模块用法与加速度计采集数据

在上一个开箱贴中我们介绍了开发板以及各个模块，本贴主要来分享各个模块的功能与用法，以及如何接线，进行引脚分配，与开发板进行协作完成本次活动。

我这边使用MX2+vscode+st扩展进行开发，这套开发环境轻量便捷，在大模型的帮助下可提升开发效率。

整个工程基于 STM32CubeMX2 生成的 CMake 工程，工具链为 GNU Arm Embedded 14.3.1，所有外设都使用寄存器级 HAL 接口，便于移植和理解。

1. 项目一览

组件型号作用

关键参数：

• 步进：8 拍半步，2 ms/半步，4096 半步/圈，约 8.2 秒一圈

• 采样：LIS3DHTR 100 Hz，±2 g 高分辨率，原始 16 位输出

• 窗口：256 点 × 3 轴 = 768 个值，约 2.56 秒一个窗口

• 串口：每行 768 个整数，空格分隔，CRLF 结尾，无表头

• 

  因其串口助手显示宽度的限制，被排挤到多行。实际每次传输768个数据。

2. 系统结构

数据流可以概括为：

1. LIS3DHTR 以 100 Hz 采样电机三轴加速度；

2. 每 256 个采样点组成一个窗口（约 2.56 秒）；

3. 窗口数据一边以文本行形式从 USART2 发出，用于数据集采集；

4. 同时转换成 float 数组送入 NanoEdge AI 分类模型；

5. 在128*64的oled中，第4页显示电机运行状态，第6页显示模型分类结果和置信度。

3. 硬件连接

3.1 引脚分配

MCU 引脚信号模式连接

3.2 电源注意事项

• ULN2003 驱动板建议使用 5 V 独立供电，并与主控 共地。28BYJ-48 单相电流约 200~300 mA，不建议使用开发板上的5V为驱动板进行供电

• OLED 和 LIS3DHTR 使用 3.3 V 即可。

• I2C 总线上两个器件共用 PB6/PB7，模块自带上拉即可，不需要硬件上配置4.7k上拉电阻；CubeMX2 中也配置了内部上拉。

3.3 I2C 地址

器件7 位地址8 位写地址说明

注意：STM32C5 HAL 的 I2C 接口要求传入 左移一位后的 8 位地址，所以代码中写0x3C << 1 = 0x78、0x19 << 1 = 0x32。

4. 步进电机模块

4.1 ULN2003 与 28BYJ-48

28BYJ-48 是 5 线四相减速步进电机，内部线圈公共端接 5 V，四相 A/B/C/D 由 ULN2003 灌电流驱动。MCU 的 PC0~PC3 接 ULN2003 的 IN1~IN4，逻辑高电平导通对应相。

方向相反时，交换电机与驱动板之间的任意两根线即可，不需要改代码。

4.2 半步序列

驱动采用 8 拍半步，运行更平滑：

拍IN1IN2IN3IN4十六进制

代码中用 HAL_GPIO_WriteMultipleStatePin() 一次更新四个引脚，保证相位切换的原子性。

4.3 驱动接口

void Stepper_Init(void);              // 断线圈，复位状态
void Stepper_SetSpeed(uint32_t ms);   // 半步周期，1~50 ms
void Stepper_Start(void);
void Stepper_Stop(void);              // 四相断电
void Stepper_SetDirection(stepper_dir_t dir);
void Stepper_Task(void);              // 周期调度

半步周期默认为 2 ms：

4096 半步/圈 ÷ (1 / 0.002 s) = 约 8.2 秒/圈

5. PC13 按键模块

按键使用 PC13 板载 B1，配置为：

• 输入，内部下拉

• EXTI13 上升沿触发（按下时引脚被拉高）

• NVIC 使能 EXTI13 中断

如果是按下接 GND 的板型（很多 Nucleo 默认如此），需要改成 上拉 + 下降沿， 并让回调接受 HAL_EXTI_TRIGGER_FALLING。

软件去抖 150 ms，在中断回调里只置一个事件标志，实际处理放在主循环：

static void key_exti_callback(hal_exti_handle_t *hexti, hal_exti_trigger_t trigger)
{
    if (trigger != HAL_EXTI_TRIGGER_RISING) return;

    uint32_t now = HAL_GetTick();
    if ((now - s_key_tick) >= 150U) {
        s_key_tick = now;
        s_key_event = true;
    }
}

主循环收到事件后切换电机启停，并刷新 OLED。

6. OLED 模块（SSD1306）

6.1 驱动结构

• 128×64 显存，按 8 页组织，每页 8 像素高、128 列；

• 上电后写入初始化命令；

• 驱动维护 1024 字节的 RAM 显存，修改后统一发送；

• 内置 5×7 ASCII 字库，支持字符串和数字绘制。

6.2 接口

hal_status_t SSD1306_Init(hal_i2c_handle_t *hi2c);
void SSD1306_Clear(void);
void SSD1306_DrawString(uint8_t x, uint8_t page, const char *text);
void SSD1306_DrawUInt(uint8_t x, uint8_t page, uint32_t value, uint8_t width);
void SSD1306_Update(void);          // 整屏刷新，1024 字节
void SSD1306_ClearPage(uint8_t page);
void SSD1306_UpdatePage(uint8_t page);  // 单页刷新，128 字节

