feat(gml670-v2): 添加二进制协议定义与 ADS1256 SPI 驱动
- protocol.h: CoP/Encoder/Resistance/Spotter/Heartbeat 帧定义， GML670 50kg ADC→kg 标定参数 - ads1256: SPI 命令模式驱动，BUFEN=1 解决高阻抗负载误差， 3750 SPS 平衡精度与采样率，SELFCAL + 寄存器回读校验 Co-Authored-By: Claude Opus 4.6 (1M context) <noreply@anthropic.com>
This commit is contained in:
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#pragma once
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#include <stdint.h>
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/* sensor.c 切换通道时需要此寄存器地址 */
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#define ADS1256_REG_MUX 0x01
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/**
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* @brief 初始化 ADS1256：配置 GPIO/SPI，复位芯片，写入寄存器，自校准。
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* @return 0 成功，负 errno 失败。
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*/
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int ads1256_init(void);
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/**
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* @brief 等待 DRDY 拉低（转换结果可读），带超时保护。
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* @param timeout_ms 超时时间（毫秒）。
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*/
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void ads1256_wait_drdy(uint16_t timeout_ms);
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/**
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* @brief 向 ADS1256 写单个寄存器。
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* @param reg 目标寄存器地址。
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* @param val 要写入的值。
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*/
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void ads1256_write_reg(uint8_t reg, uint8_t val);
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/**
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* @brief 从 ADS1256 读单个寄存器。
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* @param reg 目标寄存器地址。
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* @return 寄存器值。
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*/
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uint8_t ads1256_read_reg(uint8_t reg);
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/**
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* @brief 发送 SYNC + WAKEUP 命令，触发一次同步采样。
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*/
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void ads1256_sync_wakeup(void);
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/**
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* @brief 硬件复位 ADS1256（通过 RESET 引脚），等待复位后自校准完成。
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*/
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void ads1256_hwreset(void);
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/**
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* @brief 读取当前 24 位转换结果，符号扩展为 int32_t。
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* @return ADC 原始值。
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*/
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int32_t ads1256_read_data(void);
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/**
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* @brief 发送单字节命令到 ADS1256。
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* @param cmd 命令字。
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*/
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void ads1256_write_cmd(uint8_t cmd);
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+132
@@ -0,0 +1,132 @@
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#pragma once
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#include <stdbool.h>
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#include <stdint.h>
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/* ─── 帧常量 ─── */
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/* 双帧头比单字节魔数更容易在连续字节流里完成包起始判定。 */
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#define PROTO_SYNC0 0xAAU
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#define PROTO_SYNC1 0x55U
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#define PROTO_TYPE_COP 0x01U /* 上行: 压力中心 (CoP) 帧 */
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#define PROTO_TYPE_ENCODER 0x02U /* 上行: 电机编码器帧（预留） */
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#define PROTO_TYPE_RESISTANCE 0x10U /* 下行: 阻力参数 (K, B, Tau) */
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#define PROTO_TYPE_SPOTTER 0x11U /* 下行: Spotter Mode 保护阈值 */
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#define PROTO_TYPE_HEARTBEAT 0x20U /* 下行: 心跳包 */
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/* CoP flags 位定义 */
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#define COP_FLAG_FORCE_VALID 0x01U /* 总力 > 阈值，CoP 坐标有意义 */
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/* ─── 板面几何 & 传感器标定 ─── */
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/* 传感器到板面中心的半宽、半长 (mm)。 */
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#define BOARD_HALF_WIDTH_MM 100.0f
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#define BOARD_HALF_LENGTH_MM 100.0f
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/*
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* ADC → kg 换算推导：
