【51单片机快速入门指南】4.4：I2C 读取HMC5883L / QMC5883L 磁力计

硬知识

摘自《HMC5883L中文规格书》、《QMC5883L Datasheet 1.0》、《QMC5883L寄存器对比及参考设置》、QMC5883L说明文档 —— yedongnan001

简介

HMC5883L

        霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。

QMC5883L

        QMC5883L源于霍尼韦尔的HMC5883L，是一款表面贴装的集成了信号处理电路的三轴磁性传感器，应用场景主要包括罗盘、导航、无人机、机器人和手持设备等一些高精度的场合。

性能对比

操作模式

HMC5883L

连续测量模式

        连续测量模式，在客户所选择的速率下进行连续的测量，并所测量的更新数据输出寄存器。如果有必要，数据可以从数据输出寄存器重新读取，但是，如果主机并不能确保在下次测量完成之前可以访问数据寄存器，数据寄存器上的旧的数据会被新的测量数据取代。为了保存测量之间的电流，该装置被放置在一个类似闲置模式的状态，但模式寄存器没有改变成空闲模式。即MD[n]位不变。配置寄存器A的设置在连续测量模式时会影响数据输出速率(比特DO[n]) ，测量配置(bits MS[n])，和增益(bits GN[n])。所有寄存器在连续测量模式中保留数值。 在连续测量模式下I2C总线可被网络内的其他装置启用。

单次测量模式

        这是预设的供电模式。在单测量模式，该装置进行单次测量并将测量数据更新至输出数据寄存器中。在完成测量和输出数据寄存器的更新以后，通过设置MD[n] bits，该装置被置于闲置模式，模式寄存器变更为闲置模式。配置寄存器的设置在单一测量模式时影响测量配置(bits MS[n])。。在单测量模式中所有寄存器保留数值。 在单测量模式下I2C总线可被网络内其他装置启用。

闲置模式

        在此模式下，装置可以通过I2C总线访问，但主要电源能耗是禁用的，如ADC，放大器，传感器偏置电流，但不仅限于这些。在空闲模式下所有寄存器保留数值。在闲置测量模式下I2C总线可被网络内其他装置启用。

QMC5883L

连续测量模式

        此模式下，磁性传感器连续进行测量并把测量数据置于数据输出寄存器中。测量数据的偏移和温度的影响将会自动得到补偿。

        正常情况下的读顺序：

检查DRDY引脚或轮询状态寄存器(06H)中DRDY 位的状态

读取测量数据，数据寄存器被读取的同时，DRDY和DOR被置0

数据寄存器一旦被读取，数据保护将启动。直到最后一个数据寄存器(05H)被读取，数据保护才会被解除。其流程图如下：

        测量时读取

        测量过程中读取的将是之前测量过并保存过的数据，并且这一次测量完成后DRDY将不会被置“1”，即这一次测量的数据丢失掉了。

        数据未读取

        如果第N个数据被跳过，当前的数据将会被接下来的数据覆盖掉，此种情形下，DRDY保持高电平直到数据被读取，DOR被置“1”，表示有一串数据丢失，同样，下一次读取操作后DOR将被置“0”。

        数据锁定直至下次测量结束

        只要任意一个数据寄存器被读取，所有测量数据将处于被锁定状态。如果下一次测量结束后，最后一个数据寄存器(05H)仍未被读取，数据寄存器将会拒绝新数据更新当前数据的操作，注意看下图，新数据将会被丢失。此类情形下，DOR将会被置“1”，直至下下次数据被读取。

待命模式

        QMC5883L上电后默认为待命模式。此状态下，寄存器值将会通过一个超低功耗的LDO保持，对任意寄存器的读写操作都将会唤醒I2C总线接口。内部时钟被停止，同时也不会进行磁场测量。

主要差异

        HMC5883L和QMC5883L的寄存器地址配置不能说一模一样，只能说毫不相关，甚至数据寄存器的顺序及高位低位的先后都不一样，程序如果不加以区分是绝对不能通用的。

        如下表所示，

        HMC5883的七位地址为0x1e（0x3c >> 1 = 0x1e）

        QMC5883的七位地址为0x0d（0x18 >> 1 = 0x0d）(默认，SI接GND) 或 0x0c（0x1a >> 1 = 0x0c）(SI接VDD)

