SPI驱动ADXL345加速度计
一、SPI协议核心原理
SPI是全双工、同步、主从式的通信总线，想要驱动外设，先吃透物理层连线和时序规则。
1.1 物理层：四线制连接逻辑
SPI标准四线制的每根线都有明确分工，IMX6ULL（主设备）与ADXL345（从设备）的具体连线如下：
| 信号线 | 功能说明 | IMX6ULL引脚（ECSPI3） | ADXL345引脚 |
|---|---|---|---|
| SCLK | 串行时钟，主设备产生 | UART2_RX_DATA | SCLK |
| MOSI | 主发从收 | UART2_CTS_B | MOSI |
| MISO | 主收从发 | UART2_RTS_B | MISO |
| CS/SS | 从机选择（低电平有效，GPIO模拟） | UART2_TX_DATA（GPIO1_IO20） | CS |
注：IMX6ULL的ECSPI3本身自带硬件CS，但本文用GPIO模拟CS，更灵活，也便于新手理解"片选"的核心逻辑。
1.2 时序规则：CPOL与CPHA决定通信模式
SPI的时序由两个关键参数定义：CPOL（时钟极性） 和 CPHA（时钟相位） ，组合出4种通信模式，ADXL345推荐使用模式3（CPOL=1，CPHA=1）。
| 参数 | 含义 | 模式3配置 |
|---|---|---|
| CPOL | 时钟闲置时的电平：0=低电平闲置，1=高电平闲置 | 1 |
| CPHA | 数据采样边沿：0=时钟第1个边沿采样，1=时钟第2个边沿采样 | 1 |
模式3的时序逻辑：
- SCLK空闲时保持高电平；
- 主设备在SCLK的下降沿 发送数据，从设备在SCLK的上升沿采样数据（第二个边沿）。
二、IMX6ULL ECSPI控制器：从引脚到寄存器配置
IMX6ULL的SPI控制器称为ECSPI（增强型可配置SPI），我们以ECSPI3为例，完成底层硬件初始化。
2.1 引脚复用配置
IMX6ULL的引脚是多功能的，需要先将对应引脚复用为ECSPI3功能，并配置电气特性（上拉、速率等）。
c
#include "imx6ull.h"
// 引脚复用配置函数（底层寄存器封装，无需修改）
void IOMUXC_SetPinMux(unsigned int mux_register, unsigned int mux_mode);
void IOMUXC_SetPinConfig(unsigned int config_register, unsigned int config_value);
// ECSPI3引脚初始化
void spi3_pin_init(void)
{
// 1. MISO：UART2_RTS_B复用为ECSPI3_MISO
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO, 0);
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RTS_B_ECSPI3_MISO, 0x10B1); // 上拉、速率100MHz
// 2. MOSI：UART2_CTS_B复用为ECSPI3_MOSI
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI, 0);
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_CTS_B_ECSPI3_MOSI, 0x10B1);
// 3. SCLK：UART2_RX_DATA复用为ECSPI3_SCLK
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK, 0);
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_RX_DATA_ECSPI3_SCLK, 0x10B1);
// 4. CS：UART2_TX_DATA复用为GPIO1_IO20
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20, 0);
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART2_TX_DATA_GPIO1_IO20, 0x10B1);
// GPIO1_IO20设为输出，初始高电平（未选中ADXL345）
GPIO1->GDIR |= (1 << 20);
GPIO1->DR |= (1 << 20);
}2.2 ECSPI3寄存器核心配置
IMX6ULL的ECSPI控制器核心配置在CONREG（控制寄存器）和CONFIGREG（配置寄存器），重点是匹配ADXL345的模式3时序，同时设置主机模式、数据长度、时钟分频。