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* GML670 50kg: 灵敏度 1.75 mV/V, 激励 5V → 满量程输出 8.75 mV
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* ADS1256: PGA=64, VREF=2.5V → 满量程 ±78.125 mV
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* 50kg 对应 ADC counts = 8.75 / 78.125 × 8388607 ≈ 939524
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* 1 LSB = 50.0 / 939524 ≈ 5.322e-5 kg
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* 如实际激励电压或 VREF 不同，按比例修正此系数。
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*/
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#define SENSOR_EXCITATION_V 5.0f
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#define SENSOR_SENSITIVITY_MVV 1.75f
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#define SENSOR_RATED_LOAD_KG 50.0f
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#define ADS1256_VREF_V 2.5f
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#define ADS1256_PGA 64
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#define ADC_COUNTS_AT_RATED \
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((SENSOR_SENSITIVITY_MVV * SENSOR_EXCITATION_V) / (2.0f * ADS1256_VREF_V * 1000.0f / ADS1256_PGA) * 8388607.0f)
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#define ADC_TO_FORCE_SCALE (SENSOR_RATED_LOAD_KG / ADC_COUNTS_AT_RATED)
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/* 总重低于此值时 CoP 无意义（除零保护），单位 kg */
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#define COP_MIN_FORCE_THRESHOLD 0.5f
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/* ─── 上行: CoP 帧 (17 bytes, 50 Hz) ───
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*
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* [AA 55 01 seq flags cop_x(4) cop_y(4) force(4)]
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*/
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struct cop_frame_t {
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uint8_t sync0; /* = PROTO_SYNC0 */
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uint8_t sync1; /* = PROTO_SYNC1 */
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uint8_t type; /* = PROTO_TYPE_COP */
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uint8_t seq; /* 包序号 0-255 滚动，用于丢包检测 */
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uint8_t flags; /* bit0: force_valid */
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float cop_x; /* 压力中心 X (mm)，板面坐标系 */
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float cop_y; /* 压力中心 Y (mm)，板面坐标系 */
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float force; /* 总重量 (kg) */
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} __attribute__((packed));
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union cop_pkt_t {
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struct cop_frame_t frame;
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uint8_t bytes[sizeof(struct cop_frame_t)];
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};
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/* ─── 上行: 电机编码器帧 (13 bytes, 预留) ───
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*
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* [AA 55 02 seq flags cable_length(4) velocity(4)]
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*/
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struct encoder_frame_t {
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uint8_t sync0; /* = PROTO_SYNC0 */
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uint8_t sync1; /* = PROTO_SYNC1 */
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uint8_t type; /* = PROTO_TYPE_ENCODER */
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uint8_t seq; /* 包序号 */
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uint8_t flags; /* 预留，填 0 */
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float cable_length; /* 拉索长度 (mm) */
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float velocity; /* 拉索速度 (mm/s) */
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} __attribute__((packed));
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union encoder_pkt_t {
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struct encoder_frame_t frame;
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|
uint8_t bytes[sizeof(struct encoder_frame_t)];
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|
};
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/* ─── 下行: 阻力参数帧 (15 bytes) ───
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*
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* [AA 55 10 K(4) B(4) Tau(4)]
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*/
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struct resistance_frame_t {
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uint8_t sync0; /* = PROTO_SYNC0 */
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uint8_t sync1; /* = PROTO_SYNC1 */
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uint8_t type; /* = PROTO_TYPE_RESISTANCE */
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float K; /* 刚度 (N/m) */
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float B; /* 阻尼 (Ns/m) */
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float Tau; /* 时间常数 (s) */
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} __attribute__((packed));
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union resistance_pkt_t {
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|
