备被区分成主设备（Master）和从设备（Slave），主设备通过时钟线和片选线对从设备进行控制。

SPI 协议所使用到的引脚及其功能见下表：

原理

使用 SPI 进行通信时，各个设备的时钟引脚一起挂载在 SCK 线上，主设备的输入和各个从设备的输出连接 MISO/SDI，主设备的输出和各个从设备的输入连接 MOSI/SDO，同时主设备的 GPIO 口连接各个从设备的 CS

Tips:片选信号CS（chip select）,SS(Slave Select)

SPI 的时序规定了不同的工作模式，如下表所示：

当主设备和从设备通信时，双方内部同时使用一个移位寄存器进行数据的存储和发送，每当主设备（从设备）完成一位发送的同时，移位寄存器进行一位的移位，并将接收到的数据存储入移位产生的新空间内，这样双方就可以同步同时的完成数据收发

时钟极性 CKP/Clock Polarity

除了配置串行时钟速率（频率）外，SPI主设备还需要配置时钟极性。

根据硬件制造商的命名规则不同，时钟极性通常写为CKP或CPOL。时钟极性和相位共同决定读取数据的方式，比如信号上升沿读取数据还是信号下降沿读取数据；

CKP可以配置为1或0。这意味着您可以根据需要将时钟的默认状态（IDLE）设置为高或低。极性反转可以通过简单的逻辑逆变器实现。您必须参考设备的数据手册才能正确设置CKP和CKE。

• CKP = 0：时钟空闲IDLE为低电平 0；
• CKP = 1：时钟空闲IDLE为高电平1；

时钟相位 CKE /Clock Phase (Edge)

除配置串行时钟速率和极性外，SPI主设备还应配置时钟相位（或边沿）。根据硬件制造商的不同，时钟相位通常写为CKE或CPHA；

顾名思义，时钟相位/边沿，也就是采集数据时是在时钟信号的具体相位或者边沿；

• CKE = 0：在时钟信号SCK的第一个跳变沿采样；
• CKE = 1：在时钟信号SCK的第二个跳变沿采样；

下图总结了所有时钟配置组合，并突出显示了实际采样数据的时刻；

其中黑色线为采样数据的时刻； 蓝色线为SCK时钟信号；

通信过程

SPI 的通信过程如下：

1. 主设备将要进行通讯的从设备的 SS/CS 片选拉低，(选中要通信的设备，其他未被选中的从设备不参与此次通信)

2. 主设备通过 SCK 向从设备提供同步通讯所需要的时钟信号，

3. 主设备通过 MOSI 向从设备发送 8 位数据，同时通过 MISO 接收从设备发来的 8位数据。

4. 通信结束，主设备拉高 SS/CS 片选。

SPI 在 cubeMX 中的配置

1. 首先在 Connectivity 标签页下选中 SPI1，进入 SPI1 的配置页面
2. 在 Mode 页面中，将模式选择为 Full-Duplex Master，即让 stm32 工作在全双工 SPI下，作为主机使用，将硬件片选信号 Hardware NSS Signal 设为 Disable
   
3. 在 configuration 页面中，进行如下配置：

在 cube 中，可以再 Connectivity 中找到 SPI 的外设，将模式选择为全双工的主节点，片选信号的模式我们选择为软件修改的形式，即需要在程序中自行调用函数拉高或者拉低引脚的电平。时钟的分频值我们选择为16，需要使得通信的波特率低于从设备允许的最高波特率。同时 SPI 中还需要设置时钟极性以及相位，总共有4中情况。

以上部分的设置均要根据从设备的情况设置。

References

• IMU传感器，你所需要知道的全部 - 知乎 (zhihu.com)

• 陀螺仪数据处理(BMI088)_lilei668的博客-CSDN博客

• robomaster C型板教程文档