基于 Linux SPI 子系统的 ADXL345 加速度传感器驱动开发

ADXL345 是 ADI 公司推出的一款低功耗、三轴加速度传感器，广泛应用于运动检测、姿态识别、振动监测等场景。本文以 NXP 平台的 ECSPI3 控制器为例，详细讲解基于 Linux 内核 SPI 子系统的 ADXL345 驱动开发流程，包括设备树配置、内核驱动编写、应用层测试及常见问题排查，所有代码与配置均经过实际验证。

一、硬件基础与 SPI 时序说明

1.1 ADXL345 核心特性

• 三轴加速度检测，量程支持 ±2g/±4g/±8g/±16g 可配置；
• 支持 SPI（最高 5MHz）和 I2C 两种数字接口；
• 内置电源管理，支持低功耗模式；
• 数据输出为 10 位二进制补码，存储在 16 位寄存器中。

1.2 硬件连接与 SPI 时序

本文中 ADXL345 挂载在 NXP 芯片的 ECSPI3 总线上，硬件连接关键信息：

• SPI 片选（CS）：GPIO1_20（低电平有效）；
• SPI 时序：采用模式 3（CPOL=1，CPHA=1），即空闲时 SCLK 为高电平，数据在 SCLK 第二个边沿采样；
• 通信频率：1MHz（兼顾稳定性与响应速度）。

二、设备树（DTS）配置详解

Linux 设备树（Device Tree）是描述硬件拓扑的核心，需为 ECSPI3 控制器和 ADXL345 设备配置正确的节点信息，以下是关键配置片段及解析：

dts

&ecspi3 {
    fsl,spi-num-chipselects = <1>;  // 控制器支持的片选数量为1
    cs-gpios= <&gpio1 20 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* 硬件CS引脚（实际开发中需注意兼容性） */
    pinctrl-names = "default";      // 引脚配置集名称
    pinctrl-0 = <&pinctrl_ecspi3>;  // 绑定ECSPI3的引脚复用配置（需提前定义）
    status = "okay";                // 启用ECSPI3控制器

    spidev0: adxl345@0{
        compatible = "pute,puteadxl345";  // 驱动匹配关键字（必须与驱动中一致）
        spi-max-frequency = <1000000>;    // SPI最大通信频率1MHz
        spi-cpol;                         // 配置CPOL=1（时钟极性）
        spi-cpha;                         // 配置CPHA=1（时钟相位）
        reg = <0>;                        // SPI片选地址（对应CS0）
    };
};

2.1 核心配置项说明

1. fsl,spi-num-chipselects：指定 SPI 控制器支持的片选数量，需与实际硬件一致；
2. cs-gpios：定义硬件片选引脚，注释放置 "cant't use cs-gpios" 是因为部分 NXP 平台 ECSPI 硬件片选存在稳定性问题，可后续改用软件片选（本文暂用硬件片选）；
3. pinctrl-0：绑定引脚复用配置，需确保pinctrl_ecspi3节点已配置 ECSPI3 的 SCLK、MOSI、MISO、CS 引脚为 SPI 功能；
4. compatible：驱动与设备匹配的核心关键字，必须和内核驱动中of_match_table的内容完全一致；
5. spi-cpol/spi-cpha：ADXL345 默认支持 SPI 模式 3，因此需同时开启这两个配置；
6. reg：SPI 设备的片选地址，0 对应 CS0，1 对应 CS1，需与硬件连接一致。

2.2 配置注意事项

• 设备树编译后需烧录到开发板，或通过动态设备树叠加生效；
• 若 ECSPI3 被其他设备占用，需先禁用无关设备节点（如注释掉 icm20608 节点）；
• 时序配置（CPOL/CPHA）错误会导致传感器无响应，需严格匹配 ADXL345 规格书。

三、Linux 内核 SPI 驱动开发

Linux SPI 子系统将驱动分为 "控制器驱动"（内核已实现 ECSPI3）和 "设备驱动"（需编写 ADXL345），设备驱动通过spi_driver注册，匹配成功后执行probe函数初始化设备。

