Seeed Studio XIAO nRF54L15 Sense 内置传感器的使用
XIAO nRF54L15 Sense IMU
6轴 IMU（惯性测量单元） 传感器如 LSM6DS3TR-C 集成了加速度计和陀螺仪，用于测量物体在三维空间中的运动和方向。具体来说，LSM6DS3TR-C 具有以下特性：
加速度计功能：
- 测量物体沿 X、Y 和 Z 轴的加速度。它能够感知物体运动（例如，静止、加速、减速）和倾斜变化（例如，物体的角度）。
- 可用于检测步态、位置变化、振动等。
陀螺仪功能（Gyroscope）：
- 测量物体围绕 X、Y 和 Z 轴的角速度，即物体的旋转。
- 可用于检测旋转、旋转速率和方向变化。
- X轴角度（Roll） 是围绕 X 轴旋转方向的角度。
- Y轴角度（Pitch） 是围绕 Y 轴旋转方向的角度。
- Z轴角度（Yaw） 是围绕 Z 轴旋转方向的角度。
IMU 驱动程序
为了简化您的开发体验并确保快速开始使用这个 IMU 程序，我们利用了 PlatformIO 平台来编写必要的驱动代码。PlatformIO 为嵌入式开发提供了一个全面而高效的环境，使其成为 XIAO nRF54L15 Sense 的理想选择。
在继续之前，请确保您的开发环境已正确设置。如果您尚未将 Seeed Studio XIAO nRF54L15 开发板添加到您的 PlatformIO 配置中，请参考此链接获取如何配置的详细说明。这个关键步骤将使 PlatformIO 能够正确识别并为您的开发板编译代码。
-
一旦您的环境准备就绪，IMU 驱动程序将允许您从 LSM6DS3TR-C 读取原始传感器数据。这些数据包括：
-
加速度计原始值（accel raw）：表示沿 X、Y 和 Z 轴的加速度。
-
陀螺仪原始值（gyro raw）：表示围绕 X、Y 和 Z 轴的角速度。
触发计数（trig_cnt）：一个随每个新数据样本递增的计数器。
以下是您可以从 IMU 期望看到的串行输出示例，如 PlatformIO 设备监视器中显示的那样。此输出提供加速度计和陀螺仪数据的实时读数，这对于理解设备的运动和方向至关重要。
来自 PlatformIO 设备监视器的实时 IMU 数据输出，显示原始加速度计和陀螺仪读数。
这些原始数据通过应用适当的算法（例如，滤波、传感器融合），为从简单的运动检测到复杂的方向跟踪等各种应用奠定了基础。
#include <stdio.h>
#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/device.h>
#include <zephyr/drivers/i2c.h>
#include <zephyr/logging/log.h>
#include <zephyr/devicetree.h>
LOG_MODULE_REGISTER(lsm6dso_i2c_example, LOG_LEVEL_INF);
// --- LSM6DSO I2C 地址和寄存器定义 ---
#define LSM6DSO_I2C_ADDR 0x6A // LSM6DSO I2C 设备地址
#define LSM6DSO_REG_WHO_AM_I 0x0F // 识别寄存器
#define LSM6DSO_WHO_AM_I_VAL 0x6A // 期望的 WHO_AM_I 值
#define LSM6DSO_REG_CTRL1_XL 0x10 // 加速度计控制寄存器
#define LSM6DSO_REG_CTRL2_G 0x11 // 陀螺仪控制寄存器
// 加速度计/陀螺仪数据输出寄存器（低字节在前）
#define LSM6DSO_REG_OUTX_L_XL 0x28 // 加速度计 X 轴低字节
#define LSM6DSO_REG_OUTX_L_G 0x22 // 陀螺仪 X 轴低字节
// --- 数据结构定义 ---
// 用于存储原始传感器数据的结构体
struct lsm6dso_raw_data {
int16_t accel_x;
int16_t accel_y;
int16_t accel_z;
int16_t gyro_x;
int16_t gyro_y;
int16_t gyro_z;
};
// --- 辅助函数 ---
/**
* @brief 通过 I2C 向 LSM6DSO 寄存器写入单个字节。
*/
static int lsm6dso_i2c_reg_write_byte(const struct device *i2c_dev, uint8_t reg_addr, uint8_t value)
{
uint8_t tx_buf[2] = {reg_addr, value};
return i2c_write(i2c_dev, tx_buf, sizeof(tx_buf), LSM6DSO_I2C_ADDR);
}
/**
* @brief 通过 I2C 从 LSM6DSO 寄存器读取单个字节。
*/
static int lsm6dso_i2c_reg_read_byte(const struct device *i2c_dev, uint8_t reg_addr, uint8_t *value)
{
return i2c_reg_read_byte(i2c_dev, LSM6DSO_I2C_ADDR, reg_addr, value);
}
/**
* @brief 通过 I2C 从 LSM6DSO 寄存器读取多个连续字节。
