描述

當我們將智能手機從縱向傾斜到橫向時……它如何知道我們正在傾斜手機？

那是因為我們智能手機中的加速度計！為了解其工作原理，讓我們使用Apache NuttX RTOS（實時操作系統）從PINE64 PinePhone中窺探原始加速度計數據。

構建和啟動 NuttX RTOS

按照以下步驟使用 microSD 卡在 PinePhone 上啟動 NuttX RTOS（它不會觸及內部 eMMC 存儲）...

(1) 安裝構建先決條件

(2) 下載適用于AArch64 裸機目標的 ARM64 工具鏈：（跳過測試版部分）aarch64-none-elf

(3) 下載并構建NuttX RTOS for PinePhone ...

git clone https://github.com/apache/nuttx nuttx

git clone https://github.com/apache/nuttx-apps apps

cd nuttx

tools/configure.sh pinephone:sensor

make

cp nuttx.bin Image

rm -f Image.gz

gzip Image

(4) 這會生成 NuttX 圖像文件Image.gz。我們一會兒將它復制到 PinePhone 中。

(5) 下載PinePhone Jumpdrive鏡像：pine64-pinephone.img.xz

(6) 使用Balena Etcher或GNOME Disks將下載的鏡像寫入 microSD 卡。

(7) 還記得Image.gz之前的事嗎？復制并覆蓋 microSD 卡上的文件。

(8) 將 microSD 卡插入 PinePhone 并將隱私開關 6（耳機）撥至關閉。

(9) 將PinePhone Serial Console Cable連接到我們的電腦并給PinePhone 上電。

(10) 在我們的電腦上，使用screen或以115.2 kbps 的速度putty連接到 PinePhone 串口控制臺（假設“usbserial-1410”是 USB 串口）...

screen /dev/tty.usbserial-1410 115200

(11) 在提示符下，輸入：ls /dev

NuttShell (NSH) NuttX-12.0.3
nsh> ls /dev
/dev:
console
imu0
null
ram0
ram2
ttyS0
userleds
zero

NuttX 表示，PinePhone 加速度計InvenSense MPU-6050現在可以在. （那是慣性測量單元）/dev/imu0

獲取加速度計數據

讓我們從 PinePhone 的加速度計中讀取原始加速度計數據。

將我們的 PinePhone 豎直放在縱向。輸入這個命令...

hexdump /dev/imu0 count=14

這會從加速度計轉儲 14 個字節的原始數據...

/dev/imu0 at 00000000:
0000: 10 21 00 05 01 6a f7 9e ff d8 00 13 ff fd

現在將我們的 PinePhone 逆時針旋轉 90 度，進入橫向。輸入相同的命令...

hexdump /dev/imu0 count=14

我們將看到一組不同的 14 字節原始數據......

/dev/imu0 at 00000000:
0000: 00 19 f0 48 01 12 f8 80 ff d6 00 0f ff fe

但是這些數字是什么意思？

解碼加速度計數據

NuttX 內核將MPU-6050 加速度計數據格式定義為...

/* MPU-6050 Accelerometer Data Format
 * (14 bytes, big-endian) */
struct sensor_data_s {
  int16_t x_accel;  /* Accelerometer X */
  int16_t y_accel;  /* Accelerometer Y */
  int16_t z_accel;  /* Accelerometer Z */
  int16_t temp;     /* Temperature */
  int16_t x_gyro;   /* Gyroscope X */
  int16_t y_gyro;   /* Gyroscope Y */
  int16_t z_gyro;   /* Gyroscope Z */
};

（來源）

當我們從上面解碼數據時，我們得到......

縱向：

• 加速度計 X = 4129 (0x1021) ??
• 加速度計 Y = 5 (0x0005)
• 加速度計 Z = 362 (0x016A)
• 溫度 = -2146 (0xF79E)
• 陀螺儀 X = -40 (0xFFD8)
• 陀螺儀 Y = 19 (0x0013)
• 陀螺儀 Z = -3 (0xFFFD)

橫向：

• 加速度計 X = 25 (0x0019)
• 加速度計 Y = -4024 (0xF048) ??
• 加速度計 Z = 274 (0x0112)
• 溫度 = -1920 (0xF880)
• 陀螺儀 X = -42 (0xFFD6)
• 陀螺儀 Y = 15 (0x000F)
• 陀螺儀 Z = -2 (0xFFFE)

啊哈，加速度計的 X 和 Y 值發生了顯著變化！

是的，加速度計測量三軸的加速度......

