研發紀事

#  ADXL335 三軸加速計的 USB 體感搖桿 #  三軸重力加速計 Accelerometer (GY-61 ADXL335) 前言         前一篇 " 三軸重力加速計 " 介紹 ADXL335 晶片的重力加速計 (也稱加速規)，主要能偵測出三軸的重力變化，便能得知物體轉動方向方位。有一個特殊情況可解釋陀螺儀的作用，當加速規放置水平時，此時轉動轉動 Z 軸，我們會發現 X/Y 軸的重力值變化量其實並不大，請參考底下的實驗影片。這樣的變化量可能被誤以為是雜訊，不容易判斷物體是否方向方位在改變。如果能再多計算每一軸轉動的速度，由轉動的角速度輔助，便能計算物體位移量。於是，陀螺儀正是用來計算角速度的，配合重力計一起使用。因此，若加速規再輔以陀螺儀的功能，這樣能更精準算出物體的移動與轉動方向 (我覺得這是很複雜的數學)。 設計流程         Arduino 官方網站 中提供好多種重力加速計與陀螺儀的模組，我便找了一顆 MPU6050 晶片來測試。這顆晶片不只具有三軸重力加速計，還有陀螺儀的功能，對外的通訊介面為 I2C 方式。首先，實驗過程我採用恩智浦的 LPC1114 控制器來比較一下 MPU6050 與 ADXL335 的重力數值，如圖一所示。圖一的 LCM 第一行顯示的是 MPU6050 X, Y, Z 軸的重力值，第二行顯示的是 ADXL335 的三軸重力值，我已經把兩塊模組的 X/Y 軸方向調整為一致了 (兩塊模組的三軸定義方向其實不太一樣，用軟體方式調整)，如圖右下角所示。圖中，X 軸的重力值約為 -0.023g 和 -0.018g，Y 軸的重力值約為 -0.016g 和 0.018g，Z 軸的重力值約為 0.964g 和 1.112g。兩者數值的誤差，我的解釋是實驗過程並沒有做校正的動作，因此兩者模組存在一些誤差。撇開誤差，如果我們的實驗對精準度沒有要求太高的話，倒是很快取得三軸重力數值並計算出大概方位。 圖一：MPU6050 與 ADXL335的加速規數值 (單位 mg) 規格分析         下圖二是 MPU6050 晶片的陀螺儀規格，這顆可提供四種精度，如果物體的轉速慢，則可以選擇 FS_SEL=0，角速度範圍在正負250度/秒。如果物體的轉速快，則需要選擇較大的角速度

#  ADXL335 三軸加速計的 USB 體感搖桿 #  三軸陀螺儀與加速規 Gyro & Accelerometer 模組介紹         三軸重力加速計是一種重力感測器，也稱為加速規或加速計。三軸指的是 X, Y, Z 軸，重力加速度就是我們高中理化曾學過的地心引力 (g)。由於這個重力加速度是地球的天然資源 (就像磁力線的指南針)，所以當我們身體傾斜或翻轉時，透過地心引力的影響讓身體內部機構可感受到其傾斜或翻轉。於是，將此概念應用到科技工業上，像電玩的 體感遊戲 (Wii, Kinect...) 、 飛行器 、 懸臂旋轉 、 震動感測 ...等都使用到相關元件，本文針對三軸重力加速計的晶片做測試研究，希望能獲得更多的應用靈感。首先，找一顆晶片試試吧！Arduino 開發套件常見的三軸加速計，使用的是 ADI ADXL335/345 晶片，因此我買了一個來測試玩玩看，並用 NXP LPC1114 晶片來設計系統。         三軸重力加速計晶片是 MEMS 設計工藝，能將這種感測技術設計到小晶片裡面，不得不佩服這群工程人員。由於地表的重力加速度有方向性，晶片又根據該重力為基準來測量三軸的變化，所以晶片與三軸的方向座標必須先定義好，如下面圖一所示，晶片面朝上為 Z軸。以圖一為例，晶片放置水平，量測到的重力數值為 X 軸 0g, Y 軸 0g, Z軸 1g。然後，該晶片內部再將這三軸的物理量轉換成電壓值輸出。實驗中，我手上拿到的是 ADXL335，它是輸出三軸的電壓值，所以設計系統時需要選用具有 ADC 功能的 MCU ，才能將這三個電壓值轉換回重力值。此外，ADI 還開發另一顆 ADXL345 晶片，與 ADXL335 晶片有些不一樣的地方，前者內部已有包含 ADC 功能，能將重力值直接轉換成數位值，並使用 I2C / SPI 介面和外部通訊，提供使用者不同的選擇。 圖一：晶片的三軸方向座標 規格分析         三軸重力加速計晶片在使用前先要找到 0g 的電壓值，這也是校正歸零的步驟。雖然每顆晶片出廠前都經過測試，但是每顆晶片之間的物理特性還是存在一點點差距，這種差距還算是合理範圍，只是我們必須用校正的方式將它拉到同一標準內，消除這種誤差 。底下圖二所示為晶片的規格，當 0g 的時候，電壓輸出是 1.5

       德儀的 CC2540 / 2541 藍芽晶片已經推出市場幾年了，隨著模組廠商的努力開發，將藍芽模組設計成 SMD 貼合元件，對於小型設計廠商的我們真是大大的便利。目前的藍芽模組不僅體積越做越小，價格也越來越親民，如果自己有些 idea 想要設計電路板來驗證藍芽相關的應用的話，直接拿藍芽模組來實現是不錯的方法之一。此外，CC2540 本身就是一顆 8051 為核心的晶片，所以具備一些 MCU 的基本功能，若將其 MCU 與藍芽的功能都發揮出來，這樣不僅系統成本降低且耗電量也會減少。本文的目的就是希望直接拿現有的藍芽模組來開發 CC2540，不希望再多用一顆 MCU 來控制這個模組。         一般市面上的藍芽模組都已經把藍芽的基本功能開發好了，藍芽的參數配置只要透過模組提供的 UART 介面(最常見的基本介面)來設定。這種作法除了需要藍芽模組之外，還需要另一顆 MCU 來控制這片藍芽模組，所以使用者通常會選擇自己熟悉的 MCU 來開發藍芽通訊。之前文章，我們已經採用 Arduino 晶片控制藍芽模組的方式完成藍芽通訊，底下將說明如何用市面上的模組來開發 CC2540。         我們拿市面上容易買到 HC-05 / HC-08 的藍芽模組來實驗，這塊模組原本是透過 UART 介面與外部的 MCU 溝通，讓使用者不需要為了藍芽的技術知識而傷腦筋。模組本身已經內建設計好藍芽的基本功能，使用者只需藉由 UART 介面設定參數便可動作。不過，我們卻想要把這塊模組改造，將本身的 MCU 與藍芽的功能發揮出來。首先，要準備德儀的 CC-Debugger 除錯器和安裝 IAR Embedded 軟體。接下來，將模組上面的五根接腳接出來，分別為 Vcc, 、 GND 、 RST 、 DC 和 DD，再連接到除錯器的相對應接腳，這樣就可以準備開發 CC2540 的韌體了。底下圖一所示就是將 CC-Debugger 連接到自製的藍芽開發板。 圖一：CC-Debugger 連接自製 CC2540 開發板         將 CC-Debugger 接上自製的開發板，到德儀的網站下載 CC2540 BLE-Stack 軟體 ，軟體本身提供不少範例程式的代碼。範例分成四類：Broadcaster 、 Observer 、 Peripher