*/
static int lsm6dso_i2c_reg_read_bytes(const struct device *i2c_dev, uint8_t reg_addr, uint8_t *data, uint8_t len)
{
return i2c_burst_read(i2c_dev, LSM6DSO_I2C_ADDR, reg_addr, data, len);
}
// --- LSM6DSO 驱动核心功能 ---
/**
* @brief 初始化 LSM6DSO 传感器。
* 检查 WHO_AM_I 并设置加速度计和陀螺仪的 ODR。
*/
static int lsm6dso_init(const struct device *i2c_dev)
{
uint8_t who_am_i = 0;
int ret;
// 验证设备 ID
ret = lsm6dso_i2c_reg_read_byte(i2c_dev, LSM6DSO_REG_WHO_AM_I, &who_am_i);
if (ret != 0) {
LOG_ERR("读取 WHO_AM_I 寄存器失败 (错误: %d)", ret);
return ret;
}
if (who_am_i != LSM6DSO_WHO_AM_I_VAL) {
LOG_ERR("无效的 WHO_AM_I: 0x%02x，期望值 0x%02x", who_am_i, LSM6DSO_WHO_AM_I_VAL);
return -ENODEV;
}
LOG_INF("LSM6DSO WHO_AM_I 检查通过。ID: 0x%02x", who_am_i);
// 设置加速度计 ODR (12.5 Hz) 和 2g 量程 (0x20)
ret = lsm6dso_i2c_reg_write_byte(i2c_dev, LSM6DSO_REG_CTRL1_XL, 0x20);
if (ret != 0) {
LOG_ERR("设置 CTRL1_XL 寄存器失败 (错误: %d)", ret);
return ret;
}
// 设置陀螺仪 ODR (12.5 Hz) 和 250dps 量程 (0x20)
ret = lsm6dso_i2c_reg_write_byte(i2c_dev, LSM6DSO_REG_CTRL2_G, 0x20);
if (ret != 0) {
LOG_ERR("设置 CTRL2_G 寄存器失败 (错误: %d)", ret);
return ret;
}
LOG_INF("LSM6DSO 初始化成功。");
return 0;
}
/**
* @brief 从 LSM6DSO 传感器获取原始加速度计和陀螺仪数据。
* @param i2c_dev 指向 I2C 设备结构体的指针。
* @param raw_data_out 指向存储原始数据的结构体的指针。
* @return 成功时返回 0，失败时返回负值。
*/
static int lsm6dso_fetch_raw_data(const struct device *i2c_dev, struct lsm6dso_raw_data *raw_data_out)
{
uint8_t accel_data[6];
uint8_t gyro_data[6];
int ret;
// 读取加速度计数据（6 字节）
ret = lsm6dso_i2c_reg_read_bytes(i2c_dev, LSM6DSO_REG_OUTX_L_XL, accel_data, 6);
if (ret != 0) {
LOG_ERR("读取加速度计数据失败 (错误: %d)。", ret);
return ret;
}
// 原始数据是 16 位有符号整数，低字节在前
raw_data_out->accel_x = (int16_t)(accel_data[0] | (accel_data[1] << 8));
raw_data_out->accel_y = (int16_t)(accel_data[2] | (accel_data[3] << 8));
raw_data_out->accel_z = (int16_t)(accel_data[4] | (accel_data[5] << 8));
// 读取陀螺仪数据（6 字节）
ret = lsm6dso_i2c_reg_read_bytes(i2c_dev, LSM6DSO_REG_OUTX_L_G, gyro_data, 6);
if (ret != 0) {
LOG_ERR("读取陀螺仪数据失败 (错误: %d)。", ret);
return ret;
}
// 原始数据是 16 位有符号整数，低字节在前
raw_data_out->gyro_x = (int16_t)(gyro_data[0] | (gyro_data[1] << 8));
raw_data_out->gyro_y = (int16_t)(gyro_data[2] | (gyro_data[3] << 8));
raw_data_out->gyro_z = (int16_t)(gyro_data[4] | (gyro_data[5] << 8));
return 0;
}
/**
* @brief 显示原始加速度计和陀螺仪数据。
* @param raw_data 指向包含原始数据的结构体的指针。
* @param count 轮询计数器。
*/
