LSM6DSOX：从六轴读数到连续采集

第 1 节 · 六轴数据，分别告诉我们什么？

LSM6DSOX 内部有一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪。三个轴就是芯片规定的 X、Y、Z 三个方向；加速度计给出沿这些方向的测量值，陀螺仪给出绕这些方向旋转的快慢。合起来一共六个数，称为六轴数据。

放在桌上没动，为什么加速度还有数？

加速度计也会反映静态重力的影响。板子平放、芯片的 Z 轴竖直时，通常会看到 Z 轴约为正或负 1 g，其余两轴接近零；把板子翻面，Z 轴读数的符号会改变。翻转后，重力在各轴上的分量随姿态改变；静止时三个分量合成的大小通常仍接近 1 g。

因此，“静止”不能写成“三个加速度都为零”。缓慢倾斜板子时，接近 1 g 的分量会逐渐分到不同轴上。它还不是一个现成的倾斜角度，需要后续根据这些分量计算姿态。实际读数存在噪声和零偏，不会每次都恰好等于理想值。

转了 90 度，陀螺仪会一直输出 90 吗？

陀螺仪测的是角速度。每秒转过 90 度，对应约 90 度/秒；转到新位置后停下来，读数就应回到接近零。若想估计转过多少角度，需要把角速度按时间累积，不能把某一次读数直接当作角度。

拿到数据后，可以先静放、翻面，再绕一个方向缓慢转动，观察对应的变化。芯片坐标由封装决定，板子印的方向和表盘方向可能不同，实际对应关系查手册的封装方向图。这些六轴原始量是后续动作判断的输入。

第 2 节 · 按初始化顺序，让器件开始测量

打开 LSM6DSOX.c，找到 LSM6DSOX_Init()。它接收已经配置好的总线管理对象地址，成功返回 0，失败返回非零。沿着执行顺序，看每一步在解决什么问题：

1. 记住总线，并清除旧的初始化状态。保存传入对象，检查它是否为空，再选择用于普通测量配置的寄存器组。这颗芯片有多组寄存器，同一个地址在不同组里可能代表不同内容；这里先确保后续访问普通测量这一组。
2. 确认器件身份。读取 0x0F，预期值为 0x6C。手表上地址选择脚接地，七位设备地址为 0x6A；驱动按前篇约定传入左移后的 0xD4。地址、内部位置、读出的身份值各有用途。
3. 复位，并等待复位真正完成。向 0x12 写 0x01，发出软件复位请求；随后反复读取，等待复位位自动清零。代码限制尝试次数，每次成功读取后才判断，避免接线出错时永久等待。复位尚未结束就继续配置，新设置可能又被清掉。
4. 设置加速度测量。向 0x10 写 0x4C，选择每秒 104 次、每轴 ±8 g；再向 0x17 写 0，建立保留静态重力分量的输出配置。采样率决定多久产生新数，量程决定可测的范围和原始整数的换算系数。
5. 设置角速度测量。向 0x11 同样写 0x4C，含义却是每秒 104 次、每轴 ±2000 度/秒。接着在 0x15 选择滤波参数，在 0x13 接通对应滤波路径，减弱过快变化的成分。参数与路径要配套设置。
6. 配置连续数据的暂存。设置缓存队列水位为 52 条，加速度和角速度都按每秒 104 条写入，再开启连续保存模式。芯片先保存记录，STM32 稍后来取；一条装什么、52 条代表多少，在第 4 节集中说明。
7. 安排读数一致性和读取通知。在 0x12 开启一轴高低字节的更新保护和连续读地址递增，同时把中断输出设为推挽、高有效；随后在 0x0D 开启队列水位通知。记录够一批时，芯片会通过 INT1 引脚提醒 STM32。
8. 全部完成后才报告成功。设置初始化成功标志并返回 0。中间某次通信失败就返回错误，调用者应先处理失败，不能接着把旧数据当作新测量。

这里的高低字节保护，解决的是“低字节刚读完，高字节却已更新成下一次测量”的问题；它不会替我们保留之前产生的多份历史数据。连续保存由队列负责。

实际接线沿用工程：时钟线接 PB6，数据线接 PB3，中断输出 INT1 接 PB4。使用双线通信时，芯片的接口选择脚 CS 保持高电平，地址选择脚 SA0 的接法决定设备地址。配置定义见手册第 54～56 页，板上连线以项目硬件资料为准。

