i2c温度传感器 ROHM传感器套件测评（二）：五个I2C接口传感器

发布时间：2024-11-24 08:11:13

ROHM传感器套件测评（二）：五个I2C接口传感器

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。

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01020304050607080910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243void test_KX022(char slave_addr){ uint8_t buf[256]; i2c_w1rn(slave_addr,0x0f,buf,1); // check WHOAMI if(buf[0]==0x14) uart_wstr("\r\nKX022 detected."); else { uart_wstr("\r\nNo response."); return; } buf[0]=0x18; // CNTL1,2 buf[1]=0x60; // set RES, DRDYE buf[2]=0x00; i2c_write_n(slave_addr, buf, 3); _delay_ms(100); uart_wstr("\r\nConfigured mode"); buf[0]=0x18; // CNTL1 buf[1]=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[0] & 0x10) { int16_t acc[3]; i2c_w1rn(slave_addr,0x06,(uint8_t *)acc,6); // read data uart_wstr("\r\nXYZ: "); print_i16(acc[0]); uart_wstr(","); print_i16(acc[1]); uart_wstr(","); print_i16(acc[2]); } }}

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:

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010203040506070809101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839void test_BH1745NUC(char slave_addr){ uint8_t buf[256]; i2c_w1rn(slave_addr,0x92,buf,1); // check ID if(buf[0]==0xE0) uart_wstr("\r\nBH1745NUC detected."); else { uart_wstr("\r\nNo response."); return; } buf[0]=0x41; buf[1]=0x00; // default, 160ms buf[2]=0x10; // RGBC EN buf[3]=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[0] & 0x80) // VALID { uint16_t *d=(uint16_t *)buf; i2c_w1rn(slave_addr,0x50,buf,8); // read RGBC uart_wstr("\r\nRGBC: "); uart_wdec(d[0]); uart_wstr(", "); uart_wdec(d[1]); uart_wstr(", "); uart_wdec(d[2]); uart_wstr(", "); uart_wdec(d[3]); 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：

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010203040506070809101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748void test_RPR0521(char slave_addr){ uint8_t buf[256]; i2c_w1rn(slave_addr,0x92,buf,1); // check ID if(buf[0]==0xE0) uart_wstr("\r\nRPR0521 detected."); else { uart_wstr("\r\nNo response."); return; } buf[0]=0x41; buf[1]=0xC7; // enable ALS, PS, 100ms/400ms buf[2]=0x00; // ALS Gain x1 buf[3]=0x20; // PS Gain x4 i2c_write_n(slave_addr, buf, 4); uart_wstr("\r\nWrite CONTROL regs"); buf[0]=0x4A; buf[1]=0x06; // unlatched i2c_write_n(slave_addr, buf, 2); uart_wstr("\r\nWrite INTERRUPT reg"); buf[0]=0x51; buf[1]=0xfe; buf[2]=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[0] & 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[0]); uart_wstr(", ALS: "); uart_wdec(d[1]); uart_wstr(", "); uart_wdec(d[2]); 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）：

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01020304050607080910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546void test_BM1383GLV(char slave_addr){ uint8_t buf[256]; i2c_w1rn(slave_addr,0x0f,buf,2); // check ID if(buf[1]==0x31) uart_wstr("\r\nBM1383GLV detected."); else { uart_wstr("\r\nNo response."); return; } buf[0]=0x12; buf[1]=0x01; // POWER DOWN REG (active) i2c_write_n(slave_addr, buf, 2); _delay_ms(10); uart_wstr("\r\nLeave power down"); buf[0]=0x13; buf[1]=0x01; // RESET REG (active) i2c_write_n(slave_addr, buf, 2); _delay_ms(10); uart_wstr("\r\nLeave reset"); buf[0]=0x14; buf[1]=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[2]; *((uint8_t *)(&p)+1)=buf[1]; *((uint8_t *)(&p)+2)=buf[0]; 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：

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010203040506070809101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051void test_BM1422GMV(char slave_addr){ uint8_t buf[256]; i2c_w1rn(slave_addr,0x0d,buf,3); // check ID if(buf[0]==0x01 &&buf[1]==0x01 &&buf[2]==0x41) uart_wstr("\r\nBM1422GMV detected."); else { uart_wstr("\r\nNo response."); return; } buf[0]=CNTL1; buf[1]=0xC0; // Power enable, 14-bit, continuous mode i2c_write_n(slave_addr, buf, 2); uart_wstr("\r\nSet CNTL1"); buf[0]=CNTL4; buf[1]=0x0; buf[2]=0x0; i2c_write_n(slave_addr, buf, 3); uart_wstr("\r\nSet CNTL4"); buf[0]=CNTL2; buf[1]=0x08; // DREN i2c_write_n(slave_addr, buf, 2); uart_wstr("\r\nSet CNTL2"); buf[0]=CNTL3; buf[1]=0x40; // FORCE i2c_write_n(slave_addr, buf, 2); uart_wstr("\r\nSet CNTL2"); for(;;) { i2c_w1rn(slave_addr,STA1,buf,1); if(buf[0] & 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[0]); uart_wstr(", "); print_i14(d[1]); uart_wstr(", "); print_i14(d[2]); 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。