static void lsm6dso_display_raw_data(const struct lsm6dso_raw_data *raw_data, int count)
{
printf("加速度计原始值: X:%d Y:%d Z:%d (LSB)\n",
raw_data->accel_x, raw_data->accel_y, raw_data->accel_z);
printf("陀螺仪原始值: X:%d Y:%d Z:%d (LSB)\n",
raw_data->gyro_x, raw_data->gyro_y, raw_data->gyro_z);
printf("触发次数:%d\n\n", count);
}
// --- 主函数 ---
int main(void)
{
const struct device *i2c_dev = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(i2c30));
struct lsm6dso_raw_data sensor_data;
static int trig_cnt = 0; // 确保在主作用域中只初始化一次
if (!device_is_ready(i2c_dev)) {
LOG_ERR("I2C 设备 %s 未就绪！", i2c_dev->name);
return 0;
}
LOG_INF("I2C 设备 %s 已就绪。", i2c_dev->name);
if (lsm6dso_init(i2c_dev) != 0) {
LOG_ERR("初始化 LSM6DSO 传感器失败。");
return 0;
}
printf("测试 LSM6DSO 传感器轮询模式（自定义 I2C 驱动）- 原始数据输出。\n\n");
while (1) {
trig_cnt++; // 在每次循环开始时递增计数器
// 获取原始数据
if (lsm6dso_fetch_raw_data(i2c_dev, &sensor_data) == 0) {
// 显示原始数据
lsm6dso_display_raw_data(&sensor_data, trig_cnt);
} else {
LOG_ERR("获取数据失败。");
}
k_sleep(K_MSEC(1000)); // 每秒读取一次
}
return 0;
}
XIAO nRF54L15 Sense 麦克风
MSM261DGT006 是一个数字麦克风（DMIC），输出脉冲密度调制（PDM）数据，使其适合与 XIAO nRF54L15 Sense 等微控制器进行直接数字接口连接。我们的 DMIC 驱动程序专门设计用于处理这种 PDM 输出，将其转换为可用的音频采样，并为各种应用进行处理。
驱动程序初始化麦克风，设置适当的采样率（例如，标准音频为 16000 Hz），并配置 PDM 时钟频率。然后它持续从麦克风读取采样缓冲区，允许实时音频捕获。
当在 PlatformIO 设备监视器中查看时，DMIC 驱动程序的输出提供了关于麦克风操作和传入音频数据的重要信息。您将观察到的关键消息包括：
-
DMIC sample=:：表示 DMIC 采样过程的开始。 -
PCM output rate: 16000, channels: 1：确认音频输出设置，通常为 16 kHz 的采样率和单声道音频。 -
dmic_nrf_pdm: PDM clock frequency: 1280000, actual PCM rate: 16000：显示内部 PDM 时钟频率和生成的 PCM 音频采样率。 -
got buffer 0x... of 3200 bytes:：确认驱动程序成功从麦克风接收到音频数据缓冲区。显示十六进制地址（例如 0x20004C8）和字节大小（例如 3200 字节）。这些缓冲区包含可以进行处理或分析的原始音频采样。 -
dmix_sample: Exiting:：表示 DMIC 采样过程已停止。
下面是当 DMIC 驱动程序运行时，您可以在 PlatformIO 设备监视器中看到的典型输出示例，说明了音频数据的成功捕获和缓冲。
DMIC 驱动程序
来自 PlatformIO 设备监视器的实时 DMIC 数据输出，显示麦克风初始化和缓冲区接收
这些原始音频数据一旦被捕获，就可以用于广泛的应用，包括语音命令、声音事件检测、环境噪声监测以及更复杂的音频处理任务。
#include <stdio.h>
#include <zephyr/device.h>
#include <zephyr/kernel.h>
#include <zephyr/audio/dmic.h>
#include <zephyr/shell/shell.h>
#include <zephyr/sys/util.h>
#define BITS_PER_BYTE 8
#define SAMPLE_RATE_HZ 16000
#define SAMPLE_BITS 16
#define TIMEOUT_MS 1000
#define CAPTURE_MS 500
#define BLOCK_SIZE ((SAMPLE_BITS / BITS_PER_BYTE) * (SAMPLE_RATE_HZ * CAPTURE_MS) / 1000)
#define BLOCK_COUNT 4
static const struct device *const dmic = DEVICE_DT_GET(DT_ALIAS(dmic20));