在程序中调用一次初始化

main.c 包含 LSM6DSOX.h 和 i2c.h，在生成的总线初始化完成之后、主循环之前调用：

uint8_t init_result = LSM6DSOX_Init(&hi2c1);

先确认 init_result 为 0，再开始后面的读取。基本初始化已经同时启动测量和队列保存；不需要为每个例子重复调用它。片内决策树的加载放在另一篇，本篇先取得原始六轴数据。

第 3 节 · 六个数怎样从字节变成带单位的读数？

先看当前输出寄存器的排列：一个轴占两个字节，低字节在前，高字节在后。三轴角速度紧接三轴加速度，从 0x22 开始连续读十二字节，就能取出这六个数。

先确认有新数据，再取出完整字节

驱动已有三个内部读写函数：reg_write() 写一个字节，reg_read() 读一个字节，reg_read_mul() 从指定地址连续读取多个字节。它们返回 1 表示通信成功，读取内容存进传入的变量或数组。这些函数只在 LSM6DSOX.c 内使用，应用调用后面介绍的公开批量接口。

状态寄存器 0x1E 的最低两位，分别说明是否有新的加速度、角速度。两位都为 1 时，再从 0x22 连读十二字节。下面只展开其中 X 轴的两项，其他轴按上表相同方式拼接：

在 LSM6DSOX.c 中对照阅读的片段 · 初始化成功后

uint8_t state = 0, raw[12];
if (reg_read(0x1E, &state) && (state & 0x03) == 0x03) {
    if (reg_read_mul(0x22, raw, 12)) {
        int16_t gx = (int16_t)(((uint16_t)raw[1] << 8) | raw[0]);
        int16_t ax = (int16_t)(((uint16_t)raw[7] << 8) | raw[6]);
        /* 只在读取成功的分支里使用这次结果。 */
    }
}

例如 X 轴加速度低字节为 0x00、高字节为 0x10，合起来是 0x1000，即 4096；低字节为 0x00、高字节为 0xF0，合成 0xF000，按 16 位有符号数解释是 −4096。这样才能保留正负方向。MPU6050 的高字节在前，本器件的低字节在前，不能直接沿用旧驱动的数组顺序。

4096 代表多大加速度？

原始整数还需要乘以当前量程的换算系数。手册表 2 给出：±8 g 时，每增加一个计数，增加约 0.000244 g；±2000 度/秒时，每个计数对应 0.070 度/秒。

加速度 = 原始值 × 0.000244 g
例：4096 → 约 0.999 g；−4096 → 约 −0.999 g

角速度 = 原始值 × 0.070 度/秒
例：1000 → 70 度/秒

换量程后，换算系数也要一起变。采样率表示一秒产生多少份数据，换算系数表示每个整数对应多大的物理量，两者各自决定不同的事情。系数对照手册第 10 页表 2，字节排列对照第 68～71 页。

这种直接读输出寄存器的方法，适合先观察方向和换算。程序若忙了一会儿才来读取，这里的数已经被后来的测量更新了。要保存中间那一段，就需要下一节的队列。

第 4 节 · 用队列保存连续数据，再按批取走

每秒 104 次，大约每 9.6 毫秒产生一对六轴数据。假设刷新屏幕花了几十毫秒，回头读当前输出，只能看到后来的值。解决办法是在芯片内部先把产生的记录排起来，等 STM32 有空再按顺序取走。

先认识队列：先来的数据，先处理

暂时放下寄存器，假设某个时刻先后收到三个数：10、20、30。程序还没来得及处理它们，就先按到达顺序存起来。等程序有空，先拿 10，再拿 20，最后拿 30。这样保存待处理数据，并从最早的一份开始取出的组织方式，叫队列。

把新数据放在队列末端，叫入队；把最早的数据取出并从待处理内容中移除，叫出队。下一份要取出的数据所在的一端叫队头，最新入队的数据所在的一端叫队尾。例如 10、20、30 都在等待时，队头是 10，队尾是 30：

队列规定了先来先处理的顺序。接下来用数组保存这些数据，看看数组前面腾出的空位应该怎样再次利用。

数组还没满，为什么却写不进去了？

假设数组只有四个位置，下标为 0、1、2、3。用读下标记录下一份要取的数据在哪里，用写下标记录下一份数据要写在哪里；再用待处理数量记录还有几份数据没有取走。先采用一个最直接的规则：每次入队或出队，相应的下标都只向后移动一格。