• X軸：指向PinePhone 的頂部邊緣
• Y軸：指向PinePhone 的左邊緣
• Z軸：指向PinePhone后蓋

加速度計檢測到加速度發生變化：在我們旋轉手機后，從 X 軸到 Y 軸。

但是我們沒有水平或垂直“加速”手機？

這是因為重力！地球表面對我們的手機施加向上的法向力。這是在我們旋轉手機時由加速度計測量的。

當我們將手機從縱向傾斜到橫向時，我們的手機就是這樣知道的！

讀取加速度計

最后，讓我們編寫一個程序來讀取和解釋加速度計數據。

我們首先聲明MPU-6050 加速度計數據格式：hello_main.c

/* MPU-6050 Accelerometer Data Format
 * (14 bytes, big-endian)
 * Based on NuttX Kernel: https://github.com/apache/nuttx/blob/master/drivers/sensors/mpu60x0.c#L218-L233 */
struct sensor_data_s
{
  int16_t x_accel;  /* Accelerometer X */
  int16_t y_accel;  /* Accelerometer Y */
  int16_t z_accel;  /* Accelerometer Z */
  int16_t temp;     /* Temperature */
  int16_t x_gyro;   /* Gyroscope X */
  int16_t y_gyro;   /* Gyroscope Y */
  int16_t z_gyro;   /* Gyroscope Z */
};

接下來我們打開加速度計.../dev/imu0

/* Open the MPU-6050 Accelerometer for reading */
int fd = open("/dev/imu0", O_RDONLY);
assert(fd > 0);  /* Check that it exists */

我們從加速度計中讀取了14 個字節的數據……

/* Accelerometer Data will have 14 bytes */
struct sensor_data_s data;
assert(sizeof(data) == 14);  /* We expect to read 14 bytes */

/* Read the Accelerometer Data (14 bytes) */
int bytes_read = read(fd, &data, sizeof(data));
assert(bytes_read == sizeof(data));  /* We expect 14 bytes read */

但是加速度計數據是Big-Endian Format。我們為 PinePhone 轉換為Little-Endian 格式...

/* Flip the bytes from Big-Endian to Little-Endian for PinePhone.
 * ntohs() is explained here: https://developer.ibm.com/articles/au-endianc/ */
int16_t x_accel = ntohs(data.x_accel);
int16_t y_accel = ntohs(data.y_accel);
int16_t z_accel = ntohs(data.z_accel);
int16_t temp    = ntohs(data.temp);
int16_t x_gyro  = ntohs(data.x_gyro);
int16_t y_gyro  = ntohs(data.y_gyro);
int16_t z_gyro  = ntohs(data.z_gyro);

最后我們打印轉換后的數據并關閉加速度計......

/* Print the Accelerometer Data */
printf("Accelerometer X: %d\n", x_accel);
printf("Accelerometer Y: %d\n", y_accel);
printf("Accelerometer Z: %d\n", z_accel);
printf("Temperature:     %d\n", temp);
printf("Gyroscope X:     %d\n", x_gyro);
printf("Gyroscope Y:     %d\n", y_gyro);
printf("Gyroscope Z:     %d\n", z_gyro);

/* Close the Accelerometer */
close(fd);

要在 PinePhone 上運行它，請在我們的計算機上查找此源文件...

apps/examples/hello/hello_main.c

通過以下內容覆蓋該文件的內容：hello_main.c

為 PinePhone 重建 NuttX RTOS...

make

cp nuttx.bin Image

rm -f Image.gz

gzip Image

按照前面的說明復制到 PinePhone microSD 卡。在 PinePhone 上啟動 microSD 卡并輸入：Image.gzhello

當 PinePhone 處于Portrait Orientation時，我們會看到類似...

nsh> hello
Accelerometer X: 4137
Accelerometer Y: -97
Accelerometer Z: 208
Temperature: -1500
Gyroscope X: -29
Gyroscope Y: 66
Gyroscope Z: 12

當我們將 PinePhone 旋轉到Landscape Orientation時，Accelerometer X 和 Y 值會發生顯著變化......

nsh> hello
Accelerometer X: -143
Accelerometer Y: -4007
Accelerometer Z: -443

是的，我們的程序已經成功讀取了 PinePhone 加速度計！

（非常感謝Filipe Cavalcanti啟發了本教程！）

進一步閱讀

要了解更多關于PinePhone 的 NuttX RTOS ...