3.1 驱动核心结构（adxl345_drv.c）

3.1.1 头文件与全局变量

c

运行

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/spi/spi.h>

static struct spi_device *padxl345_device;  // 保存匹配到的SPI设备指针

核心头文件说明：linux/spi/spi.h提供 SPI 子系统 API，linux/miscdevice.h用于简化字符设备开发（无需手动分配主设备号）。

3.1.2 传感器初始化函数

初始化函数负责读取设备 ID、配置量程和电源模式，是传感器正常工作的基础：

c

运行

static void adxl345_init(void)
{ 
    int ret = 0;
    char sendbuff[7] = {0};
    char recvbuff[7] = {0};

    // 读取设备ID（0x00寄存器），0x80表示读操作
    sendbuff[0] = 0x00 | 0x80;
    ret = spi_write_then_read(padxl345_device, sendbuff, 1, recvbuff, 1);
    if(ret != 0) {
        pr_info("Kernel:adxl345 init fail\n");
        return;
    }
    pr_info("adxl345 ID : %#x\n", recvbuff[0]);  // 正常ID应为0xE5

    // 配置数据格式寄存器（0x31）：量程±2g
    sendbuff[0] = 0x31;
    sendbuff[1] = 0x08;
    ret = spi_write_then_read(padxl345_device, sendbuff, 2, NULL, 0);
    if(ret != 0) {
        pr_info("Kernel:adxl345 init fail\n");
        return;
    }

    // 配置电源控制寄存器（0x2D）：唤醒传感器，进入测量模式
    sendbuff[0] = 0x2D;
    sendbuff[1] = 0x08;
    ret = spi_write_then_read(padxl345_device, sendbuff, 2, NULL, 0);
    if(ret != 0) {
        pr_info("Kernel:adxl345 init fail\n");
        return;
    }
    return;
}

关键 API：spi_write_then_read，先发送指定长度数据，再读取指定长度数据，适用于 SPI 寄存器读写。

3.1.3 加速度数据读取函数

通过spi_message和spi_transfer实现多字节连续读取（ADXL345 支持多字节读，0x40 为多字节标志）：

c

运行

static int adxl345_readdata(short *x, short *y, short *z)
{
    struct spi_message msg;
    char sendbuff[7] = {0};
    char recvbuff[7] = {0};
    struct spi_transfer xfer= {
        .tx_buf = sendbuff,
        .rx_buf = recvbuff,
        .len = 7,
        .delay_usecs = 20,
    };

    // 0x80=读操作，0x40=多字节读，0x32=X轴数据起始寄存器
    sendbuff[0] = 0x32 | 0x80 | 0x40;
    spi_message_init(&msg);
    spi_message_add_tail(&xfer, &msg);
    spi_sync(padxl345_device, &msg);

    // 拼接16位数据（高字节<<8 | 低字节）
    *x = (recvbuff[2] << 8) | recvbuff[1];
    *y = (recvbuff[4] << 8) | recvbuff[3];
    *z = (recvbuff[6] << 8) | recvbuff[5];

    return 0;
}

注：ADXL345 的 X/Y/Z 轴数据分别存储在 0x32-0x33、0x34-0x35、0x36-0x37 寄存器，低字节在前、高字节在后。

3.1.4 Misc 设备封装（字符设备接口）

Linux Misc 设备简化了字符设备开发，无需手动分配主设备号，直接注册即可生成设备文件：

c

运行

// 应用层read系统调用对应的处理函数
static ssize_t adxl345_read(struct file *fp, char __user *puser, size_t n, loff_t *off)
{
    unsigned long nret = 0;
    short a[3] = {0};

    adxl345_readdata(&a[0], &a[1], &a[2]);

    // 内核数据拷贝到用户空间（必须用copy_to_user，禁止直接访问用户空间指针）
    nret = copy_to_user(puser, a, sizeof(a));
    if(nret != 0){
        pr_info("copy_to_user error\n");
    }

    return sizeof(a);  // 返回读取的字节数（3个short=6字节）
}

// 文件操作集
static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .read = adxl345_read,
};

