ROHM传感器套件测评(二): 五个I2C接口传感器
本帖最后由 cruelfox 于 2017-3-25 16:30 编辑上一篇：ROHM传感器套件测评(一): 测试平台,霍尔传感器
这个套件的8个传感器中有5个是I2C接口的数字传感器：
在 SensorShield 底板上，有5个位置可以插I2C传感器小板。不过因为工作电压范围不一致，不能全插上去一起用。这5个传感器都是自带AD转换的，所以直接输出数字量了，加上可配置能力，适应性更强。比如，在不需要采集数据的时候可以关闭内部功能以节省电力。
加速度传感器 KX022-1020
这大概是这套传感器中配置最为复杂的一个。它是一个三轴加速度传感器，也就是能感知三维空间空间中的加速度方向。关于这个测量结果的物理意义我需要说明一下，因为两天前我自己也没想清楚：为什么加速度计放在地上不动，也测出来有加速度（大小是一个g，重力加速度的值），而不是加速度为0 ? 它明明就没有运动嘛。倘若把加速度计连同附属电路装置抛向空中，必然读出加速度是0，尽管这个时候它是向地面加速的。和人们的直观感受完全相反啊！实际是这样：运动是相对的，参照系不同，速度就不同（中学物理讲的是以静止或者匀速运动物体为参照，但是怎么定义静止呢？)；加速度也会随参照系而变，因为是速度的微分（例子：伽利略实验，两个铁球同时着地）。当以地球表面自由落体的物体为参照时，这个加速度计的测量值就可以被解释了：放在桌上不动，它就有一个竖直向上的加速度。
对于加速度计，引力是不能让它产生测量值的；人也一样，人其实不能直接感受到引力的存在。或许看我这段话的朋友要反驳了：没有引力存在我不就一蹦飞上天了么？注意，人蹦起来离开地面时候是失重的，比如蹦极的时候闭上眼睛其实并不知道引力在什么方向。反而是我们站着、坐着或者躺着的时候，受到地面、椅子或者床的向上的拖着的力——身体切实感受到了，却习以为常而被忽略了。所以结论是：人站在地球上，和坐在原离太阳系正以9.8m/s/s加速的宇宙飞船里，感受到的“重力”是一样的。
回到说这个传感器，其内部在AD转换之后的数字部分还有DSP和FIFO buffer，才把数据送到接口电路，这是比直接读取AD转换值更高级的功能。在手册中对DSP的功能有描述，我没有工夫来详细研究了。KX022-1020 具有16-bit数字分辨率，最大每秒1600次转换输出的能力，最大正负8g的量程，对消费类一般运动检测(不是碰撞冲击)的话应该够用了。我没有惯性传感器的实际应用经验，就不作多的评价。作为类似手机重力方向感应的倾角检测应用的话，这个加速度计是足够。接口它是支持SPI和I2C的，SPI支持的速率更高，但是套件中只提供了I2C的连接方式。
KX022 有57个8位的寄存器，好在简单的测试只配CNTL1, CNTL2之后就可以读数了。
void test_KX022(char slave_addr)
{
uint8_t buf;
i2c_w1rn(slave_addr,0x0f,buf,1); // check WHOAMI
if(buf==0x14)
uart_wstr("\r\nKX022 detected.");
else
{
uart_wstr("\r\nNo response.");
return;
}
buf=0x18; // CNTL1,2
buf=0x60; // set RES, DRDYE
buf=0x00;
i2c_write_n(slave_addr, buf, 3);
_delay_ms(100);
uart_wstr("\r\nConfigured mode");
buf=0x18; // CNTL1
buf=0xE0; // operating mode
i2c_write_n(slave_addr, buf, 2);
uart_wstr("\r\nACC operating");
_delay_ms(100);
for(;;)
{
_delay_ms(10);
i2c_w1rn(slave_addr,0x13,buf,1); // read INS2
if(buf & 0x10)
{
int16_t acc;
i2c_w1rn(slave_addr,0x06,(uint8_t *)acc,6); // read data
uart_wstr("\r\nXYZ: ");
print_i16(acc);
uart_wstr(",");
print_i16(acc);
uart_wstr(",");
print_i16(acc);
}
}
}
在小板上丝印标注了加速度的XYZ敏感方向。若SensorShield水平放置，Z轴是向上的。
本测试是正负2g的量程范围，每秒50次转换输出。板子平放时候串口输出：
大约是z方向正向(向上)的一个g加速度，符合前面的推断。因为没有严格水平，加速度方向没有严格在z方向上。倒过来朝下扣着，则Z读数应该变成负的：
侧着竖起来放看一下结果：
还是蛮好玩的。至于自由落体，现在这样拖着USB线就没法测试了（需要做个电池供电，把数据存到SD卡或者无线发送出来......)
