基于FPGA的ICG-20330陀螺仪设计

• 设计要求

本次设计使用CMOD-S7和ICG-20330搭建一个基于FPGA的陀螺仪驱动系统，最终的设计要求有如下几点：

1. 理解陀螺仪芯片工作原理；
2. 正确使用FPGA驱动ICG-20330陀螺仪芯片，能够正常获取陀螺仪芯片的数据；
3. FPGA正常采集陀螺仪芯片数据，完成陀螺仪芯片的数据整合工作；
4. 通过串口将数据发送至上位机；
5. 根据陀螺仪芯片的工作原理，将上位机数据正确转换成对应的X,Y,Z轴的角度等信息。

• 设计方案

3.1 设计平台介绍

3.1.1 FPGA介绍
        本次设计使用CMOD-S7功能开发板，FPGA主芯片为Spartan-7。Cmod S7是一款小巧的48引脚DIP板，采用36引脚，围绕Xilinx Spartan-7 FPGA构建。它有32个FPGA数字I / O信号，2个FPGA模拟输入信号，一个外部电源输入和接地线路连接到100毫英寸间距内，使Cmod S7非常适合与面包板一起使用。它只有0.7英寸×3.05英寸，可以方便的开发嵌入式系统。该板还包括编程ROM，时钟源，USB编程和数据传输电路，电源，LED和按钮，如图所1所示，位开发板实物图。 

图1

3.1.2 陀螺仪介绍

本次设计陀螺仪芯片型号为ICG-20330，ICG-20330是一个3轴运动跟踪设备，包括一个3轴陀螺仪在一个小型的3x3x0.75毫米(16针LGA)包。

1. 高性能规格

陀螺仪灵敏度误差：±1%o

陀螺仪噪声：5毫秒/Ö赫兹

1. 包括512字节光纤来减少流量串行总线接口，并降低功耗通过允许系统处理器突发读取传感器数据，然后进入低功率模式
2. EISFSYNC支持
3. ICG-20330包括片上16位adc、可编程数字滤波器、嵌入式温度传感器和可编程中断。
4. 该设备的工作电压范围低至1.71V。
5. 通信端口包括I2C和7MHz的高速SPI。

该芯片常用于电话相机模块中的OIS（光学图像稳定），DSLR和DSC中

DSCEIS（电子图像稳定），以及电话相机模块等。

设计方案

本次设计使用CMOD-S7开发板结合ICG-20330陀螺仪芯片，设计架构如下图2所示：

图2

FPGA在设计中的主要功能：

1. FPGA通过SPI总线驱动ICG-20330，使其正常工作；
2. 获取ICG-20330数据，完成数据整理工作；
3. 提供UART接口与PC机互联，完成数据上传；

ICG-20330陀螺仪设计中主要功能：

1. 正常工作，内部将角度等信息准确进行采集存储；
2. 对接SPI接口，和FPGA完成数据交互；

PC机在设计中的主要功能：

1. 通过UART接口和FPGA对接，完成数据交互；
2. 正确显示FPGA发送的数据，供设计这分析；

设计整体方案较为简单，难点集中在ICG-20330的驱动部分，这一部分需要结合数据手册，理解其工作原理，正确配置寄存器，最终获取所需求的数据。

• 设计架构

4.1 FPGA架构设计

4.1.1 FPGA硬件架构设计

FPGA主时钟12MHz，用于给FPGA提供系统时钟，电路图3如下：

                        

图3

图4图5位Pmod2*6接插件，连接FPGA的IO管脚，可以通过该接插件连接ICG-20330，作为SPI接口使用。 

图4

图5

图6为按键电路，用于提供系统复位；

                                  

图6

图7为串口电路设计，这部分设计在是共用USB-JTAG接口，使用micro-USB直接能够实现UART接口功能，且不影响其他功能。

                        

