鄭傳堯

摘要：STM32模擬IIC，實現(xiàn)與QMC5883L電子羅盤通信，經(jīng)過數(shù)學計算得到最終數(shù)據(jù)并顯示在LCD屏上的指定位置，通過數(shù)值判斷方向，實現(xiàn)簡單指南針的功能。

關(guān)鍵詞：STM32;電子羅盤;IIC;軟件模擬

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）03-0218-03

人機交互（HMI）已經(jīng)獨立為一門學科。人機界面（HCI）指出，HCI是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口。手機是人機交互的完美體現(xiàn)。從古代的司南到近代的實體指南針，再到手機界面上的虛擬指南針，在這個過程中，指南針賦予時代發(fā)展的意義重大。電子羅盤在虛擬指南針實現(xiàn)上起到了信息采集者的作用。信息采集完后需要信息運輸者進行傳輸，IIC總線起到了信息運輸者的作用。在運輸過程中為了保證運輸效率，正確率，必須對傳輸過程制定約束， IIC總線協(xié)議起到約束的作用。只有保證信息采集者、信息運輸者能夠正常運作，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)最后的視覺呈現(xiàn)。

1 IIC介紹

物理結(jié)構(gòu)上，SDA和SCL構(gòu)成IIC的通信線路，其中SDA為數(shù)據(jù)線，提供數(shù)據(jù)傳輸，SCL為時鐘線，提供傳輸時鐘。連接在IIC總線上的設(shè)備，既可以作為數(shù)據(jù)發(fā)送端，同時也可以作為數(shù)據(jù)接收端。當主控器為Master時，被控器為Slave時，并聯(lián)在總線上，他們各自都有唯一的地址，這些地址就是打開IIC總線上連接設(shè)備大門的鑰匙。在信息傳輸過程中，連接在IIC總線上的每一個器件都可作為Master、Slave使用，也可作為發(fā)送端、接收端使用。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和數(shù)據(jù)碼兩個部分：地址碼用來選址，數(shù)據(jù)碼是通信的內(nèi)容，這樣各個器件的控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立。圖1為IIC總線設(shè)備連接硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2為IIC總線時序圖，從圖中得知IIC總線在傳送數(shù)據(jù)的過程中共有三種類型信號，分別是：開始信號（START）、應(yīng)答信號（ACK）和結(jié)束信號（STOP）。SCL為高電平時，SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，這個過程定義為開始信號;Master（Slave）在接收到8位數(shù)據(jù)后，將發(fā)送數(shù)據(jù)的Slave（Master）發(fā)出特定的低電平脈沖（ACK=0），表示已接收到數(shù)據(jù)，這個過程定義為應(yīng)答信號;SCL為高電平時，SDA由低電平調(diào)變?yōu)楦唠娖剑@個過程定義為結(jié)束信號。在進行數(shù)據(jù)傳送時，時鐘信號為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，另外IIC總線協(xié)議規(guī)定，每傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)（含地址及命令字）后都要有一個應(yīng)答信號，已確定數(shù)據(jù)傳送是否被對方收到。

2電子羅盤介紹

電子羅盤，別名數(shù)字指南針，它是利用地磁場來定北極的裝置。與傳統(tǒng)指針式相比，它功耗低，體積小，精度高，最重要的是它的輸出信號通過處理后生成的數(shù)字信號可以用來實現(xiàn)機械控制。

2.1 QMC5883L介紹

QMC5883L是一款高精度三軸AMR（AMR：全稱Anisotropic Magnetoresistance，各向異性磁電阻）傳感器，采用7位尋址（寫地址： 0x1a，讀地址：0x1b）自帶溫控補償功能保證信號輸出的穩(wěn)定性。它憑借其優(yōu)異的性能，可以被廣泛應(yīng)用于無人機、高精度工業(yè)和汽車電子領(lǐng)域。

QMC5883L有兩種操作模式，分別是Standby Mode和Continuous Mode，通過寄存器（09H）的模式位控制。當傳感器處于Standby Mode，傳感器本身很少功能被激活，功耗低，并且在這種模式下沒有磁力計測量，內(nèi)部時鐘也停止，當傳感器處于Continous Mode（模式位：01）下，磁傳感器連續(xù)進行測量并將測量數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)輸出寄存器中。

2.2 QMC5883L模式設(shè)置介紹

如圖3IIC寫操作順序圖，可以理解Master執(zhí)行寫操作設(shè)置Slave為Continous Mode的流程。首先Master發(fā)送START信號后緊接著發(fā)送8位2進制信號（Slave地址+R/W模式位），等待Slave發(fā)出的ACK，收到ACK后證明Master與從機已經(jīng)建立好通信，緊接著Master又發(fā)送8位2進制數(shù)來選擇需要設(shè)置從機某一個寄存器的地址（這里寄存器地址位0x09），收到Slave發(fā)出的ACK后，Master馬上發(fā)送所選擇Slave寄存器需要設(shè)置的內(nèi)容，收到Slave發(fā)出的ACK后，Master發(fā)送STOP信號，斷開與Slave的通信，此時Slave的工作模式已經(jīng)被設(shè)置好了。

