在SensorTile上使用MicroPython

前几天终于将SensorTile传感器部分的MicroPython驱动移植成功，因此就想将传感器的基本使用方法和大家讨论一下，顺便也写写MicroPython的移植方法。去年就有网友希望介绍移植方面的教程，因为各种原因一直没有时间写，正好借这个机会补上了。因为时间较少，一些地方没有仔细检查，如果发现文中有错误的地方，欢迎大家提出。SensotTile简介SensorTile核心板非常紧凑小巧，看起来就是一个可穿戴的原型（智能手表），因此它配置的传感器也是和运动相关的。SensorTile核心板上有4个传感器，它们分别是：LPS22HB，气压＋温度传感器LSM6DSM，三轴加速度＋三轴角速度传感器LSM303AGR，三轴角速度＋三轴磁场传感器MP34DT04，MEMS麦克风传感器我们先从最简单的LPS22HB开始，逐步介绍传感器的使用和移植方法。而MP34DT04传感器这次没有使用到，它的接口也和其他传感器不同，所以暂时先不看。LPS22HB气压传感器

硬件接口LPS22HB的原理图如上，从上面我们可以看到，传感器使用了SPI连接方式，但是只用了CS、SCL/SPC、SDA/SDI/SDO这几个脚，SDO脚没有使用，说明它没有使用标准的SPI接口方式。此外，还可以看到INT信号也没有连接，所以也就不能使用INT模式了。通常在INT模式下，可以预先设置一个门限参数，当传感器的输出超过这个门限时，就会自动产生一个INT信号，用来唤醒MCU，然后读取并处理参数，这有助于简化编程，降低系统功耗。从传感器的用户手册中可以看到，传感器支持SPI/I2C两种接口。这两种接口方式是通过CS脚进行切换的，当CS为低电平时是SPI方式，CS是高电平时是I2C方式。SensorTile在硬件设计时，使用了半双工的SPI接口（又叫3-wire模式），这个模式下主机只使用MOSI做数据线，而从机使用MISO。它的好处在于可以节约一个数据线，缺点就是牺牲了速度。

因为MicroPython目前不支持半双工的SPI接口方式（硬件SPI和软件SPI都不支持这个方式），因此要用SPI方式驱动传感器就只能自己通过软件模拟这种SPI方式，这不但增加了软件的复杂性，同时速度也会比较慢，所以我采用了I2C接口方式。因为SPI_SDA（PB15）和SPI_CLK（PB13）引脚并不是硬件I2C接口，所以需要用软件I2C方式。好在micropython底层已经支持软件I2C，使用方法和硬件I2C一样，速度也不慢。这里先介绍一下软件I2C。为了使用软件I2C，我们需要使用到micropython的machine库，而不能使用pyb库。大家可能也注意到了，CC3200、ESP8266、STM32等分支在硬件底层函数接口上有很多不同，这给我们编程和程序移植带来很多不便。从v1.8版开始，micropython开始增强了machine库的功能，这样有助于统一底层接口。软件I2C的使用方法如下：import machinei2c = machine.I2C(-1, sda=machine.Pin('PB15'), scl=machine.Pin('PB13'))复制代码其中-1就代表使用了软件I2C，sda和scl就是使用的GPIO，可以使用任何GPIO，在SensorTile上就必须使用PB15和PB13。直接这样定义后，大家会发现I2C还是不能工作，这是因为在SensorTile内部没有设置I2C的上拉电阻，这样I2C总线的状态无法确定，所以我们还需要使能GPIO内部的上拉电阻。注意这个步骤需要放在I2C初始化之后，因为在I2C初始化的时候，会重新设置GPIO状态和参数。直接在I2C定义中的sda=machine.Pin('PB15', pull=Pin.PULL_UP)加入上拉电阻定义也是不能工作的，因为在设置I2C时会忽略这个参数。在I2C定义后，再加入下面的定义，I2C就可以正常工作了，如果这时使用i2c.scan()函数，就可以搜索到4个设备。sda=machine.Pin('PB15', Pin.OPEN_DRAIN, pull=Pin.PULL_UP)scl=machine.Pin('PB13', Pin.OPEN_DRAIN, pull=Pin.PULL_UP)复制代码传感器寄存器ST公司为SensorTile kit提供了多个例程，例程中包含了传感器的底层驱动函数。如果使用C++编程，可以使用这些驱动函数。而我们要使用micropython进行编程，所以无法直接使用ST的底层函数，需要自己对寄存器进行操作（其实ST的底层驱动函数也是对这些寄存器进行操作，只是它已经封装好了，不用再看寄存器说明了）。为了使用LPS22HB，需要对传感器的寄存器有初步的了解。

