第四十六章 QMC6308磁力计实验
STM32H7R7开发板自带了QMC6308传感器。本章，我们将介绍如何使用磁力计QMC6308，将读取到的XYZ原始数据显示到LCD，并将XY数据转换为XY平面的方位角（角度范围0~360°，正北方向为0°）、将读取到的T转换为温度显示到LCD。本章分为如下几个小节：
本章分为如下几个小节：
46.1 QMC6308介绍
46.2 硬件设计
46.3 程序设计
46.4 下载验证
46.1 QMC6308介绍
46.1.1 QMC6308简介
QMC6308是一款QST（上海矽睿）的一款三轴地磁传感器，内部进行信号处理，通过IIC接口进行输出。QMC6308提供的输出信号与它在XYZ方向上测量的磁场成比例，如果需要消除比例因子，需要用户自行校准。QMC6308主要特点如下：
1）测量范围：最大±30高斯
2）高分辨率：0.15μT/LSB(X/Y轴)，0.25μT/LSB(Z轴)
3）高灵敏度：三个轴正交：90°±1，灵敏度：1000 LSBs/Gauss
4）工作温度范围：-40~+85℃
5）供电电压：1.65~1.95V
6）16位ADC采样
7）内部带有温度传感器
8）支持中断
QMC6308传感器的检测轴如图46.1.1.1所示：
图46.1.1.1 QMC6308检测轴与方向
在QMC6308传感器，通过MUX选择器选择采集的是X、Y、Z的数据，然后通过16位ADC获取X、Y、Z的数据，同样，传感器的温度也是通过ADC采集，采集到的数据通过IIC接口进行输出。QMC6308内部结构图如图46.1.1.2所示：
图46.1.1.2 QMC6308内部结构图
图46.1.1.2中SDA和SCL是连接MCU的IIC接口，QMC6308的WLCSP封装只支持IIC协议，这里我们主要介绍使用IIC驱动QMC6308。
每一个IIC设备都有自己的设备地址，QMC6308也不例外，QMC6308的设备地址是包括不可编程部分和可编程部分。
本实验将A1接地，那么设备地址为0x2C。
46.1.2 QMC6308工作模式简介
接下来我们分别QMC6308三种工作模式：单次测量模式、连续模式、挂起模式。
1. 单次测量模式
在单次测量模式(Mode bits=10)时，整个芯片只运行一次，在完成一次测量后进入暂时挂起模式。噪声性能也可以通过OSR2设置来控制。
2. 连续模式
在连续模式(mode位= 11)期间，磁传感器连续进行测量，并将测量数据放入数据输出寄存器。字段范围寄存器位于控制寄存器(OBH)中，数据输出速率与OSR2设置有关，它们应该在连续模式下为应用程序正确设置。
3. 挂起模式
挂起模式是磁力计在POR和软复位时的默认状态。在这种模式下，只有少数功能块被激活，从而使功耗尽可能低。在这种状态下，寄存器值由低功耗LDO保持，I2C接口处于活动状态，允许所有寄存器读写。在悬浮状态下没有磁力计测量。
46.1.3 QMC6308工作时序简介
在STM32H7R7开发板的上，A1是接GND的，所以QMC6308的设备地址是0x2C。在前面我们已经介绍过IIC总线的基本读写，所以我们只介绍QMC6308的数据传输时序。
下面把实验中到的数据传输时序讲解一下，分别是对QMC6308的写时序和读时序。QMC6308写寄存器时序图如图46.1.4.1所示：
图46.1.4.1 QMC6308写时序图
I2C写序列以主机生成的起始条件开始，后面跟着7位从机地址和一个写位(R/W-0)。从机发送一个确认位(ACK-0)并释放总线。主机发送一个字节的寄存器地址。从机再次确认传输，并等待8位数据写入指定的寄存器地址。从机确认数据字节后，主机产生停止信号并终止写入协议。
说完寄存器写入方式之后，下面看一下图46.1.4.2关于QMC6308的读寄存器时序。
图46.1.4.2 QMC6308读时序图
读取寄存器的过程是一个复合的时序，其中包含写时序和读时序。启动条件必须在两个时序之间产生。先看第一个通信过程，这里是写时序，起始信号产生后，主机发送QMC6308写设备地址，获取从机的应答信号后，然后主机释放总线并等待数据字节被释放在从机读出。在每个数据字节之后，主机必须生成一个确认位(ACK-0)来启用进一步的数据传输。来自主服务器的NACK将停止从服务器传输数据。从机释放总线，以便主机可以产生一个停止条件和终止传输。
46.2 硬件设计
1. 例程功能
开机的时候先检测QMC6308是否存在，在检测到QMC6308之后，可以通过KEY0进入校准模式。在初始化完成后（必须进入一次校准，不然数据不是准确的数据），就会不断的读取QMC6308的数据，同时在LCD上面显示相关信息。LED0闪烁用于提示程序正在运行。
2. 硬件资源
1）LED灯
LED0 – PD14
2 ) 独立按键
KEY0 – PE9
KEY_UP – PC13
3）正点原子 2.8/3.5/4.3/7寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