问题出在这里：写下标已经越过数组末尾，读下标却也向后移动过，前面明明还有两个空位。如果只允许继续向后写，就无法再入队。这里的“空闲”表示原来的数据已经出队，不要求把内存里的旧数值清成零；图中的 4 只表示写到了边界，不能真的访问数组的 4 号位置。

把剩余数据搬到前面可以解决，但要多做搬运

一种办法是把 30 从 2 号搬到 0 号，把 40 从 3 号搬到 1 号，再把读下标设为 0、写下标设为 2。这样 50 就能写入 2 号位置，前面的空间也重新用上了。

但这次要额外移动两个数。如果队列里还剩两千个数，就要移动两千个数。整理一次数组所需的工作量，会随剩余数据量增加。把剩余数量记为 n，这种搬移的时间复杂度就是 O(n)。我们只是想再放入一个数，却可能要先搬动整段已有数据。

循环队列：直接利用前面已经空出来的位置

能不能让 30、40 留在原位，把 50 直接写到已经空闲的 0 号位置？可以。为此，把下标移动规则改成：走过最后一个位置以后，回到 0 号位置继续。这就是把数组首尾接起来使用的循环队列，也常称环形缓冲区。数组本身没有移动，改变的是下一次访问的位置。

回到刚才的例子。采用这个规则后，40 写入 3 号位置时，写下标就回到 0；随后取走 10、20，读下标移到 2。接着放入 50、60：

有效数据的先后顺序仍是 30 → 40 → 50 → 60。读取时，从读下标 2 开始，依次经过 2、3、0、1。读下标和写下标都遵循同一条回绕规则：在这个四格数组里，3 的下一个位置是 0。这就是后面所说的“指针回绕”：循环队列通过这样的回绕，反复利用已经出队的位置，避免为了腾空间而整体搬移数据。

每次入队或出队，只处理当前一个数据，再更新下标和数量；无论队列长短，都不用搬动其余数据。这种固定工作量的时间复杂度记为 O(1)。这个四格数组只是演示循环队列，并不代表传感器缓存的实际容量。

回绕也需要配合空、满判断。右图中读写下标都是 2，数量为 4，说明已经满了；如果再依次取走四个数，读下标绕一圈又回到 2，写下标仍为 2，但数量为 0，说明已经空了。因此，不能只凭两个下标相等就认定为空。本例用待处理数量区分；具体芯片可能提供计数或状态标志，需要按手册判断。

只有空闲位置才能继续存入而不丢失数据。队列真的满了以后，需要确定是停止接收新数据，还是覆盖最旧的数据；选择后者，就意味着一部分历史数据没有被读取。

回到传感器：谁把测量数据放进队列？

前面用数组解释了队列怎样保存数据。LSM6DSOX 内部也有一块保存测量记录的空间，由芯片自己的电路管理；手册把这块先进先出的缓存称为 FIFO，下面称缓存队列。开启保存后，新测量由传感器自动放进队列，STM32 稍后通过总线读取。这就接上了本节开头的问题：主控忙着刷新屏幕时，传感器仍能先把这段时间产生的记录存下来。

STM32 不必像操作演示数组那样，自己修改传感器内部的读写下标。传感器提供查询数量、取出记录的寄存器接口；程序读完一条记录，芯片会推进内部读取位置，下一次再从出口读取时，就能取到后续记录。

先看队列保存的内容。当前项目关闭压缩，只保存加速度和角速度；一条记录由一个字节的类型标签，加六个字节的数据组成。标签说明这一条来自哪种测量。

所以，一条记录不是完整六轴；取得一条加速度和一条角速度记录，才组成一对六轴。初次读队列时，也不能假定第一条一定是加速度，应该先看标签。

沿着现有批量函数，看一轮怎样取出

知道一条记录的格式后，就能沿着现有的 LSM6DSOX_GetFifoBatch() 看读取过程。它做的事情是：查询还有多少条未读记录，依次取走，再把加速度与角速度整理成一组六个数。这里读取的是先前保存的测量，和第 3 节直接读取当前输出寄存器的用途不同。