• “用于 PinePhone 的 NuttX RTOS：它是什么？”

MPU-6050 在微控制器上也能正常工作……

• “在 Tiva TM4C 上使用 NuttX 獲取加速度計數據”

MPU-6050實際上是一個組合加速度計和陀螺儀...

• InvenSense MPU-6050 數據表
• “加速度計與陀螺儀傳感器”

我們可以計算傾斜角嗎？它在 3D 空間中變得復雜，請查看三角函數公式...

• “如何使用三軸加速度計進行傾斜感測”
• “使用三軸加速度計進行傾斜感測”

附錄：MPU-6050驅動

MPU-6050 Driver是如何在NuttX Kernel中啟動的？

啟動時，NuttX Kernel在PinePhone Bringup Function pinephone_bringup中啟動MPU-6050 Driver ，并在/dev/imu0注冊驅動：pinephone_bringup.c

/* To register the IMU Driver for MPU-6050 Accelerometer at Port TWI1... */

/* Init the Power Management Integrated Circuit */
ret = pinephone_pmic_init();

/* Wait 15 milliseconds for power supply and power-on init */
up_mdelay(15);

/* Allocate the IMU Driver struct */
mpu_config = kmm_zalloc(sizeof(struct mpu_config_s));
mpu_config->i2c  = i2c1;
mpu_config->addr = 0x68;

/* Register the IMU Driver at /dev/imu0 */
mpu60x0_register("/dev/imu0", mpu_config);

（mpu60x0_register在 MPU-6050 驅動中定義）

( pinephone_pmic_init來自PinePhone電源管理集成電路的驅動)

什么？i2c1

i2c1是 Allwinner A64 SoC 上的第二個 I2C 端口，連接到 MPU-6050 加速度計。（PinePhone 原理圖，第 12 頁）

Allwinner A64 上的 I2C 端口被命名為 TWI0，TWI1，... 所以i2c1實際上是Allwinner A64 上的端口 TWI1 ： pinephone_bringup.c

/* Initialize TWI1 as I2C Bus 1 */
i2c1 = a64_i2cbus_initialize(i2c1_bus);

/* Register I2C Driver for I2C Bus 1 at TWI1 */
ret = i2c_register(i2c1, i2c1_bus);

（TWI表示“雙線接口”）

（a64_i2cbus_initialize定義在 Allwinner A64 I2C Driver 中）

這是什么 PMIC？

啟動時，NuttX Kernel 會初始化 PinePhone 的電源管理集成電路 (PMIC) ，然后再啟動 MPU-6050 Driver: pinephone_bringup.c

/* To register the IMU Driver for MPU-6050 Accelerometer at Port TWI1... */

/* Init the Power Management Integrated Circuit */
ret = pinephone_pmic_init();

/* Omitted: Start the IMU Driver at /dev/imu0 */

（pinephone_pmic_init來自 PMIC 驅動程序）

這是因為 MPU-6050 加速度計由 PinePhone 的 PMIC：X-Powers AXP803 供電。（PinePhone 原理圖，第 3 頁，DLDO1）

X-Powers AXP803 上的DLDO1 電源為PinePhone 上的 I2C 傳感器供電，包括 MPU-6050 加速度計。

（更多關于 DLDO1）

附錄：MPU-6050 介紹

我們如何確定 X 軸指向 PinePhone 的頂部邊緣？Y 軸指向左邊緣？

根據PinePhone Component List， MPU-6050 Accelerometer 的標簽為U1202 。

從PinePhone 主板底部布局來看， U1202 在圖的左上角。這意味著加速度計位于PinePhone 的左上角。（從正面看時）

U1202 有一個小圓圈，朝向PinePhone 的左下邊緣。

當我們參考InvenSense MPU-6050 數據表（第 21 頁）時，我們得出結論...

• X軸：指向PinePhone 的頂部邊緣
• Y軸：指向PinePhone 的左邊緣
• Z軸：指向PinePhone后蓋