4）串口1(PB14/PB15连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
5）磁力计 QMC6308
3. 原理图
我们主要来看看QMC6308和开发板的连接，如下图所示：
图46.2.3.1 QMC6308连接原理
QMC6308的SCL和SDA分别连接在STM32的PF1和PF0上。本实验通过软件模拟IIC信号建立起与QMC6308的通信，进行数据发送与接收，LCD屏幕进行显示。通过原理图可知本实验使用的QMC6308没有INT引脚，所以源码里面只使用单次测量模式读取数据。
46.3 程序设计
46.3.1 程序解析
本实验中，我们通过GPIO来模拟IIC，所以不需要在Drivers/STM32H7RSxx_HAL_Driver分组下添加IIC的HAL库文件支持。实验工程中，我们复制IIC实验工程，重命名为磁力计实验，新增qmc6308.c文件存放QMC6308驱动。
1. QMC6308驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。QMC6308驱动源码包括两个文件：qmc6308.c和qmc6308.h。
在IIC实验中已经对IIC协议中的需要用到的信号都用函数封装好了，那么现在就要定义符合QMC6308时序的函数。为了使代码功能更加健全，所以在qmc6308.h中宏定义了QMC6308的相关寄存器，具体定义如下：
#define QMC6308_ADDR 0X2C /* QMC6308 IIC器件地址 */ #define QMC6308_CHIP_ID_REG 0x00 /* 芯片ID寄存器 */ #define QMC6308_DEVICE_ID 0x80 /* ID号 */ /* QMC6308寄存器地址 */ #define QMC6308_DATA_X_L_REG 0x01 /* x轴低8位数据输出寄存器 */ #define QMC6308_DATA_X_H_REG 0x02 /* x轴高8位数据输出寄存器 */ #define QMC6308_DATA_Y_L_REG 0x03 /* y轴低8位数据输出寄存器 */ #define QMC6308_DATA_Y_H_REG 0x04 /* y轴高8位数据输出寄存器 */ #define QMC6308_DATA_Z_L_REG 0x05 /* z轴低8位数据输出寄存器 */ #define QMC6308_DATA_Z_H_REG 0x06 /* z轴高8位数据输出寄存器 */ #define QMC6308_STATUS_REG 0x09 /* 状态寄存器 */ #define QMC6308_CTL_REG1 0x0A /* 控制寄存器1 */ #define QMC6308_CTL_REG2 0x0B /* 控制寄存器2 */ #define QMC6308_CTL_REG3 0x0D /* 控制寄存器3 */ #define QMC6308_CTL_REG4 0x0F /* 控制寄存器4 */
下面先看一下qmc6308_read_nbytes函数，实现从QMC6308芯片指定地址读取N字节数据，代码如下：
/**
* @brief 从QMC6308读取N字节数据
* @note QMC6308的命令发送, 也是用该函数实现(不带参数的命令, 也会有一个状态寄存器
* 需要读取)
* @param addr : 寄存器地址/命令
* @param buf : 数据存储buf
* @param length: 读取长度
* @retval 0, 操作成功
* 其他, 操作失败
*/
uint8_t qmc6308_read_nbytes(uint8_t addr, uint8_t *buf, uint8_t length)
{
uint8_t i;
iic_start();
iic_send_byte((QMC6308_ADDR << 1) | 0X00); /* IIC地址最低位是0, 表示写入 */
if (iic_wait_ack())
{
iic_stop();
return 1;
}
iic_send_byte(addr); /* 写地址/命令 */
iic_wait_ack();
iic_start();
iic_send_byte((QMC6308_ADDR << 1) | 0x01); /* IIC地址最低位是1, 表示读取 */
iic_wait_ack();
for (i = 0; i < length; i++)
{
buf[i] = iic_read_byte((i == (length - 1)) ? 0 : 1);
}
iic_stop();
return 0;
}