上图是LPS22HB的寄存器列表，它的寄存器不是太多，除去保留的寄存器（Reserved）外，一共大约有二十几个。每个寄存器都有一个地址，寄存器输出是8位的，大部分寄存器可以读写（RW），少量寄存器是只读的（R）。如果按照功能进行划分，传感器的寄存器大致可以分为下面几类：功能设置传感器状态参数输出功能设置寄存器可以设置传感器的工作模式、参数输出频率、参数范围、中断等参数，只有设置了正确的参数后，传感器才能工作。在上电/复位后，我们也需要先设置功能寄存器（初始化），否则传感器是没有输出的，因为默认情况下传感器是处于掉电模式（Power down）。状态寄存器通常是只读的，可以通过它查询传感器当前的状态或者某种标志位。特别在中断工作模式下，需要通过状态寄存器查询发生的中断。参数输出就是传感器的输出，如气压、温度等参数。很多参数使用了双字节甚至更多字节，需要读取后在组合起来。因为寄存器较多，所以我们只介绍主要使用到的传感器，其他传感器大家可以慢慢研究（寄存器说明请见LPS22HB数据手册的第9节：Register description）。主要寄存器设备识别寄存器：WHO_AM_I (0Fh)可以用来识别芯片的型号。这个寄存器是只读的，输出是 0xB1，也就是十进制的177。控制寄存器：CTRL_REG1 (10h)这是最重要的一个寄存器，主要参数都在这里设置765432100ODR2ODR1ODR0EN_LPFPLPFP_CFGBDUSIMODR代表采样频率，当ODR=0时，传感器进入掉电模式，设置成其它参数时，传感器就按照指定频率开始采样。

EN_LPFP代表使用内部低通滤波器，默认是关闭的。LPFP_CFG是低通滤波器带宽设置，它需要和EN_LPFP配合使用。BDU是Block data update的缩小，它代表只有读取输出数据后才更新寄存器SIM是选择3线/4线SPI方式。气压寄存器气压参数由三个寄存器组成，分别是PRESS_OUT_XL (28h)、PRESS_OUT_L (29h)、PRESS_OUT_H (2Ah)

气压的计算方法是气压 ＝ PRESS_OUT_H·PRESS_OUT_L·PRESS_OUT_XL / 4096就是将三个寄存器的值组合起来，然后除以4096。如果精度要求不高，也可以只取PRESS_OUT_H和PRESS_OUT_L，然后除以16。气压传感器的精度是±0.1hPa，所以保留一位小数就可以了。如果希望通过气压计算高度，通常是用查表计算。不过因为气压容易受到温度、湿度、风力等多个条件影响，通过气压计算绝对高度的误差较大，所以通常是测量相对高度（高度变化）。温度寄存器温度参数由两个寄存器组成：

温度的计算方法是：温度 ＝ TEMP_OUT_H·TEMP_OUT_L / 100考虑到低于0°时是负数，所以需要将这个参数做为有符号数处理。温度传感器的精度是±1.5℃。如果没有特殊要求，使用上述几个寄存器就可以实现基本的数据采集功能。如果希望进一步降低功耗、改变模式、使用中断、使用FIFO、使用参考值等功能，还需要进一步研究其它寄存器才行。下一节将介绍使用MicroPython驱动LPS22HB的方法。