外观差异

        引自《用前必读.txt》

        进口HMC5883 —— IC丝印 L883

        国产QMC5883 —— IC丝印 D5883

        实际如下图所示，我买到的是QMC5883L

寄存器

寄存器列表

HMC5883L

QMC5883L

配置寄存器

HMC5883L

配置寄存器 A

        配置寄存器是用来配置该装置设置的数据输出速率和测量配置。 CRA0 通过 CRA7 表明位的位置，用 CAR 指示在配置寄存器中的位。 CRA7 指示数据流的第一位。括号中的数目显示是该位的默认值。

        下表的数据显示在连续测量模式下的所有可选的输出速率。所有这三个通道应在某一特定数据速率下测量。其他输出速率可以通过控制单测量模式下的 DRDY 中断引脚来获得，最大速率为 160Hz。

配置寄存器 B

        配置寄存器 B 设置装置的增益。 CRB0 通过 CRB7 识别位的位置，用 CRB 指示在配置寄存器里的位。CRB7 表示数据流中的第一位。括号中的数目显示的是位的默认值。

        下表描述增益设置。使用以下“增益”一栏将counts转换成Guass。在总共磁场强度引起所有数据输出存储器中一个溢位（饱和）时选择较低的增益值（高GN#值）。

模式寄存器

        该寄存器是一个8位可读可写的寄存器。该寄存器是用来设定装置的操作模式。 MR0通过MR7识别位的位置，MR表明模式寄存器里的位。MR7指示数据流中的第一位。括号中的数字显示的是位的默认值。

QMC5883L

控制寄存器1

        控制寄存器1位于地址09H，它设置操作模式(MODE)。输出数据更新速率(ODR)，磁场测量范围或传感器的灵敏度(RNG)和过采样率(OSR)。

        两个MODE寄存器可以传输设备中的操作模式，两种模式是待机模式和连续测量模式。POR (Power-on-Reset)后默认模式为standby。模式之间的切换没有任何限制。

        输出数据速率由ODR寄存器控制。数据更新频率可选择10Hz、50Hz、100Hz和200Hz四种频率。对于大多数的封装应用，我们推荐10hz的低功耗。对于游戏，可以使用高更新率，如100Hz或200Hz。

        磁传感器的磁场范围可以通过寄存器RNG来选择。全量程范围由应用环境决定。对于磁清晰的环境，可以使用低场范围，如+/- 2高斯。磁场范围与磁传感器的灵敏度密切相关。最低的视场范围有最高的灵敏度，因此，更高的分辨率。

        过采样率(OSR)寄存器用于控制内部数字滤波器的带宽。OSR值越大，滤波器带宽越小，带内噪声越小，功耗越高。它可以用来达到噪音和功率之间的良好平衡。有四种过采样率可选，64,128,256或512。

控制寄存器2

        控制寄存器2位于地址0AH。它控制中断引脚启用(INT_ENB)，点滚过功能启用(POL_PNT)和软复位(SOFT_RST)。

        中断启用由控制寄存器2中的INT_ENB控制。一旦中断被启用，当新的数据在数据输出寄存器中，它将置位。

        INT_ENB:“0”:允许中断PIN，“1”:禁止中断PIN

指针滚转函数由ROL_PNT寄存器控制。开启点滚转功能后，如果I2C读取从00H ~ 06H的任意地址开始，则I2C数据指针自动在00H~06H之间滚动。

        ROL_PNT: 0:正常，1:开启指针滚转功能

        软复位可以通过将寄存器SOFT_RST更改为set来实现。软复位可以在任何时间、任何模式下调用。例如，如果软复位发生在连续模式读取中间，由于模式寄存器默认被重置为“00”，QMC5883L立即切换到待机模式。

        SOFT_RST:“0”:正常。“1”:软复位，恢复所有寄存器的默认值。

SET/RESET Period Register

        SET/RESET周期由FBR[7:0]控制。建议将寄存器0BH写成0x01。

数据输出寄存器

HMC5883L

数据输出 X 寄存器 A 和B

        数据输出 X 寄存器是两个 8 位寄存器，数据输出寄存器 A 和 B。这些寄存器储存从通道 X 所测量结果。数据输出 X 寄存器 A 储存一个来自测量结果中的 MSB(高位数据)，数据输出 X 寄存器 B 储存一个来自测量结果中的 LSB（低位数据）。存储在这两个寄存器的值是一个 16 位值以二进制的补码形式存在，其范围是 0xF800到 0x07FF。DXRA0 至 DXRA7、DXRB0 至 DXRB7 标识出位置， DXRA 和 DXRB 标识出在数据输出寄存器 X 中的位。DXRA7 和 DXRB7 标识出数据流的第一位，括号中的数目显示该位的默认值。