RGB颜色传感器 BH1745
这是一个接收可见光的传感器，所以封装是透明的。
我先谈下我对“颜色”的理解。眼睛只所以能感受颜色，是因为有光进入了眼睛，刺激到了视网膜上的感光细胞。我们说一个不发光的物体，比如一块布料是什么颜色的，是指它的反射光。但是反射光必然又和入射光有关系，比如，在红光灯照射下，绿色的物体也只能反射红光。所以日常生活中谈论物体的颜色还有一个假设前提，就是在自然光下。但是，这还是定性讨论，自然光还没有定义呢。太阳光是具有连续光谱的，在人眼可见部分光谱的能量分布也和自然环境相关。一般笼统地把太阳光称为七种颜色的光组成，事实上并非七种单一波长的光组成。人眼能识别颜色，是因为视网膜上有3种视锥细胞，对不同波长有不同的敏感度：
这好比人眼睛有三种色彩传感器。于是，有同色异谱现象（不同的光谱分布可能产生同样的颜色感知），有了现在的RGB三基色系统来重现(模拟)自然界的色彩。
ROHM这个 BH1745NUC 传感器的颜色敏感曲线和人眼是有所不同的
除了RGB输出，还有一个"Clear color"通道。寄存器表比前面的加速度计要简单了
测试程序:
void test_BH1745NUC(char slave_addr)
{
uint8_t buf;
i2c_w1rn(slave_addr,0x92,buf,1); // check ID
if(buf==0xE0)
uart_wstr("\r\nBH1745NUC detected.");
else
{
uart_wstr("\r\nNo response.");
return;
}
buf=0x41;
buf=0x00; // default, 160ms
buf=0x10; // RGBC EN
buf=0x02;
i2c_write_n(slave_addr, buf, 4);
uart_wstr("\r\nWrite CONTROL1,2,3");
for(;;)
{
i2c_w1rn(slave_addr,0x42,buf,1); // MODE_CONTROL2
if(buf & 0x80) // VALID
{
uint16_t *d=(uint16_t *)buf;
i2c_w1rn(slave_addr,0x50,buf,8); // read RGBC
uart_wstr("\r\nRGBC: ");
uart_wdec(d);
uart_wstr(", ");
uart_wdec(d);
uart_wstr(", ");
uart_wdec(d);
uart_wstr(", ");
uart_wdec(d);
uart_wstr(" ");
}
}
}
我用一块PCB板将传感器盖住，在室内环境下可以实现读数全为0. 在我的工作桌上(灯头是七年半前制作的，四只Cree XR-E Q3 5C串联)，输出结果
而放到被太阳光照射的地方(隔着窗玻璃，空气还有雾霾)，可以发现光更强
调整一下板子的角度，让太阳光接近垂直照射到传感器上，数值应该是更大的：
在太阳光下阅读，对人眼的刺激就太大了。光过强也不好。我的另一盏LED台灯(前年制作的，用了较新的,且色温更低的LED)下：
这个LED的红色成分明显加强了，是更接近白炽灯的。但家中已没有白炽灯了，无法测试对比数据。
另外一个用AA电池的LED小灯下，LED距离传感器比较近测量：
这个的蓝光成分就高了，作为照明用眼睛也不舒适。应急用不要紧。
把传感器靠在我现在的显示器屏幕上，显示白色区域：
最后玩一个，3mm的高亮度红色LED，距离传感器十几mm照射：
作为能定量分析光照颜色的传感器，BH1745NUC 在环境监测、智能家居方面可以发挥优势。直接作为视力保护的照明条件评估，我认为也是个理想的应用。
接近和环境光传感器 RPR-0521RS
这是一个复合传感器，把光传感器功能和红外LED结合在一起，做成了反射式的接近检测传感器加环境光(可见光和红外)传感器。用手册中的这个图可以说明它的原理和用途：
检测需要的灵敏度和阈值是需要设置后才能用的(比如需要产生中断输出). 寄存器表如下，和前一个颜色传感器的风格一致。
我的测试程序：
void test_RPR0521(char slave_addr)
{
uint8_t buf;
i2c_w1rn(slave_addr,0x92,buf,1); // check ID
if(buf==0xE0)
uart_wstr("\r\nRPR0521 detected.");
else
{