该函数首先调用iic_start函数产生起始信号，然后调用iic_send_byte函数发送第1个字节数据设备写地址，等待QMC6308设备返回应答信号；收到应答信号后，继续发送第2个1字节数据内存地址addr；等待接收应答后，发送第3个1字节数据设备读地址；最后QMC6308最 先收到的是状态字节（一个字节），随后是读取的数据（数据都是两个字节），返回应答信号，主机调用iic_stop函数产生停止信号终止数据传输，等待QMC6308读取完毕。
接下来看一下qmc6308_write_register函数，实现从QMC6308芯片指定地址写入数据，其定义如下：
/**
* @brief QMC6308写寄存器
* @param reg : 寄存器地址
* @param data : 写入的值
* @retval 0, 操作成功
* 其他, 操作失败
*/
uint8_t qmc6308_write_register(uint8_t reg, uint8_t data)
{
iic_start();
iic_send_byte((QMC6308_ADDR << 1) | 0X00); /* IIC地址最低位是0, 表示写入 */
if (iic_wait_ack())
{
iic_stop();
return 1;
}
iic_send_byte(reg); /* 发送写寄存器命令 */
if (iic_wait_ack() != 0)
{
iic_stop();
return 1;
}
iic_send_byte(data); /* 发送数据 */
if (iic_wait_ack() != 0)
{
iic_stop();
return 1;
}
iic_stop();
return 0;
}
该函数首先调用iic_start函数产生起始信号，然后调用iic_send_byte函数发送第1个字节数据设备写地址，等待QMC6308设备返回应答信号；收到应答信号后，继续发送第2个1字节写入数据内存地址reg；等待接收应答后，发送第3个1字节数据写入内存地址的数据data高字节；QMC6308设备写完数据，返回应答信号，主机调用iic_stop函数产生停止信号终止数据传输，等待QMC6308写入完毕。
介绍完写寄存器函数，那么我们接下来开始介绍qmc6308_read_register函数，实现QMC6308内部寄存器的读取，代码如下：
/**
* @brief QMC6308读寄存器
* @param reg : 寄存器地址
* @retval 读取到的值
* 0XFFFF, 则可能表示错误
*/
uint16_t qmc6308_read_register(uint8_t reg)
{
uint8_t temp = 0;
iic_start();
iic_send_byte((QMC6308_ADDR << 1) | 0X00); /* IIC地址最低位是0, 表示写入 */
iic_wait_ack();
iic_send_byte(reg); /* 发送读寄存器命令 */
iic_wait_ack();
iic_start();
iic_send_byte((QMC6308_ADDR << 1) | 0x01); /* IIC地址最低位是1, 表示读取 */
if (iic_wait_ack() != 0)
{
iic_stop();
return 1;
}
temp = iic_read_byte(0);
iic_stop();
return temp;
}
该函数与我们介绍第一个函数相似，首先调用iic_start函数产生起始信号，然后调用iic_send_byte函数发送第1个字节数据设备写地址，等待QMC6308设备返回应答信号；收到应答信号后，继续发送第2个1字节数据内存地址reg<<1（读取地址的低1位也为0）；等待接收应答后，发送第3个1字节数据设备读地址；最后QMC6308设备接收完数据（一个状态字节和一个两字节的数据），返回应答信号，主机调用iic_stop函数产生停止信号终止数据传输，等待QMC6308读取完毕。
最后，我们介绍三个读取数据函数，代码如下：
/**
* @brief QMC6308读取磁力计数据(只读 X,Y,Z轴数据)
* @param pmagx : X轴磁力计原始值指针
* @param pmagy : Y轴磁力计原始值指针
* @param pmagz : Z轴磁力计原始值指针
* @retval 0, 成功
* 其他, 异常
*/
uint8_t qmc6308_read_magdata(float *pmagx, float *pmagy, float *pmagz)
{
int res = 0;
unsigned char mag_data[6];
short hw_d[3] = {0};
short raw_c[3];
int t = 0;
unsigned char rdy = 0;
/* Check status register for data availability */