struct resistance_frame_t frame;
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|
uint8_t bytes[sizeof(struct resistance_frame_t)];
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};
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/* ─── 下行: Spotter Mode 帧 (8 bytes) ───
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*
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* [AA 55 11 threshold(4) enable]
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*/
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struct spotter_frame_t {
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uint8_t sync0; /* = PROTO_SYNC0 */
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uint8_t sync1; /* = PROTO_SYNC1 */
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uint8_t type; /* = PROTO_TYPE_SPOTTER */
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float threshold; /* 保护力阈值 (N) */
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uint8_t enable; /* 0 = 关闭, 1 = 启用 */
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} __attribute__((packed));
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union spotter_pkt_t {
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|
struct spotter_frame_t frame;
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|
uint8_t bytes[sizeof(struct spotter_frame_t)];
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};
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/* ─── 下行: 心跳帧 (4 bytes, ~1 Hz) ───
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*
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|
* [AA 55 20 counter]
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*/
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struct heartbeat_frame_t {
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uint8_t sync0; /* = PROTO_SYNC0 */
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uint8_t sync1; /* = PROTO_SYNC1 */
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uint8_t type; /* = PROTO_TYPE_HEARTBEAT */
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uint8_t counter; /* 滚动计数，用于活性检测 */
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} __attribute__((packed));
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union heartbeat_pkt_t {
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|
struct heartbeat_frame_t frame;
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|
uint8_t bytes[sizeof(struct heartbeat_frame_t)];
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};
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+190
@@ -0,0 +1,190 @@
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#include "ads1256.h"
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#include <stdint.h>
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#include <zephyr/drivers/gpio.h>
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#include <zephyr/drivers/spi.h>
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#include <zephyr/kernel.h>
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#include <zephyr/logging/log.h>
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LOG_MODULE_REGISTER(ads1256, LOG_LEVEL_INF);
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/* --- ADS1256 命令 --- */
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#define CMD_WAKEUP 0x00
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#define CMD_RDATA 0x01
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#define CMD_RREG 0x10
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#define CMD_WREG 0x50
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#define CMD_SELFCAL 0xF0
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#define CMD_SYNC 0xFC
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#define CMD_SDATAC 0x0F
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/* --- ADS1256 寄存器地址 --- */
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#define REG_STATUS 0x00
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#define REG_MUX 0x01
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#define REG_ADCON 0x02
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#define REG_DRATE 0x03
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#define SPI_OP (SPI_OP_MODE_MASTER | SPI_MODE_CPHA | SPI_WORD_SET(8) | SPI_LINES_SINGLE)
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/* --- 硬件资源 --- */
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static const struct device *spi_dev;
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static struct spi_config spi_cfg;
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static const struct gpio_dt_spec cs_spec = GPIO_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(ads_cs), gpios);
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static const struct gpio_dt_spec drdy_spec = GPIO_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(ads_drdy), gpios);
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static const struct gpio_dt_spec reset_spec = GPIO_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(ads_reset), gpios);
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void ads1256_wait_drdy(uint16_t timeout_ms) {
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/* drdy_spec 配了 GPIO_ACTIVE_LOW，逻辑 1 表示 DRDY 有效（物理拉低） */
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/* 用 k_usleep 代替 k_busy_wait，让出 CPU 给其他线程 */