函数先查询 0x3A、0x3B，得到当前未读记录的数量，对应前面演示中的“待处理数量”。随后循环执行下面几步：

1. 读标签。从 0x78 读取标签字节；高五位表示类型，代码用 tag >> 3 取出。当前未压缩角速度的类型号为 1，加速度为 2。
2. 读这一条的数据。从 0x79 读取六字节，按上一节的低、高字节顺序拼成三个带符号整数。这里同样的拼接方法，只是字节来自缓存队列。
3. 按类型暂存。加速度放入 cur_acc，角速度放入 cur_gyr，用两个标志记住已经拿到哪一种。
4. 两种都有，交出一对。将各自三个数放入调用者数组，实际取得对数加一，再清掉两个标志，继续等待下一对。达到本次最多读取对数或没有更多记录时结束。

比如标签字节为 0x10，右移三位得到 2，这条就是加速度；其余低位还包含计数、校验信息，不能把整个标签直接当类型号。遇到不使用的类型，也需要按格式取走相应记录，不能只跳过标签，把后续数据误当作下一个标签。

当前配置没有把温度和时间戳加入队列。接口虽然留了温度参数，也不能据此认为每批一定有新的温度；本篇调用时传 NULL。队列格式和状态对照手册第 35～37 页、第 73～74 页及标签输出寄存器说明。

怎样知道该来取了？初始化里的水位 52 是什么意思？

现在已经会取队列里的数据了，还剩一个问题：什么时候来取？可以在主循环里反复查询数量，也可以让传感器在攒够一批时，通过引脚发出通知。本项目采用后一种办法，因此需要先规定“够一批”是多少。

水位就是预先规定“积累多少条未读记录时提醒读取”的数量。本项目希望每批取 26 对六轴，一对占两条记录，所以水位为 26 × 2＝52 条。两类数据各以每秒 104 条入队，名义上约 250 毫秒积累一批。

第 2 节的初始化已经配置好数量、入队频率和连续保存模式，并把水位通知接到传感器的 INT1 引脚。按当前高电平有效的设置，记录还不够时，这根引脚为低电平；未读数量达到 52 条时，它变为高电平。INT1 接到 STM32 的 PB4，于是 STM32 就能利用这个低到高的变化触发外部中断，得知“该来取这一批了”。

通知发出后，数据仍在传感器队列里，需要程序通过总线把它们读走。读到未读数量低于 52 条，水位条件解除，引脚恢复低电平；后续测量继续入队，攒够下一批又会发出通知。怎样配置这一中断，并在同一轮读取另一颗光学传感器，留到联合采集篇集中说明。

水位低于队列总容量，提供的是“该来取了”的提醒。连续模式下，队列满了会用新数据覆盖最旧的数据；程序长期取不及时，历史数据仍会丢失。当前驱动没有完整向调用者报告队列溢出，持续采集还应检查状态并记录缺失。

最后，在主循环调用现有接口

LSM6DSOX_GetFifoBatch(acceleration, gyroscope, temperature, maximum) 的前两个参数接收加速度、角速度数组，第三个是可选温度输出，最后一个限制最多读取多少对；返回这次实际取得的对数。两份数组各按 X、Y、Z 连续排列，最多 26 对就各准备 26×3 个元素。

第 2 节的初始化在主循环前执行一次。下面数组也在循环外准备好：

int16_t acceleration[26 * 3];
int16_t gyroscope[26 * 3];

主循环先用轮询调用，确认能取到数据。init_result 沿用初始化的返回值，成功才读取；count 大于零才使用这一批数组：

if (init_result == 0) {
    uint8_t count = LSM6DSOX_GetFifoBatch(
        acceleration, gyroscope, NULL, 26);
    if (count > 0) {
        float first_ax = acceleration[0] * 0.000244f;
        float first_gx = gyroscope[0] * 0.070f;
        /* 这批有效元素仅为下标 0 到 count*3-1。 */
    }
}

返回 18 就只取得了 18 对，后面预留的位置不属于新数据。返回 0 可能没有数据，也可能通信失败，应结合通信状态排查。程序中的批量读取，只是把先前排队的测量取走；它不会让传感器在读取瞬间重新测量 26 次。

上面的主循环例子先用轮询验证批量读取；在联合采集篇，再把读取时机接到水位中断上。这两种安排使用的是同一个队列读取接口。现在，从测量、保存到通知和取出，各自由谁完成就能对应起来了。

六轴数据可以描述手腕怎样运动。手表还要知道心跳和血氧，可下一颗传感器实际给出的却只是红光和红外光的读数：光为什么会随心跳变化，两个光学数值又怎样用于估计血氧？下一篇从这些问题进入 MAX30102，继续使用已经学过的寄存器读写与队列知识。