while(!(rdy & 0x01) && (t < 5))
{
qmc6308_read_nbytes(QMC6308_STATUS_REG, &rdy, 1);
t++;
}
res = qmc6308_read_nbytes(QMC6308_DATA_X_L_REG, mag_data, 6);
/* 读取XYZ轴数据 */
if(res != 0)
{
return 1; /* 读取失败直接返回 */
}
/* 组合数据 */
hw_d[0] = (short)(((mag_data[1]) << 8) | mag_data[0]);
hw_d[1] = (short)(((mag_data[3]) << 8) | mag_data[2]);
hw_d[2] = (short)(((mag_data[5]) << 8) | mag_data[4]);
/* Unit:mG 1G = 100uT = 1000mG */
raw_c[AXIS_X] = (int)(c_map.sign[AXIS_X] * hw_d[c_map.map[AXIS_X]]);
raw_c[AXIS_Y] = (int)(c_map.sign[AXIS_Y] * hw_d[c_map.map[AXIS_Y]]);
raw_c[AXIS_Z] = (int)(c_map.sign[AXIS_Z] * hw_d[c_map.map[AXIS_Z]]);
*pmagx = (float)raw_c[AXIS_X] / 10.0f;
*pmagy = (float)raw_c[AXIS_Y] / 10.0f;
*pmagz = (float)raw_c[AXIS_Z] / 10.0f;
return res;
}
/**
* @brief QMC6308读取磁力计数据(只读 X,Y,Z轴数据),读times次取平均
* @note 本函数耗时 ≈ 15 * times ms
*
* @param pmagx : X轴磁力计原始值指针
* @param pmagy : Y轴磁力计原始值指针
* @param pmagz : Z轴磁力计原始值指针
* @param times : 读取多少次取平均
* @retval 0, 成功
* 其他, 异常
*/
uint8_t qmc6308_read_magdata_average(float *pmagx, float *pmagy, float *pmagz, uint8_t times)
{
uint8_t i = 0;
uint8_t error_cnt = 0;
int32_t magx = 0;
int32_t magy = 0;
int32_t magz = 0;
while (i < times) /* 连续读取times次 */
{
if (qmc6308_read_magdata(pmagx,pmagy,pmagz)==0) /* 读取数据是否正常? */
{
magx += *pmagx; /* 累加 */
magy += *pmagy;
magz += *pmagz;
i++;
error_cnt = 0;
}
else
{
error_cnt++; /* 错误计数器 */
delay_ms(10);
if (error_cnt > 100) /* 连续100次出错, 直接返回异常 */
{
return 0XFF;
}
}
}
*pmagx = magx / times; /* 取平均值 */
*pmagy = magy / times; /* 取平均值 */
*pmagz = magz / times; /* 取平均值 */
return 0;
}
qmc6308_read_magdata函数：首先设置为单次模式，然后读取一次磁力计的x，y，z轴原始数据，iic数据有7位：status，x高八位，x低八位，y高八位，y低八位，z高八位，z低八位。
qmc6308_read_magdata_average函数：调用qmc6308_read_magdata函数，读取多次磁力计的x，y，z轴原始数据，取平均值。
我们在main函数主要调用qmc6308_read_magdata函数实现读取磁力计的数据。
2. main.c代码
我们读取到的x，y，z轴数据是原始数据，此时的数据还不能直接用作方位角的计算，因为此时的磁力计可能受到其他一些磁性材料的影响，导致圆心坐标偏移，所以我们要对磁力计进行校准，将漂移值移除，使圆心回到原点。
常用校准方法有：平面校准法、立体八字校准法、十面校准法。本实验采用平面校准法，针对XY轴进行校准，将开发板在XY平面内旋转一周，等价于将地球磁场矢量绕着点O(x0,y0)（即圆心）垂直于XY平面的法线旋转，这样就可以得到圆心的位置x_offeset = (x_max + x_min) / 2，y_offeset = (y_max + y_min) / 2。立体八字校准法与十面校准法我们不做介绍，感兴趣的可以自己去了解一下。