c
// ECSPI3初始化：配置时序、模式、数据长度
void spi3_init(void)
{
// 1. 先初始化引脚
spi3_pin_init();
// 2. 复位CONREG寄存器
ECSPI3->CONREG = 0;
/* CONREG参数解析：
* 7<<20：BURST_LENGTH=7 → 数据长度8位（0~7共8位）
* 0x0E<<12：CLK_CTL=14 → 时钟分频（IPG_CLK=66MHz → 66/(14+1)=4.4MHz，适配ADXL345）
* 2<<8：CHIP_SELECT=2 → 选择通道0（ECSPI3_CH0）
* 1<<4：MODE=1 → 主机模式
* 1<<3：SCLK_CTL=1 → 时钟由CONREG的CLK_CTL控制
* 1<<0：ENABLE=1 → 使能ECSPI3
*/
ECSPI3->CONREG |= (7 << 20) | (0x0E << 12) | (2 << 8) | (1 << 4) | (1 << 3) | (1 << 0);
// 3. 复位CONFIGREG寄存器
ECSPI3->CONFIGREG = 0;
/* CONFIGREG参数解析：
* 1<<20：SCLK_POL=1 → CPOL=1（时钟高电平闲置）
* 1<<4：MOSI_POL=0 → MOSI引脚极性正常（无需翻转）
* 1<<0：PHASE=1 → CPHA=1（第二个边沿采样）
*/
ECSPI3->CONFIGREG |= (1 << 20) | (1 << 4) | (1 << 0);
}三、ADXL345驱动实现：SPI读写+传感器控制
ADXL345的核心操作是"读写寄存器"------通过SPI向传感器寄存器写配置、读数据，先实现SPI底层读写，再封装传感器专属接口。
3.1 SPI全双工读写基础函数
SPI是全双工通信：发送1个字节的同时，必然会接收1个字节。因此读写函数的核心是"发数据+等接收"，利用ECSPI的TX/RX FIFO完成数据传输。
c
// SPI3通道0读写函数：发送1字节，同时接收1字节（全双工）
unsigned int spi3_ch0_write_and_read(unsigned int data)
{
// 等待发送FIFO为空（准备好接收新数据）
while((ECSPI3->STATREG & (1 << 0)) == 0);
// 往TXDATA写入要发送的数据
ECSPI3->TXDATA = data;
// 等待接收FIFO有数据（数据已接收完成）
while((ECSPI3->STATREG & (1 << 3)) == 0);
// 返回接收到的数据
return ECSPI3->RXDATA;
}3.2 ADXL345寄存器读写封装
ADXL345的寄存器读写有固定规则：
- 读操作：寄存器地址最高位置1（
reg_addr | 0x80），发送地址后发0xFF（伪数据）触发时钟，读取返回值； - 写操作：寄存器地址最高位清0，发送地址后发送要写入的数据。
c
// ADXL345读寄存器：reg_addr=寄存器地址，返回寄存器值
unsigned char adxl345_read(unsigned char reg_addr)
{
unsigned char ret = 0;
// 1. 拉低CS，选中ADXL345
GPIO1->DR &= ~(1 << 20);
// 2. 发送读指令（地址最高位1）
spi3_ch0_write_and_read(reg_addr | 0x80);
// 3. 发送伪数据0xFF，读取传感器返回值
ret = spi3_ch0_write_and_read(0xFF);
// 4. 拉高CS，结束通信
GPIO1->DR |= (1 << 20);
return ret;
}
// ADXL345写寄存器：reg_addr=寄存器地址，data=要写入的值
void adxl345_write(unsigned char reg_addr, unsigned char data)
{
// 1. 拉低CS，选中ADXL345
GPIO1->DR &= ~(1 << 20);
// 2. 发送写指令（地址最高位0）
spi3_ch0_write_and_read(reg_addr & ~0x80);
// 3. 发送要写入的数据
spi3_ch0_write_and_read(data);
// 4. 拉高CS，结束通信
GPIO1->DR |= (1 << 20);
}3.3 ADXL345初始化与数据采集
ADXL345使用前需要初始化（配置量程、进入测量模式），然后读取三轴加速度数据（16位，低位在前）。