6.3 页面布局

页像素行内容

6.4 刷新策略

• 100 kHz I2C 下，整屏 1024 字节约 90 ms；

• 单页 128 字节约 12 ms；

• 按键改变电机状态时才整屏刷新；

• AI 结果每 2.56 秒更新一次，只刷新第 6 页，避免拖慢采样。

如果用的是 1.3 寸 SH1106 屏幕，SSD1306 的页寻址可能不兼容，需要修改初始化序列 和列偏移（可见控制器型号）。

7. LIS3DHTR 加速度计模块

7.1 接线与地址

• VCC 3.3 V，GND 共地

• SCL 接 PB6，SDA 接 PB7（与 OLED 共用 I2C1）

• SDO 悬空或接高：地址 0x19；SDO 接 GND：地址 0x18

• INT1/INT2 不接，本项目使用轮询

上电后先读 0x0F，值为 0x33 表示识别成功，驱动会依次尝试 0x19 和 0x18。

注意本次活动中的加速度计模块使用的HY2.0的接口，开发板排母使用2.54mm排针，无法直接连接到开发板上。建议使用转接线或者自行打样一个转接板。

7.2 关键寄存器配置

寄存器地址值含义

±2 g 高分辨率模式下，1 LSB = 1 mg，1 g 约对应 1000 个计数值。由于输出是 12 位 左对齐放在 16 位寄存器里，低 4 位恒为 0，所以静止时 Z 轴原始值约为 16000。

7.3 读取流程

每 5 ms 轮询一次，一次读取 STATUS + 六字节数据：

/* 从 0x27 开始自动递增读 7 字节 */
lis3dh_read_regs(0x27 | 0x80, buf, 7);

if (buf[0] & 0x08) {              /* ZYXDA：有新样本 */
    x = (int16_t)((buf[2] << 8) | buf[1]);
    y = (int16_t)((buf[4] << 8) | buf[3]);
    z = (int16_t)((buf[6] << 8) | buf[5]);
}

子地址最高位置 1 打开自动递增，避免 6 次独立事务。BDU=1 保证六字节来自同一次采样。

7.4 驱动接口

hal_status_t Lis3dh_Init(hal_i2c_handle_t *hi2c);
hal_status_t Lis3dh_ReadRaw(int16_t *x, int16_t *y, int16_t *z);
hal_status_t Lis3dh_ReadMg(int32_t *x, int32_t *y, int32_t *z);
void Lis3dh_Task(void);                       // 采样 + 窗口输出
void Lis3dh_SetWindowCallback(lis3dh_window_cb_t cb);

7.5 量程与速率调整

需求CTRL_REG4说明

如果需要更高采样率，可把 CTRL_REG1 的 ODR 改成 200/400 Hz。但注意：模型是在 100 Hz 数据上训练的，改变采样率后频谱特征会变化，应当重新训练模型。

8. 加速度计如何采集步进电机数据

这一节是整个项目的核心，分几个方面说明。

8.1 物理安装

• 加速度计建议刚性固定在电机外壳或电机支架上，用双面胶+扎带固定也可以， 但不能让传感器悬空或只连着杜邦线，否则测到的主要是导线晃动。我这边因条件不足，使用的电气绝缘胶带缠绕连接。

• 传感器 Z 轴尽量与电机轴向一致或保持固定朝向，两种类别采集时保持同一朝向。

• ULN2003 和 MCU 共地，电机电源单独 5 V 供电，避免电机启停时电源波动导致 MCU 复位或 I2C 异常。

• I2C 线尽量短（10~20 cm），远离电机相线。

8.2 串口数据格式

每个窗口输出一行，格式严格固定：

x1 y1 z1 x2 y2 z2 ... x256 y256 z256\r\n

• 共 768 个整数，单个空格分隔；

• 数值是 LIS3DHTR 的原始 16 位寄存器值；

• 行尾 CRLF；

• 没有表头、时间戳、类别文字或启动信息，严格按照UTF-8，可以直接作为数据集文件，为后面使用Nanoedge AI studio进行数据训练做准备；

• 一行约 5.4 KB，921600 波特率下发送约 59 ms。

示例（截断）：

160 352 16272 80 320 16080 144 320 16368 ... 208 304 16192

串口发送使用中断模式 HAL_UART_Transmit_IT()，不阻塞主循环。发送期间采样和电机 步进继续运行。缓冲区在下一个窗口到来前不会被修改（间隔 2.56 秒，远大于 59 ms）。

到此应该知晓了如何进行接线，如何驱动电机，将加速度计与电机进行刚性连接。学会将加速度计读取到的数据发送到串口。实现基本的任务，后将讲解如何在Nanoedge ai studio中进行模型训练并且部署到我们的现有的项目程序中，以实现边缘ai的检测。