我们以XY平面为例，假设圆心O点发生了偏移，如图46.3.1.2.1所示：
图46.3.1.2.1 圆心偏移示意图
我们校准后，使得圆心O点回到零点（0，0），如图46.3.1.2.2所示：
图46.3.1.2.2 圆心在零点示意图
最后，我们打开main.c，这里就不全部贴出来了，仅介绍三个重要函数：
/**
* @brief 罗盘(磁力计)校准函数
* @note 这里我们使用最简单的平面校准方法.
* 进入此函数后,请水平转动开发板至少一周(360°),转动完成后, 按WKUP键退出!
* @param 无
* @retval 无
*/
void compass_calibration(void)
{
int16_t x_min = 0;
int16_t x_max = 0;
int16_t y_min = 0;
int16_t y_max = 0;
int16_t magx, magy, magz;
uint8_t res;
uint8_t key = 0;
lcd_clear(WHITE);
lcd_show_string(10, 90, 240, 16, 16, "Compass Calibration", RED);
lcd_show_string(10, 110, 240, 16, 16, "Pls rotate horiz one cycle!", RED);
lcd_show_string(10, 130, 240, 16, 16, "If done, press WKUP key!", RED);
while (1)
{
key = key_scan(0);
if (key == WKUP_PRES) /* 结束校准 */
{
break;
}
res = qmc6308_read_magdata(&magx, &magy, &magz); /* 读取数据 */
if (res == 0)
{
x_max = x_max < magx ? magx : x_max; /* 记录x最大值 */
x_min = x_min > magx ? magx : x_min; /* 记录x最小值 */
y_max = y_max < magy ? magy : y_max; /* 记录y最大值 */
y_min = y_min > magy ? magy : y_min; /* 记录y最小值 */
}
LED0_TOGGLE(); /* LED0闪烁,提示程序运行 */
}
g_magx_offset = (x_max + x_min) / 2; /* X轴偏移量 */
g_magy_offset = (y_max + y_min) / 2; /* Y轴偏移量 */
/* 串口打印水平校准相关参数 */
printf("x_min:%d\r\n", x_min);
printf("x_max:%d\r\n", x_max);
printf("y_min:%d\r\n", y_min);
printf("y_max:%d\r\n", y_max);
printf("g_magx_offset:%d\r\n", g_magx_offset);
printf("g_magy_offset:%d\r\n", g_magy_offset);
}
/**
* @brief 罗盘获取角度
* @note 获取当前罗盘的角度(地磁角度)
* @param 无
* @retval 角度
*/
float compass_get_angle(void)
{
float angle;
int16_t magx, magy, magz;
/* 读取原始数据, 10次取平均 */
qmc6308_read_magdata_average(&magx, &magy, &magz, 10);
magx = (magx - g_magx_offset) ; /* 根据校准参数, 计算新的输出 */
magy = (magy - g_magy_offset) ; /* 根据校准参数, 计算新的输出 */
/* 根据不同的象限情况, 进行方位角换算 */
if ((magx > 0) && (magy > 0))
{
angle = (atan((double)magy / magx) * 180) / 3.14159f;
}
else if ((magx > 0) && (magy < 0))
{
angle = 360 + (atan((double)magy / magx) * 180) / 3.14159f;
}
else if ((magx == 0) && (magy > 0))
{
angle = 90;
}
else if ((magx == 0) && (magy < 0))
{
angle = 270;
}
else if (magx < 0)
{