数字温度传感器系统接口：SPI、I2C 、SMBus如何选

对于需要经常进行数据流传输的系统数据，SPI是首选，因为它拥有较快的时钟速率，速率可从几兆赫兹到几十兆赫兹。然而，对于系统管理活动，如读取温度传感器的读数和查询多个从器件的状态，或者需要多个主器件共存于同一系统总线上(系统冗余常会要求这一点)，或者面向低功耗应用，这时I2C 或 SMBus将是首选接口。

图1：数字温度传感器简化框图

下面几部分将介绍每种串行总线及其优缺点。

1. SPI

SPI 是一种四线制串行总线接口，为主/从结构，四条导线分别为串行时钟(SCLK)、主出从入(MOSI)、主入从出(MISO)和从选(SS)信号。主器件为时钟提供者，可发起读从器件或写从器件操作。这时主器件将与一个从器件进行对话。当总线上存在多个从器件时，要发起一次传输，主器件将把该从器件选择线拉低，然后分别通过 MOSI 和 MISO 线启动数据发送或接收。

SPI 时钟速度很快，范围可从几兆赫兹到几十兆赫兹，且没有系统开销。SPI 在系统管理方面的缺点是缺乏流控机制，无论主器件还是从器件均不对消息进行确认，主器件无法知道从器件是否繁忙。因此，必须设计聪明的软件机制来处理确认问题。同时，SPI 也没有多主器件协议，必须采用很复杂的软件和外部逻辑来实现多主器件架构。每个从器件需要一个单独的从选择信号。总信号数最终为 n+3 个，其中 n 是总线上从器件的数量。因此，导线的数量将随增加的从器件的数量按比例增长。同样，在 SPI 总线上添加新的从器件也不方便。对于额外添加的每个从器件，都需要一条新的从器件选择线或解码逻辑。图 2 显示了典型的 SPI 读/写周期。在地址或命令字节后面跟有一个读/写位。数据通过 MOSI 信号写入从器件，通过 MISO 信号自从器件中读出。图 3显示了 I2C总线/SMBus以及SPI的系统框图。

图2：SPI 典型读/写周期

图3：(a)I2C总线/SMBus系统接口;(b)SPI 系统接口

2. I 2 C总线

I2C 是一种二线制串行总线接口，工作在主/从模式。二线通信信号分别为开漏 SCL 和 SDA 串行时钟和串行数据。主器件为时钟源。数据传输是双向的，其方向取决于读/写位的状态。每个从器件拥有一个唯一的 7 或 10 位地址。主器件通过一个起始位发起一次传输，通过一个停止位终止一次传输。起始位之后为唯一的从器件地址，再后为读/写位。

I2C总线速度为从0Hz到3.4MHz。它没有SPI 那样快，但对于系统管理器件如温度传感器来说则非常理想。I2C 存在系统开销，这些开销包括起始位/停止位、确认位和从地址位，但它因此拥有流控机制。主器件在完成接收来自从器件的数据时总是发送一个确认位，除非其准备终止传输。从器件在其接收到来自主器件的命令或数据时总是发送一个确认位。当从器件未准备好时，它可以保持或延展时钟，直到其再次准备好响应。

I2C允许多个主器件工作在同一总线上。多个主器件可以轻松同步其时钟，因此所有主器件均采用同一时钟进行传输。多个主器件可以通过数据仲裁检测哪一个主器件正在使用总线，从而避免数据破坏。由于 I2C总线只有两条导线，因此新从器件只需接入总线即可，而无需附加逻辑。

3. SMBus

SMBus是一种二线制串行总线，1996年第一版规范开始商用。它大部分基于I2C总线规范。和 I2C一样，SMBus不需增加额外引脚，创建该总线主要是为了增加新的功能特性，但只工作在100kHz且专门面向智能电池管理应用。它工作在主/从模式：主器件提供时钟，在其发起一次传输时提供一个起始位，在其终止一次传输时提供一个停止位;从器件拥有一个唯一的7或10位从器件地址。

SMBus与I2C总线之间在时序特性上存在一些差别。首先，SMBus需要一定数据保持时间，而 I2C总线则是从内部延长数据保持时间。SMBus具有超时功能，因此当SCL太低而超过35 ms时，从器件将复位正在进行的通信。相反，I2C采用硬件复位。SMBus具有一种警报响应地址(ARA)，因此当从器件产生一个中断时，它不会马上清除中断，而是一直保持到其收到一个由主器件发送的含有其地址的ARA为止。SMBus只工作在从10kHz到最高100kHz。最低工作频率10kHz是由SMBus超时功能决定的。

总结

SPI有较快的速度，但是只能单主多从，管理线比较复杂。

I2C等速度比较慢，数据比较臃余，但是主从管理好，也省电省控制管脚。

i2c温度传感器 ROHM传感器套件测评（二）：五个I2C接口传感器

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数字温度传感器系统接口：SPI、I2C 、SMBus如何选

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