        在事件的ADC上溢或下溢阅读给定的通道，或者如果有一个数学溢出的过程，这种数据寄存器将包含-4096的值。在下一次有效测量完成进行之后，该寄存器上的值将被清除。

数据输出 Y 寄存器 A 和B

        数据输出 Y 寄存器是两个 8 位寄存器，数据输出寄存器 A 和 B，这些寄存器储存从通道 Y 所测量的结果。数据输出 Y 寄存器 A 储存一个来自测量结果中的 MSB(高位数据)，数据输出 Y 寄存器 B 包含一个来自测量结果中的 LSB（低位数据）。存储在这两个寄存器的值是一个 16 位值以二进制的补码形式存在，其范围是0xF800 到 0x07FF。DYRA0 至 DYRA7、DYRB0 至 DYRB7 标识位置， DYRA 和 DYRB 标识在数据输出寄存器 Y 中的位。DYRA7 和 DYRB7 标识数据流的第一位。括号中的数目显示该位的默认值。

        在事件的ADC上溢或下溢阅读给定的通道，或者如果有一个数学溢出的过程，这种数据寄存器将包含值为-4096。在下一次有效测量进行之后，该寄存器上的值将被清除。

数据输出 Z 寄存器 A 和 B

        数据输出 Z 寄存器是两个 8 位寄存器，数据输出寄存器 A 和 B，这些寄存器储存从通道 Z 所测量的结果。数据输出 Z 寄存器 A 储存一个来自测量结果中的 MSB(高位数据)，数据输出 Z 寄存器 B 包含一个来自测量结果中的 LSB（低位数据）。存储在这两个寄存器的值是一个 16 位值以二进制的补码形式存在，其范围是0xF800 到 0x07FF。DZRA0 至 DZRA7、DZRB0 至 DZRB7 标识位置，DZRA 和 DZRB，标识在数据输出寄存器 Z 中的位。DZRA7 和 DZRB7 标识数据流的第一位。括号中的数目显示该位的默认值。

        在事件的ADC上溢或下溢阅读给定的通道，或者如果有一个数学溢出的过程，这种数据寄存器将包含价值-4096。在下一次有效测量进行之后，该寄存器上的值将被清除。

数据输出寄存器操作

        当一个或一个以上的输出寄存器在被读取时，如果所有六种数据输出寄存器未被读取完，那么新的数据不能被更新到相应的数据输出寄存器。这一要求也影响 DRDY 和 RDY ，在新的数据未被更新到所有输出寄存器之前是不能被清除的。

QMC5883L

        寄存器00H ~ 05H存储连续测量中各轴磁传感器的测量数据。

        在连续测量模式下，输出数据根据控制寄存器1中的数据更新速率ODR设置定期刷新。无论通过I2C读取状态如何，数据都保持不变，直到新数据替换它们。每条轴的数据宽度为16位2的补码，即01H/03H/05H的MSB表示每条轴的符号。每个通道的输出数据范围为-32768到32767。

温度数据寄存器

        寄存器07H-08H存储温度传感器输出数据。16位温度传感器输出是2的补码。

        温度传感器的增益是工厂校准的，但其偏移量没有被补偿，只有相对温度值是准确的。温度系数约为100 LSB/℃

状态寄存器

HMC5883L

        状态寄存器是一个8位只读寄存器。该寄存器是表明装置的状态， SR0到SR7表明位的位置，SR表明在状态寄存器的位， SR7指数据流的第一位。

QMC5883L

        有两个状态寄存器位于地址06H和0CH。

        寄存器06H有三个位表示状态标志，其余为工厂使用保留。状态寄存器是只读位。

        数据就绪寄存器(Data Ready Register, DRDY)，当所有三轴数据就绪时设置，并在连续测量模式下加载到输出数据寄存器。通过I2C推荐通过读取任何数据寄存器(00H~05H)将其重置为“0”

        DRDY: 0:无新数据，1:有新数据

        如果三轴磁传感器通道有数据超出范围，则设置溢出标志(OVL)为“1”。每个轴的输出数据在-32768和32767处饱和，如果任何一个轴超过这个范围，OVL标志设置为“1”。如果下一次测量回到(-32768,32767)的范围，该标志将被重置为“0”，否则，它将保持为“1”。

        OVL: 0:正常，1:数据溢出

        如果在连续测量模式下读取时跳过输出数据寄存器的所有通道，则数据跳过位设置为“1”。通过I2C读取任何数据寄存器(00H~05H)，复位为“0”