c
// 定义ADXL345数据结构体：存储X/Y/Z三轴加速度值
typedef struct {
short x; // X轴加速度
short y; // Y轴加速度
short z; // Z轴加速度
} ADXL345_Data;
// ADXL345初始化：验证ID+配置量程+进入测量模式
int adxl345_init(void)
{
unsigned char dev_id;
// 1. 读取设备ID（DEVID寄存器地址0x00，固定值0xE5）
dev_id = adxl345_read(0x00);
if(dev_id != 0xE5) {
return -1; // ID错误，初始化失败
}
// 2. 配置DATA_FORMAT（0x31）：±16g量程（0x0F）
adxl345_write(0x31, 0x0F);
// 3. 配置POWER_CTL（0x2D）：0x08 → 进入测量模式
adxl345_write(0x2D, 0x08);
return 0; // 初始化成功
}
// 读取ADXL345三轴加速度数据
ADXL345_Data adxl345_read_data(void)
{
ADXL345_Data data;
// X轴：低字节(0x32) + 高字节(0x33)
data.x = adxl345_read(0x32);
data.x |= (short)(adxl345_read(0x33) << 8);
// Y轴：低字节(0x34) + 高字节(0x35)
data.y = adxl345_read(0x34);
data.y |= (short)(adxl345_read(0x35) << 8);
// Z轴：低字节(0x36) + 高字节(0x37)
data.z = adxl345_read(0x36);
data.z |= (short)(adxl345_read(0x37) << 8);
return data;
}四、主函数测试：验证SPI驱动是否正常
最后写主函数，初始化硬件后循环读取加速度数据，可通过串口打印（需提前实现串口初始化）。
c
int main(void)
{
ADXL345_Data accel_data;
// 1. 初始化SPI3
spi3_init();
// 2. 初始化ADXL345
if(adxl345_init() != 0) {
// 串口打印ID错误（需实现uart_printf）
uart_printf("ADXL345 init failed! ID error\r\n");
while(1);
}
uart_printf("ADXL345 init success!\r\n");
// 3. 循环读取三轴数据
while(1) {
accel_data = adxl345_read_data();
// 打印X/Y/Z轴数据
uart_printf("X: %d, Y: %d, Z: %d\r\n", accel_data.x, accel_data.y, accel_data.z);
// 简单延时
for(int i=0; i<1000000; i++);
}
return 0;
}五、实战调试：常见问题排查
新手最容易遇到"ID读取为0/255"或"数据乱跳"，按以下步骤排查：
5.1 ID读取异常（0/255）
- 硬件连线：检查SCLK/MOSI/MISO/CS的引脚是否接反、虚焊；
- CS电平：用万用表测GPIO1_IO20，读寄存器时是否拉低，读完是否拉高；
- SPI模式：确认CONFIGREG的CPOL（1<<20）和CPHA（1<<0）是否配置正确（模式3）；
- 时钟分频：ECSPI3的时钟不能超过ADXL345的最大速率（5MHz），本文分频后4.4MHz，符合要求；
- 逻辑分析仪抓波 ：观察MOSI是否发送了
0x80（读ID指令），MISO是否返回0xE5。
5.2 数据乱跳
- 电源稳定性：ADXL345需3.3V供电，确保电源纹波小；
- 接地：传感器的GND与IMX6ULL的GND共地，避免干扰；
- 量程配置：确认DATA_FORMAT寄存器配置的量程与数据解析匹配（如±16g对应分辨率13mg/LSB）。
六、总结
本文从SPI协议原理出发，完成了IMX6ULL ECSPI3的底层配置，再到ADXL345的寄存器读写封装，最终实现了三轴加速度数据的采集。核心要点：
- SPI的关键是时序匹配（CPOL/CPHA），必须与外设一致；
- IMX6ULL的ECSPI配置重点是"主机模式+数据长度+时钟分频"；
- ADXL345的核心是"寄存器读写规则"（读地址最高位1，写地址最高位0）；
- 裸机开发中，"等待FIFO""CS电平控制"是SPI通信的关键细节。