uart_wstr("\r\nNo response.");
return;
}
buf=0x41;
buf=0xC7; // enable ALS, PS, 100ms/400ms
buf=0x00; // ALS Gain x1
buf=0x20; // PS Gain x4
i2c_write_n(slave_addr, buf, 4);
uart_wstr("\r\nWrite CONTROL regs");
buf=0x4A;
buf=0x06; // unlatched
i2c_write_n(slave_addr, buf, 2);
uart_wstr("\r\nWrite INTERRUPT reg");
buf=0x51;
buf=0xfe;
buf=0xff;
i2c_write_n(slave_addr, buf, 3);
uart_wstr("\r\nWrite ALS TL");
for(;;)
{
i2c_w1rn(slave_addr,0x4a,buf,1); // INTERRUPT
if(buf & 0x40) // ALS status
{
uint16_t *d=(uint16_t *)buf;
i2c_w1rn(slave_addr,0x44,buf,6); // read PS,ALS
uart_wstr("\r\nPS: ");
uart_wdec(d);
uart_wstr(", ALS: ");
uart_wdec(d);
uart_wstr(", ");
uart_wdec(d);
uart_wstr(" ");
}
}
}
在我的工作桌上，没有遮挡的情况下输出结果：
似乎这个环境光检测的“红外”通道对可见光也是有感应的。
拿一张纸片，平放在传感器上放10cm处，挡住灯光照射
接近检测稍有所响应(GAIN=4x)，环境光检测可以看到明显变化了。距离再减到5cm
这个距离下接近检测是可靠的了。这也是手册中的测量条件。 环境光检测数进一步缩小。若距离更近，接近检测的数值会迅速增大。
我设想RPR-0521RS作为接近传感的用途是近距离的手势控制，或者机械装置里的近距离位置反馈。作为人体接近危险区域的报警用途之类则不合适，距离太短了。我上面的测试中接近传感的测量间隔是400ms，检测手势的速度不够。不过它是可以配置为最短10ms检测一次的，应该可以用。
气压传感器 BM1383GLV
气压传感器的意义很直观，它封装里面的传感器和外面空气是相通的(壳上有个小孔)，测量空气压强。在平常接触到的电子设备中，大概是血压计用得最多，此外它也被用来间接测量海拔高度。
BM1383GLV这个型号的手册我下载不到，ROHM网站的链接一直是Access denied错误。我只能找到 BM1383AGLV 型号的手册，可能是改进型，但是区别有多少不得而知。根据描述，这俩都是内建温度补偿的气压传感器。我只好以 BM1383AGLV 为参照，写程序的时候发现寄存器操作有误再把Rohm网站上能下载的Arduino程序找来参考。
测试程序（因为没有把DRDY检测弄成功，就改为延时100ms后读取一次结果了）：
void test_BM1383GLV(char slave_addr)
{
uint8_t buf;
i2c_w1rn(slave_addr,0x0f,buf,2); // check ID
if(buf==0x31)
uart_wstr("\r\nBM1383GLV detected.");
else
{
uart_wstr("\r\nNo response.");
return;
}
buf=0x12;
buf=0x01; // POWER DOWN REG (active)
i2c_write_n(slave_addr, buf, 2);
_delay_ms(10);
uart_wstr("\r\nLeave power down");
buf=0x13;
buf=0x01; // RESET REG (active)
i2c_write_n(slave_addr, buf, 2);
_delay_ms(10);
uart_wstr("\r\nLeave reset");
buf=0x14;
buf=0xda; // Average 64, DRDY enable, continuous ?? not sure
i2c_write_n(slave_addr, buf, 2);
_delay_ms(10);
uart_wstr("\r\nConfigured mode");