angle = 180 + (atan((double)magy / magx) * 180) / 3.14159f;
}
if (angle > 360) angle = 360; /* 限定方位角范围 */
if (angle < 0) angle = 0; /* 限定方位角范围 */
return angle;
}
int main(void)
{
uint8_t t = 0;
uint8_t key;
float angle;
float magx, magy, magz;
sys_mpu_config(); /* 配置MPU */
sys_cache_enable(); /* 使能Cache */
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(300, 6, 2); /* 配置时钟，600MHz */
delay_init(600); /* 初始化延时 */
usart_init(500000); /* 初始化串口 */
led_init(); /* 初始化LED */
key_init(); /* 初始化按键 */
hyperram_init(); /* 初始化HyperRAM */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
while (qmc6308_init()) /* QMC6308初始化 */
{
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "QMC6308 Error", RED);
delay_ms(200);
lcd_fill(30, 110, 239, 130 + 16, WHITE);
delay_ms(200);
}
RST:
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "QMC6308 TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "KEY0 to calibration", RED);
while (1)
{
key = key_scan(0);
if (key == KEY0_PRES) /* KEY0 按下 ,执行校准 */
{
compass_calibration(); /* 校准函数 */
lcd_clear(WHITE); /* 清屏 */
goto RST; /* 校准完后,跳到RST, 重新显示提示信息 */
}
delay_ms(10);
t++;
if (t == 10) /* 0.1秒左右更新一次磁力计原始值 */
{
angle = compass_get_angle(); /* 执行一次约150ms */
user_show_angle(30, 130, 360 - angle); /* 显示角度 */
qmc6308_read_magdata(&magx, &magy, &magz); /* 读取原始数据 */
user_show_mag(30, 170, "MagX:", magx); /* 显示magx */
user_show_mag(30, 190, "MagY:", magy); /* 显示magy */
user_show_mag(30, 210, "MagZ:", magz); /* 显示magz */
t = 0;
LED0_TOGGLE(); /* LED0闪烁 */
}
}
}
下面分别介绍一下这三个函数。
compass_calibration，该函数用于校准磁力计QMC6308，校准方法采用的是我们前面介绍的平面校准法，校准完成后的偏移量offeset存到全局变量g_magx_offset和g_magy_offset。
compass_get_angle，该函数用于计算XY平面的方位角angle。首先，获取x，y，z的原始数据，然后x和y加上校准完成后的偏移量，最后再计算XY平面的方位角angle，atan求出来的角度范围-90°~+90°，所以想要得到0°~360°，我们进行方位角计算式，就要根据x，y判断象限，不同象限的情况下进行不同的计算。
main函数，则比较简单，初始化相关外设，在循环中不断获取磁力计数据，并在LCD上显示数据；我们可以通过按键KEY0进入校准模式。
46.4 下载验证
在代码编译成功后，我们通过下载代码到开发板上，可以看到LED0不停闪烁，提示程序已经在运行了。LCD显示磁力计的MagX，MagY，MagZ原始数据和计算后的Angle，Temp数据，如图46.4.1所示：
图46.4.1 程序运行效果图
按下KEY0，进入校准模式，如图46.4.2所示：
图46.4.2 校准模式效果图
退出校准模式后，可以与手机指南针的航向角进行对比，如果发现误差较大，则需要再次进行校准。
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