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int64_t deadline = k_uptime_get() + timeout_ms;
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while (gpio_pin_get_dt(&drdy_spec) == 0) {
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k_usleep(10);
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if (k_uptime_get() >= deadline) {
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LOG_WRN("DRDY timeout (%u ms)", timeout_ms);
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break;
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}
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}
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}
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void ads1256_write_reg(uint8_t reg, uint8_t val) {
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ads1256_wait_drdy(50);
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|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 1);
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uint8_t tx_buf[3] = { CMD_WREG | reg, 0x00, val };
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||||||
|
struct spi_buf tx = { .buf = tx_buf, .len = 3 };
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||||||
|
struct spi_buf_set tx_set = { .buffers = &tx, .count = 1 };
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||||||
|
spi_write(spi_dev, &spi_cfg, &tx_set);
|
||||||
|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 0);
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||||||
|
/* t11: WREG 后至少 4 × tCLKIN ≈ 0.5µs */
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k_busy_wait(2);
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}
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uint8_t ads1256_read_reg(uint8_t reg) {
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ads1256_wait_drdy(50);
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||||||
|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 1);
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||||||
|
uint8_t tx_buf[2] = { CMD_RREG | reg, 0x00 };
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||||||
|
struct spi_buf tx = { .buf = tx_buf, .len = 2 };
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||||||
|
struct spi_buf_set tx_set = { .buffers = &tx, .count = 1 };
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||||||
|
spi_write(spi_dev, &spi_cfg, &tx_set);
|
||||||
|
/* t6: RREG 后至少 50 × tCLKIN ≈ 6.5µs */
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||||||
|
k_busy_wait(10);
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||||||
|
uint8_t rx_val = 0;
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||||||
|
struct spi_buf rx = { .buf = &rx_val, .len = 1 };
|
||||||
|
struct spi_buf_set rx_set = { .buffers = &rx, .count = 1 };
|
||||||
|
spi_read(spi_dev, &spi_cfg, &rx_set);
|
||||||
|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 0);
|
||||||
|
return rx_val;
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||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
void ads1256_write_cmd(uint8_t cmd) {
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||||||
|
ads1256_wait_drdy(50);
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||||||
|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 1);
|
||||||
|
struct spi_buf tx = { .buf = &cmd, .len = 1 };
|
||||||
|
struct spi_buf_set tx_set = { .buffers = &tx, .count = 1 };
|
||||||
|
spi_write(spi_dev, &spi_cfg, &tx_set);
|
||||||
|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 0);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
void ads1256_sync_wakeup(void) {
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||||||
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uint8_t cmd_sync = CMD_SYNC;
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|
uint8_t cmd_wakeup = CMD_WAKEUP;
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||||||
|
struct spi_buf tx_s = { .buf = &cmd_sync, .len = 1 };
|
||||||
|
struct spi_buf tx_w = { .buf = &cmd_wakeup, .len = 1 };
|
||||||
|
struct spi_buf_set set_s = { .buffers = &tx_s, .count = 1 };
|
||||||
|
struct spi_buf_set set_w = { .buffers = &tx_w, .count = 1 };
|
||||||
|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 1);
|
||||||
|
spi_write(spi_dev, &spi_cfg, &set_s);
|
||||||
|
/* t11: SYNC 后至少 24 × tCLKIN ≈ 3.1µs */
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||||||
|
k_busy_wait(4);
|
||||||
|
spi_write(spi_dev, &spi_cfg, &set_w);
|
||||||
|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 0);
|
||||||
|
}
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||||||
|
|
||||||
|
void ads1256_hwreset(void) {
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||||||
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/* reset_spec 配了 GPIO_ACTIVE_LOW：逻辑 1 = 物理 LOW = 断言复位 */
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|
gpio_pin_set_dt(&reset_spec, 1);
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||||||
|
/* t16: 最小复位脉宽 4 × tCLKIN ≈ 0.5µs，取 1ms 余量 */
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||||||
|
k_msleep(10);
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||||||
|
gpio_pin_set_dt(&reset_spec, 0);
|
||||||
|
/* 复位释放后芯片执行自校准，等待完成 */
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|
k_msleep(10);
|
||||||
|