for(;;)
{
uint32_t p=0;
_delay_ms(100);
uart_wstr("\r\n");
i2c_w1rn(slave_addr,0x1c,buf,3); // read data
*(uint8_t *)(&p)=buf;
*((uint8_t *)(&p)+1)=buf;
*((uint8_t *)(&p)+2)=buf;
p>>=2;
uart_wstr("Pressure counts: ");
uart_wdec(p);
}
}
测量结果，这个数值除以2048就是百帕(hPa)单位的值。
估测数据的波动在0.1个百帕量级。那么对气压敏感程度如何？我拿出我的笔记本电脑来测试了，带着Nucleo, SensorShield边测边走。我住在4楼，走到楼下看测量数据已经有明显的变化了：
外面气温低，可能温度也影响了结果，也可能气压本来就跟温度有关。再上楼梯到4楼，在门外看看：
排除温度的变化，气压测量结果的确是有高度反映的。回到屋内稍暖和了一下，再看读数：
稍微有点变化。用气压测海拔本来就有精度范围的吧。不知道用这个传感器换算高度结果靠谱不。
三轴磁场传感器 BM1422GMV
这又是一个三轴传感器，测量磁场的方向和强度。主要的应用是电子罗盘，也就是测量地磁场来实现方向导航。在 BM1422GMV 内部集成了3个磁阻元件，经过AD转换输出12或14位的数据。
寄存器表：
工作流程图：
按照流程图写的测试程序：
void test_BM1422GMV(char slave_addr)
{
uint8_t buf;
i2c_w1rn(slave_addr,0x0d,buf,3); // check ID
if(buf==0x01 &&buf==0x01 &&buf==0x41)
uart_wstr("\r\nBM1422GMV detected.");
else
{
uart_wstr("\r\nNo response.");
return;
}
buf=CNTL1;
buf=0xC0; // Power enable, 14-bit, continuous mode
i2c_write_n(slave_addr, buf, 2);
uart_wstr("\r\nSet CNTL1");
buf=CNTL4;
buf=0x0;
buf=0x0;
i2c_write_n(slave_addr, buf, 3);
uart_wstr("\r\nSet CNTL4");
buf=CNTL2;
buf=0x08; // DREN
i2c_write_n(slave_addr, buf, 2);
uart_wstr("\r\nSet CNTL2");
buf=CNTL3;
buf=0x40; // FORCE
i2c_write_n(slave_addr, buf, 2);
uart_wstr("\r\nSet CNTL2");
for(;;)
{
i2c_w1rn(slave_addr,STA1,buf,1);
if(buf & 0x40)
{
int16_t *d=(int16_t *)buf;
i2c_w1rn(slave_addr,DATAX,buf,6); // read DATAX,Y,Z
uart_wstr("\r\nDATA: ");
print_i14(d);
uart_wstr(", ");
print_i14(d);
uart_wstr(", ");
print_i14(d);
uart_wstr(" ");
}
}
}
然而，测量结果很奇怪。首先是沿敏感轴改变方向后数值并不是变成反号，其次读数不是很稳定，还有换用不同的插座位置时读数也有差别。第一个问题我试图用设定Offset来校正，失败，未得到合适的结果。在默认的参数下，某个摆放朝向是这样的测量结果：
X轴方向不变，Y, Z轴都变成反方向再测：
看起来好象有个负的offset在里面，但这个误差也太大了。我怀疑是否是板子上的电流产生的磁场造成的干扰，但是现在没有办法去检验。最后一图上X轴数据的突然跳变也无法解释……
遗憾，作为地磁测量，我还没法把BM1422用起来。
来学习一下，ROHM的东西精度还是不错的！ 欢迎大牛9月11-13号来上海国际传感器技术博览会参观:victory: <p>i2c_w1rn这个函数是怎么写的呢？</p>
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