// Misc设备结构体
static struct miscdevice adxl345_misc = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,  // 动态分配次设备号
    .name = "adxl345_misc",       // 设备文件名：/dev/adxl345_misc
    .fops = &fops,
};

关键注意点：

• 内核空间与用户空间数据交互必须使用copy_to_user/copy_from_user，避免内存访问异常；
• miscdevice注册后自动生成/dev/adxl345_misc设备文件，无需手动创建设备节点。

3.1.5 SPI 驱动注册与卸载

c

运行

// SPI设备匹配成功后执行的probe函数
static int adxl345_probe(struct spi_device *spi)
{
    int ret = 0;

    padxl345_device = spi;  // 保存SPI设备指针

    // 注册Misc设备
    ret = misc_register(&adxl345_misc);
    if (ret != 0) {
        pr_info("misc register fail adxl345\n");
        goto err_mis_register;
    }

    pr_info("Kernel:adxl345 probe success\n");
    adxl345_init();  // 初始化传感器

    return 0;

err_mis_register:
    misc_deregister(&adxl345_misc);
    return -1;
}

// SPI设备卸载时执行的remove函数
static int adxl345_remove(struct spi_device *spi)
{
    misc_deregister(&adxl345_misc);
    pr_info("Kernel:adxl345 remove success\n");
    return 0;
}

// 设备树匹配表（与DTS的compatible一致）
static const struct of_device_id adxl345_of_match_table[] = {
    {.compatible = "pute,puteadxl345"},
    {},
};

// SPI设备ID表（非设备树匹配时使用）
static const struct spi_device_id adxl345_id_table[] = {
    {.name = "puteadxl345"},
    {},
};

// SPI驱动结构体
static struct spi_driver adxl345_drv = {
    .probe = adxl345_probe,
    .remove = adxl345_remove,
    .driver = {
        .name = "puteadxl345",
        .of_match_table = adxl345_of_match_table,
    },
    .id_table = adxl345_id_table,
};

// 模块入口：注册SPI驱动
static int __init adxl345_drv_init(void)
{
    spi_register_driver(&adxl345_drv);
    pr_info("adxl345_drv_init success!\n");
    return 0;
}

// 模块出口：注销SPI驱动
static void __exit adxl345_drv_exit(void)
{
    spi_unregister_driver(&adxl345_drv);
    pr_info("adxl345_drv_exit success!\n");
    return;
}

module_init(adxl345_drv_init);
module_exit(adxl345_drv_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");  // 必须声明GPL许可证，否则内核加载失败
MODULE_AUTHOR("pute");

核心逻辑：

• spi_driver注册后，内核会遍历 SPI 总线设备，匹配of_match_table或id_table，匹配成功则执行probe；
• probe函数中完成 Misc 设备注册和传感器初始化；
• remove函数中注销 Misc 设备，释放资源。

四、应用层测试程序

应用层通过标准文件操作接口访问传感器，代码简洁易懂（adxl345_app.c）：

c

运行

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
#include <linux/input.h>

#define KEY_ON  1
#define KEY_OFF 0

void delay_ms(int ms)
{
    usleep(ms * 1000);
}

int main(void)
{
    int fd = 0;
    int ret = 0;
    short data[3];  // 存储X/Y/Z三轴加速度

    // 打开Misc设备文件
    fd = open("/dev/adxl345_misc", O_RDONLY);
    if (-1 == fd)
    {
        printf("open error\n");
        return -1;
    }

    // 循环读取并打印数据
    while (1)
    {
        read(fd, data, sizeof(data));
        printf("x:%6d, y:%6d, z:%6d\r", data[0], data[1], data[2]);
        fflush(stdout);  // 强制刷新输出缓冲区，实时显示
        delay_ms(10);    // 10ms刷新一次（100Hz）
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

关键说明：

• open打开设备文件，read读取三轴数据（每次 6 字节）；
• \r使光标回到行首，实现同行了刷新；
• fflush(stdout)避免输出缓冲导致的显示延迟。

