第2章 STM32传感器基础

第2章：STM32传感器基础：I2C与SPI总线协议回顾、常用传感器驱动移植与数据读取

各位同学，欢迎来到第二章。上一章我们聊了AI在嵌入式上的整体思路，这一章咱们得先把地基打牢——传感器通信。你想想看，没有传感器数据，AI模型就是个空壳子，对吧？

我个人习惯把传感器通信比作「两个人聊天」。I2C就像两个人共用一条电话线，得轮流说话；SPI呢，就像两个人各有一条专线，可以同时说。嗯，这个比喻虽然糙了点，但道理是通的。

2.1 I2C总线协议回顾

I2C，全称Inter-Integrated Circuit，是飞利浦公司搞出来的。它只需要两根线：SCL（时钟线）和SDA（数据线）。

核心特点：

主从架构：STM32通常是主机，传感器是从机
7位或10位地址：最常见的是7位地址，比如0x76
速率：标准模式100kHz，快速模式400kHz
开漏输出：需要上拉电阻，一般4.7kΩ

重点：I2C通信时序

起始条件：SCL高电平时，SDA从高变低
停止条件：SCL高电平时，SDA从低变高
数据传输：SCL低电平时改变SDA，高电平时采样

我在项目中遇到过一个问题：I2C总线挂死。当时排查了半天，发现是上拉电阻焊错了，用了10kΩ导致信号上升沿太慢。嗯，这种坑踩过一次就记住了。

2.2 SPI总线协议回顾

SPI，Serial Peripheral Interface，摩托罗拉发明的。它比I2C快得多，但线也多——四根线：SCK（时钟）、MOSI（主机输出从机输入）、MISO（主机输入从机输出）、CS（片选）。

SPI的四种模式：

模式	CPOL（时钟极性）	CPHA（时钟相位）	说明
模式0	0	0	空闲低电平，第一个边沿采样
模式1	0	1	空闲低电平，第二个边沿采样
模式2	1	0	空闲高电平，第一个边沿采样
模式3	1	1	空闲高电平，第二个边沿采样

说白了，SPI就是靠时钟边沿来同步数据。你只要记住：大多数传感器用模式0或模式3。我建议你拿到传感器数据手册后，第一件事就是查SPI模式，不然读出来的数据全是乱的。

⚠️ 避坑指南：我曾经在调试一个加速度计的时候，SPI读出来的数据全是0xFF。折腾了两天，最后发现是CS引脚没有拉低——片选信号没生效。嗯，这种低级错误，谁还没犯过呢？

2.3 常用传感器驱动移植

好，协议讲完了，咱们来点实战的。我选了三个最常用的传感器：温湿度、加速度计、磁力计。这三个基本覆盖了大多数IoT和AI应用场景。

2.3.1 温湿度传感器：SHT30

SHT30是Sensirion家的，I2C接口，精度不错，价格也亲民。它的I2C地址是0x44（ADDR引脚接GND）或0x45（ADDR引脚接VDD）。

驱动移植步骤：

在STM32CubeMX中配置I2C外设，速率选400kHz
编写I2C读写函数（HAL库已经封装好了）
实现SHT30的初始化命令：0x2C06（高精度测量）
读取6字节数据：温度高8位、温度低8位、CRC、湿度高8位、湿度低8位、CRC

// SHT30读取温湿度示例
uint8_t cmd[] = {0x2C, 0x06};
uint8_t buf[6];

HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x44 << 1, cmd, 2, 100);
HAL_Delay(20);  // 等待测量完成
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x44 << 1, buf, 6, 100);

// 计算温度：公式来自数据手册
uint16_t raw_temp = (buf[0] << 8) | buf[1];
float temp = -45.0 + 175.0 * raw_temp / 65535.0;

// 计算湿度
uint16_t raw_humi = (buf[3] << 8) | buf[4];
float humi = 100.0 * raw_humi / 65535.0;

💡 小技巧：我个人习惯在读取数据后加一个CRC校验。SHT30自带了CRC，虽然大多数时候用不上，但万一数据出错了呢？你想想看，AI模型吃进去错误数据，那推理结果能靠谱吗？

2.3.2 加速度计：LSM6DSO

LSM6DSO是ST自家产的，支持I2C和SPI。我一般用SPI，因为加速度计数据量大，SPI快一些。它的I2C地址是0x6A（SA0接GND）或0x6B（SA0接VDD）。

关键寄存器：

寄存器地址	名称	说明
0x10	CTRL1_XL	加速度计控制寄存器，设置ODR和量程
0x28	OUTX_L_XL	X轴加速度低字节
0x29	OUTX_H_XL	X轴加速度高字节
0x0F	WHO_AM_I	设备ID，固定为0x6C

嗯，这里要注意：SPI读取时，第一个字节的最高位要置1，表示读操作。这是SPI协议的一个小细节，忘了的话读回来的全是0。

// LSM6DSO SPI读取加速度数据
uint8_t reg = 0x28 | 0x80;  // 读操作，最高位置1
uint8_t rx_buf[6];

HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, ®, rx_buf, 1, 100);
HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, rx_buf, rx_buf, 6, 100);
HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);

// 解析数据
int16_t acc_x = (rx_buf[1] << 8) | rx_buf[0];
int16_t acc_y = (rx_buf[3] << 8) | rx_buf[2];
int16_t acc_z = (rx_buf[5] << 8) | rx_buf[4];

// 转换为g值（假设量程为±2g）
float acc_x_g = acc_x * 0.061 / 1000.0;  // 0.061 mg/LSB

2.3.3 磁力计：LIS3MDL

磁力计，说白了就是电子指南针。LIS3MDL也是ST家的，I2C地址是0x1E。它和加速度计配合使用，可以做姿态解算。

我记得有一次做无人机项目，磁力计数据老是飘。排查到最后，发现是PCB上走线离电机太近了，磁场干扰严重。嗯，硬件布局这事儿，真的得提前想好。

// LIS3MDL初始化
uint8_t ctrl_reg1[] = {0x20, 0x70};  // 100Hz，高性能模式
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x1E << 1, ctrl_reg1, 2, 100);

// 读取磁力数据
uint8_t reg = 0x28;
uint8_t mag_data[6];
HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, 0x1E << 1, ®, 1, 100);
HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, 0x1E << 1, mag_data, 6, 100);

int16_t mag_x = (mag_data[1] << 8) | mag_data[0];
int16_t mag_y = (mag_data[3] << 8) | mag_data[2];
int16_t mag_z = (mag_data[5] << 8) | mag_data[4];

2.4 数据读取与验证

驱动移植完了，怎么知道数据对不对？我一般做三步验证：

WHO_AM_I检查：每个传感器都有设备ID，读回来对不上就是通信有问题
静态数据观察：传感器不动时，加速度计Z轴应该是1g左右，磁力计应该稳定
动态响应测试：晃一晃板子，看数据有没有变化

核心要点总结：

I2C适合低速、线少的场景，SPI适合高速、大数据量
驱动移植的核心是：初始化配置 + 数据读取 + 格式转换
验证数据时，先看WHO_AM_I，再看物理量是否合理

好了，这一章的内容就到这儿。下一章我们会把这些传感器数据融合起来，做真正的AI推理。你想想看，当温湿度、加速度、磁场数据一起输入到神经网络里，能玩出什么花样？嗯，到时候你就知道了。

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