如圖4IIC讀操作順序圖，可以理解Master讀取地址0x00H～0x07H內(nèi)容的流程。首先通過寫操作確定讀取內(nèi)容的首地址為0x00H，接下來通過IIC總線設(shè)置模塊為讀模式，每接收一個8位數(shù)據(jù)，Master產(chǎn)生一個ACK，直到接收到0x07H內(nèi)容后發(fā)送NACK信號，緊接著發(fā)送STOP信號完成讀取操作。

3單片機模擬IIC通信

在這里選擇軟件模擬IIC的最大好處就是便移植，任何一個單片機，只要有IO口，這段代碼就可以很好的移植過去。相比較而言，硬件IIC每換一款MCU，就得重新編碼，移植麻煩。

本次采用設(shè)備為正點原子STM32F7開發(fā)板、QMC5883L電子羅盤、12V電源適配器、TFTLCD屏、杜邦線。

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖5為所選開發(fā)板的部分IO外設(shè)資源分布圖（開發(fā)板和裸機不能相提并論，開發(fā)板IO已經(jīng)資源分配好，亂用會導(dǎo)致意外錯誤產(chǎn)生）。本次設(shè)計需要使用開發(fā)板的PH4（SCL）和PH5（SDA）這兩個GPIO口。表1為QMC5883L的IO資源分配表，以此來確定開發(fā)板與電子羅盤的硬件連接方式。從表1得知QMC5883L的SCL與SDA的序號分別位1號和16號，即在硬件連接的時候，PH4與1號相連，PH5與16號相連，2號口與11號口分別與開發(fā)板上的VDD（3.3V）與GND相連。LCD屏直接與STM32F7開發(fā)板對應(yīng)的接口相連。

3.2原理實現(xiàn)

此處通過代碼來分析STM32模擬IIC通信和QMC5883交流系統(tǒng)實現(xiàn)的過程。以下均為封裝好的函數(shù)體，分別定義起始信號函數(shù)為void IIC_Start（void）;結(jié)束信號函數(shù)為void IIC_Stop（void）;產(chǎn)生應(yīng)答信號函數(shù)為void IIC_Ack（void）;不產(chǎn)生應(yīng)答信號函數(shù)為void NAck（void）;發(fā)送一個字節(jié)函數(shù)為void IIC_Send_Byte（u8 tad）;接收一個字節(jié)函數(shù)為u8 IIC_Read_Byte（void）。

QMC5883L電子羅盤必須進行初始化操作才能正常使用，初始化操作中包含設(shè)置電子羅盤為ContinousMode的過程，其他配置內(nèi)容均按照用戶手冊來書寫。根據(jù)圖3寫操作順序圖，調(diào)用定義好的函數(shù)，完成初始化操作

完成QMC5883L初始化操作后，緊接著就是實現(xiàn)STM32獲取QMC5883L傳回來數(shù)據(jù)。通過QMC5883L數(shù)據(jù)手冊得知我們需要的數(shù)據(jù)連續(xù)存放在0x00H～0x05H這6個地址中。首先通過寫操作設(shè)置QMC5883L設(shè)置讀取的起始地址為0x00H，然后通過IIC總線設(shè)置QMC5883L為讀模式，讀取起始地址為0x00H的內(nèi)容。

完成以上步驟QMC5883L采集得數(shù)據(jù)已經(jīng)存放在QMCBUF這個數(shù)組里面，這些數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，不可以拿來直接使用，需要做數(shù)學處理。得到最后的Angle_XY、Angle_XZ、Angel_YZ這個三個變量是我們可以直接使用的。

3.3結(jié)論

通過與手機指南針對比，當Angle_XY的結(jié)果為0.000000或者360.000000時，QMC5883L上的X軸指向正南方;當Angle_XY的結(jié)果為90.000000時，X軸指向正西方;當Angle_XY的結(jié)果為180.000000時，X軸指向正北方;當Angle_XY的結(jié)果為270.000000時，X軸指向正東方。通過這個結(jié)果得出，QMC5883L是順時針計數(shù)的。

QMC5883L是各向異性磁電阻傳感器，易受周圍磁場干擾，所以使用之前需要做參數(shù)校準。

4拓展應(yīng)用

QMC5883L和GPS聯(lián)合使用可以實現(xiàn)低速設(shè)備的簡單定位導(dǎo)航功能。

理念介紹：以電子羅盤X軸指向為低速設(shè)備的初始前進方向，得到一個初始的Angle_XY值，利用GPS模塊得到低速設(shè)備當前點A的經(jīng)緯度，和目的點B的經(jīng)緯度聯(lián)合使用，通過數(shù)學計算算出A、B兩點與正南方的夾角[Θ]，然后算出[Θ]與Angle_XY的差值[Δ]。我們只需要判斷[Δ]的值是否為0，若為0說明低速設(shè)備朝向是目的點方向。通過這種方式，低速設(shè)備可以主動巡航到目標點。

5結(jié)束語

文章介紹了IIC總線的物理結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議，并實現(xiàn)了STM32與QMC5883L電子羅盤的通信，得出IIC通信占用的IO資源少，操作方便的結(jié)論。IIC總線協(xié)議是實現(xiàn)IIC總線傳輸?shù)谋匾獥l件，把器件的地址當成器件的標識符是保證傳輸正確率的前提。IIC只是眾多通信方式的其中一種，另外如SPI通信、CAN通信、無線通信、藍牙通信等等在我們的日常生活中都可以碰得到，它們利用各自優(yōu)勢服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)，豐富了人類物質(zhì)精神需求，推進人機交互的發(fā)展。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】