五、编译与测试流程

5.1 驱动编译

编写 Makefile（需指定内核源码路径）：

makefile

#目标文件
OBJ := adxl345_drv


#内核路径
kerdir := (填自己的内核路径)

#当前驱动工程目录
curdir := $(shell pwd)

#代码添加到工程编译选项中
obj-m += $(OBJ).o 

all:
	make -C $(kerdir) M=$(curdir) modules
	cp $(OBJ).ko ~/nfs/rootfs

.PHONY:

clean:
	make -C $(kerdir) M=$(curdir) modules clean

distclean:
	make -C $(kerdir) M=$(curdir) modules clean
	rm ~/nfs/rootfs/$(OBJ).ko

编译命令：

bash

运行

make -j4  # 生成adxl345_drv.ko

5.2 应用层编译

使用交叉编译器（根据平台选择，如 arm-linux-gnueabihf-gcc）：

bash

运行

arm-linux-gnueabihf-gcc adxl345_app.c -o adxl345_app

5.3 开发板测试

1. 将adxl345_drv.ko和adxl345_app拷贝到开发板；

2. 加载驱动： bash

   运行

   insmod adxl345_drv.ko

3. 查看内核日志，确认驱动加载成功： bash

   运行

   dmesg | grep adxl345
   # 正常输出：
   # adxl345_drv_init success!
   # Kernel:adxl345 probe success
   # adxl345 ID : 0xe5

4. 运行应用程序： bash

   运行

   ./adxl345_app
   # 输出示例：
   # x:   128, y:   -64, z:  1024

5. 卸载驱动（可选）： bash

   运行

   rmmod adxl345_drv

六、常见问题与排查

6.1 驱动 probe 不执行

• 检查设备树compatible是否与驱动of_match_table完全一致（大小写、标点都要匹配）；
• 检查 ECSPI3 的status是否为okay；
• 查看内核日志：dmesg | grep spi，确认 SPI 控制器初始化成功；
• 确认设备树已正确编译并烧录。

6.2 读取设备 ID 失败

• 检查 SPI 时序（CPOL/CPHA）是否配置正确（ADXL345 模式 3）；
• 用示波器抓 SPI 总线，验证 SCLK、MOSI、CS 信号是否正常；
• 检查硬件连接：SCLK、MOSI、MISO、CS 引脚是否接反 / 虚焊；
• 降低 SPI 通信频率（如从 1MHz 改为 500KHz），排除频率过高导致的通信失败。

6.3 应用层打开设备文件失败

• 检查 Misc 设备是否注册成功：ls /dev/adxl345_misc，若不存在，说明驱动 probe 执行失败；
• 权限问题：执行chmod 666 /dev/adxl345_misc赋予读写权限（或在驱动中设置默认权限）。

6.4 copy_to_user 出错

• 确认用户空间缓冲区长度足够（应用层read的长度为sizeof(data)=6）；
• 检查copy_to_user的参数顺序：目标指针（用户空间）在前，源指针（内核空间）在后。

七、扩展与优化

本文实现的驱动满足基础的加速度读取需求，可根据实际场景扩展：

1. 中断支持：ADXL345 支持数据就绪中断，可在驱动中注册中断处理函数，实现触发式数据读取（减少轮询开销）；
2. 量程配置 ：通过ioctl接口实现用户空间配置传感器量程（±2g/±4g 等）；
3. 数据校准：添加零点校准、误差补偿逻辑，提升数据精度；
4. 多设备支持：修改驱动适配同一 SPI 总线下的多个 ADXL345 设备；
5. 功耗优化：在无数据读取时，将传感器切换到低功耗模式。

八、总结

本文从设备树配置、内核驱动开发、应用层测试三个维度，讲解了 ADXL345 SPI 驱动的实现过程。核心要点包括：

• 设备树需严格匹配驱动的compatible和 SPI 时序；
• Linux SPI 子系统的spi_driver和miscdevice简化了驱动开发；
• 内核与用户空间数据交互必须使用copy_to_user/copy_from_user；
• 硬件时序和连接是 SPI 通信成功的关键。