static const struct device *const pdm_reg = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(pdm_imu_pwr));
K_MEM_SLAB_DEFINE_STATIC(mem_slab, BLOCK_SIZE, BLOCK_COUNT, 4);
static struct pcm_stream_cfg stream = {
.pcm_rate = SAMPLE_RATE_HZ,
.pcm_width = SAMPLE_BITS,
.block_size = BLOCK_SIZE,
.mem_slab = &mem_slab,
};
static struct dmic_cfg cfg = {
.io =
{
.min_pdm_clk_freq = 1000000,
.max_pdm_clk_freq = 3500000,
.min_pdm_clk_dc = 40,
.max_pdm_clk_dc = 60,
},
.streams = &stream,
.channel =
{
.req_num_streams = 1,
.req_num_chan = 1,
},
};
static bool initialized;
static int cmd_mic_capture(const struct shell *sh, size_t argc, char **argv)
{
int ret,time = 1;
void *buffer;
uint32_t size;
int16_t max_data = 0, min_data = 0;
if (argc > 1) {
time = atoi(argv[1]);
}
time *= (1000 / CAPTURE_MS);
if (!initialized) {
shell_error(sh, "麦克风模块未初始化");
return -EPERM;
}
regulator_enable(pdm_reg);
shell_print(sh, "S");
ret = dmic_configure(dmic, &cfg);
if (ret < 0) {
shell_error(sh, "配置DMIC失败(%d)", ret);
return ret;
}
ret = dmic_trigger(dmic, DMIC_TRIGGER_START);
if (ret < 0) {
shell_error(sh, "启动触发失败 (%d)", ret);
return ret;
}
for (int i = 0; i < time; i++) {
ret = dmic_read(dmic, 0, &buffer, &size, TIMEOUT_MS);
if (ret < 0) {
shell_error(sh, "DMIC读取失败 (%d)", ret);
k_mem_slab_free(&mem_slab, buffer);
dmic_trigger(dmic, DMIC_TRIGGER_STOP);
regulator_disable(pdm_reg);
return ret;
}
for (int j = 0; j < size / sizeof(int16_t); j++)
{
if (((int16_t *)buffer)[j] > max_data) {
max_data = ((int16_t *)buffer)[j];
}
if (((int16_t *)buffer)[j] < min_data) {
min_data = ((int16_t *)buffer)[j];
}
shell_print(sh, "%d", ((int16_t *)buffer)[j]);
}
k_mem_slab_free(&mem_slab, buffer);
}
ret = dmic_trigger(dmic, DMIC_TRIGGER_STOP);
if (ret < 0) {
shell_error(sh, "停止触发失败 (%d)", ret);
regulator_disable(pdm_reg);
return ret;
}
shell_print(sh, "E");
shell_print(sh, "音频数据 最大值: %d 最小值: %d", max_data, min_data);
regulator_disable(pdm_reg);
return 0;
}
SHELL_STATIC_SUBCMD_SET_CREATE(sub_mic_cmds,
SHELL_CMD(capture, NULL, "捕获麦克风数据", cmd_mic_capture),
SHELL_SUBCMD_SET_END);
SHELL_CMD_REGISTER(mic, &sub_mic_cmds, "麦克风", NULL);
int mic_init(void)
{
if (!device_is_ready(dmic)) {
return -ENODEV;
}
cfg.channel.req_chan_map_lo = dmic_build_channel_map(0, 0, PDM_CHAN_LEFT);
initialized = true;
return 0;
}
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