ads1256_wait_drdy(500);
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
int32_t ads1256_read_data(void) {
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|
uint8_t cmd = CMD_RDATA;
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||||||
|
uint8_t rx_buf[3] = { 0 };
|
||||||
|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 1);
|
||||||
|
struct spi_buf tx = { .buf = &cmd, .len = 1 };
|
||||||
|
struct spi_buf_set tx_set = { .buffers = &tx, .count = 1 };
|
||||||
|
spi_write(spi_dev, &spi_cfg, &tx_set);
|
||||||
|
/* t6: RDATA 后至少 50 × tCLKIN ≈ 6.5µs */
|
||||||
|
k_busy_wait(10);
|
||||||
|
struct spi_buf rx = { .buf = rx_buf, .len = 3 };
|
||||||
|
struct spi_buf_set rx_set = { .buffers = &rx, .count = 1 };
|
||||||
|
spi_read(spi_dev, &spi_cfg, &rx_set);
|
||||||
|
gpio_pin_set_dt(&cs_spec, 0);
|
||||||
|
int32_t val = ((int32_t)rx_buf[0] << 16) | ((int32_t)rx_buf[1] << 8) | rx_buf[2];
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||||||
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if (val & 0x800000) val |= 0xFF000000;
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||||||
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return val;
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||||||
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}
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||||||
|
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||||||
|
int ads1256_init(void) {
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|
/* GPIO */
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gpio_pin_configure_dt(&cs_spec, GPIO_OUTPUT_INACTIVE);
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||||||
|
gpio_pin_configure_dt(&reset_spec, GPIO_OUTPUT_INACTIVE);
|
||||||
|
gpio_pin_configure_dt(&drdy_spec, GPIO_INPUT);
|
||||||
|
|
||||||
|
/* SPI */
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||||||
|
spi_dev = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(spi1));
|
||||||
|
spi_cfg.operation = SPI_OP;
|
||||||
|
spi_cfg.frequency = 500000;
|
||||||
|
spi_cfg.slave = 0;
|
||||||
|
|
||||||
|
if (!device_is_ready(spi_dev)) {
|
||||||
|
LOG_ERR("SPI device not ready");
|
||||||
|
return -ENODEV;
|
||||||
|
}
|
||||||
|
|
||||||
|
ads1256_hwreset();
|
||||||
|
|
||||||
|
/* 关闭连续输出模式，进入命令模式 */
|
||||||
|
ads1256_write_cmd(CMD_SDATAC);
|
||||||
|
k_busy_wait(100);
|
||||||
|
|
||||||
|
/*
|
||||||
|
* STATUS = 0x06: ORDER=MSB, ACAL=1(自动校准), BUFEN=1(开启输入缓冲)
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* GML670 50kg 传感器输出阻抗 1kΩ，Buffer OFF + PGA=64 时输入阻抗仅 ~8kΩ
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* (datasheet Table 10)，导致 ~11% 负载误差。开 Buffer 后输入阻抗 >10MΩ。
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*/
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ads1256_write_reg(REG_STATUS, 0x06);
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ads1256_write_reg(REG_MUX, 0x01);
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/* ADCON: CLK_OUT=OFF, SDCS=OFF, PGA=64 */
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ads1256_write_reg(REG_ADCON, 0x07);
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/*
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* DRATE: 3750 SPS (0xC0)
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* 50Hz 循环 = 20ms 预算。4 通道各采 10 次均值：
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* 单通道 = t18(0.44ms) + 9 × 1/3750(0.27ms) = 2.87ms
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* 4 通道 = 11.5ms，余量 8.5ms
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* 相比 30kSPS: ENOB 从 16.5 → 17.4 bit (Buffer On, PGA=64)
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*/
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ads1256_write_reg(REG_DRATE, 0xC0);
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/* 显式自校准：Buffer/PGA 变更后必须重新校准 (datasheet p25) */
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ads1256_write_cmd(CMD_SELFCAL);
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/* SELFCAL 完成后 DRDY 拉低 (datasheet: "Do not send additional commands
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after issuing this command until DRDY goes low") */
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ads1256_wait_drdy(500);
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/* 回读关键寄存器验证 SPI 通信正确性 */
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uint8_t status = ads1256_read_reg(REG_STATUS);
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uint8_t adcon = ads1256_read_reg(REG_ADCON);
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uint8_t drate = ads1256_read_reg(REG_DRATE);
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LOG_INF("ADS1256 regs: STATUS=0x%02X ADCON=0x%02X DRATE=0x%02X", status, adcon, drate);
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if (drate != 0xC0) {
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LOG_ERR("ADS1256 register verify failed (DRATE=0x%02X, expected 0xC0)", drate);
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return -EIO;
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}
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LOG_INF("ADS1256 initialized (BUFEN=1, PGA=64, 3750SPS)");
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return 0;
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}
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