        DOR: 0:正常，1:跳过数据读取

识别寄存器

HMC5883L

识别寄存器 A

        识别寄存器 A 是用来识别装置。IRA0 通过 IRA7 表明位的位置，而 IRA 表明在识别寄存器 A 中的位。IRA7 指数据流的第一位。括号中的数目显示的默认值是位

        该装置的识别值存储在本寄存器中。这是一个只读寄存器。

        寄存器值： ASCII 值 H

识别寄存器 B

        识别寄存器 B 是用来识别装置。IRB0 到 IRB7 表明位的位置，而 IRB 表明在识别寄存器 B 中的位。IRB7 指数据流的第一位。

        寄存器值：ASCII 值 4

识别寄存器 C

        鉴定寄存器 C 是用来识别装置，IRC0 到 IRC7 表明位的位置，而 IRC 表明在识别寄存器 C 中的位，IRC7 指数据流的第一位。

        寄存器值： ASCII 值 3

QMC5883L

        这个寄存器是芯片识别寄存器。它返回0xff。

示例程序

       stdint.h见【51单片机快速入门指南】1：基础知识和工程创建

       软件I2C程序见【51单片机快速入门指南】4： 软件 I2C

       串口部分见【51单片机快速入门指南】3.3：USART 串口通信

XMC5883L.c

/**

******************************************************************************

* @file XMC5883L.c

* @author Royic

* @date 2021-11-27

* @brief XMC5883L传感器驱动

******************************************************************************

*/

#include "XMC5883L.h"

#include "./Software_I2C/Software_I2C.h"

static int i2cWrite(uint8_t reg_, uint8_t Data)

{

return i2c_mem_write(MAG_ADDRESS, reg_, &Data, 1);

}

static int i2cRead(uint8_t reg_, uint8_t len, uint8_t* buf)

{

return i2c_mem_read(MAG_ADDRESS, reg_, buf, len);

}

/**

* @brief xmc5883初始化,包含传感器校准

* @note

*/

void xmc5883lInit(void)

{

#ifdef HMC5883L

i2cWrite(ConfigRegA, Sample_MAX << 5 | DataOutputRate_Max << 2 | NormalOperation);

i2cWrite(ConfigRegB, Full_Scale_1_9G << 5);

i2cWrite(ModeRegister, ContinuousConversion);

#endif

#ifdef QMC5883L

i2cWrite(ConfigReg1, Sample_MAX << 6 | Full_Scale_2G << 4 | DataOutputRate_Max << 2 | ContinuousConversion);

i2cWrite(ConfigReg2, Enable_Interrupt_PIN << 7 | ROL_PNT_Normal << 6 | SOFT_RST_Normal);

i2cWrite(Period_FBR, 0x01);

#endif

}

/**

* @brief 读取磁场传感器数据。

* @note

* @param magData：存储磁场传感器原始数据的指针

*/

#ifdef QMC5883L

int16_t QMC5883L_Temp = 0;

#endif

void xmc5883lRead(int16_t *mag_x, int16_t *mag_y, int16_t *mag_z)

{

#ifdef HMC5883L

uint8_t buf[6];

i2cRead(MAG_DATA_REGISTER, 6, buf);

*mag_x = buf[0] << 8 | buf[1];

*mag_z = buf[2] << 8 | buf[3];

*mag_y = buf[4] << 8 | buf[5];

#endif

#ifdef QMC5883L

uint8_t buf[9];

i2cRead(MAG_DATA_REGISTER, 9, buf);

*mag_x = buf[0] | buf[1] << 8;

*mag_y = buf[2] | buf[3] << 8;

*mag_z = buf[4] | buf[5] << 8;

QMC5883L_Temp = buf[7] | buf[8] << 8;

#endif

}

XMC5883L.h

#ifndef XMC5883L_H_

#define XMC5883L_H_

#include "XMC5883L.h"

#include "stdint.h"

#define QMC5883L

//#define HMC5883L

#define _FAIL 1

#define _SUCCESS 0

#ifdef QMC5883L

#ifdef HMC5883L

#error //同时define了QMC5883L、HMC5883L

#endif

#endif

#ifdef HMC5883L

#define MAG_ADDRESS 0x1E

#define MAG_DATA_REGISTER 0x03

#define MAG_X_DATA_REGISTER 0x03

#define MAG_Y_DATA_REGISTER 0x07

#define MAG_Z_DATA_REGISTER 0x05

#define ConfigRegA 0x00

// ConfigRegA valid Data output rates for 5883L

#define DataOutputRate_0_75HZ 0x00

#define DataOutputRate_1_5HZ 0x01

#define DataOutputRate_3HZ 0x02

#define DataOutputRate_7_5HZ 0x03