图7

4.1.2 FPGA架构设计

图8

如图8所示，为FPGA设计的RTL级视图，它能够后直观的看见顶层设计和内部结构设计。

首先，从图中我们可以看见顶层的管脚有：

1. i_sys_clk : 系统时钟12MHz，用于给系统提供工作时钟；
2. i_sys_rst_n:系统复位，低电平有效；
3. i_miso:SPI总线信号，miso，对于FPGA来说属于输入信号;
4. o_cs_n:SPI总线信号，片选信号;
5. o_mosi:SPI总线信号，mosi，对于FPGA来说属于输出信号;;
6. o_sck:SPI总线信号,SCK时钟;
7. o_uart_txd:UART接口发送信号线;
8. i_uart_rxd:UART接口接收信号线;
9. o_signal_led:状态指示等;

其次，内部的各个模块的功能如下：

1. clk_div:时钟分频模块，系统时钟输入12MHz，在内部架构中，每个单独的模块，都需要单独的主时钟，这样以来PLL锁相环就能够通过倍频和分频，完成这一项工作，由12MHz产生不同频率的时钟，共给各个模块使用；
2. Vio模块：该模块是调用FPGA内部的IP核，其作用是用于调试，辅助观察内部各信号的实时状态；
3. data_ctrl:该模块主要用于产生ICG-20330所有需要配置的寄存器地址和数据，控制寄存器的读写，结合SPI总线，控制对ICG-20330的读写操作；
4. SPI_master:SPI接口的时序模块，用于模拟SPI协议的时序，最终控制mosi、miso、cs、sck四条信号的时序；
5. Uart模块：UART接口时序控制模块，用于模拟UART协议的时序，进而完成和PC机的数据交互工作；

4.1.3 FPGA内部模快功能

关于FPGA内部的整体功能可以划分为两部分，数据采集，整理和发送；数据采集主要至对ICG-20330的状态数据采集；发送主要指通过UART和上位机进行通信。

1. 数据采集

关于数据采集，研究的重点在与对ICG-20330的数据手册的研读理解，了解其工作原理和特性。

寄存器配置

通过数据手册可以知道，ICG-20330工作在上电后需要进行寄存器初始化，具体操作为按照一定的顺序配置其内部的寄存器。如图所示，为寄存器列表，列表中的寄存器分为可读可写寄存器，和只读寄存器；可读可写的寄存器可以配置芯片工作的模式，完成一些主要状态的参数补偿，比如软复位寄存器（PWR_MGMT_1

），该寄存器是芯片内部的软复位寄存器，我们可以往里面写入数据，也可以从该寄存器内读取写入的数据，以此来验证寄存器配置是否正常；只读寄存器，比如ID号寄存器（WHO ARM I），该寄存器为只读寄存器，它主要的功能就是提供芯片的ID信息，本次使用的ICG-20330的ID号为68或69，这个在数手册中有明确的体现；如表1，表2。

表1

表2

根据设计要求，途中标红的寄存器都是我们需要配置操作的寄存器，在设计中需要按照一定的顺序完成配置操作；下图中代码中就是本次设计寄存器配置顺序，除了上电复位有硬性要求，其他的寄存器顺序没有具体要求；这一部分设计是在data_ctrl这个模块中实现的。

图9

如上图9代码中所示，设计中操作配置的寄存器有：

1. PWR_MGMT1<-->(READ/WRITE)--复位：由于系统上电之后，需要进行内部复位，才能正常工作，该寄存器的配置需要先配置复位，然后再还原，处于非睡眠模式，使其能够正常工作；
2. PWR_MGMT_2<-->(READ/WRITE)：该寄存器需要使三轴陀螺仪正常工作,[2:0]=3’b000;

图10

1. SMPLRT_DIV<-->(READ/WRITE):采样率配置寄存器，该寄存器控制芯片工作时的采样率；
2. GYRO_CONFIG<-->(READ/WRITE)：陀螺仪配置寄存器，配置角度范围。

图11

1. FIFO_EN<-->(READ/WRITE)：FIFO使能寄存器，使能FIFO，允许新数据代替FIFO中的旧数据；确保数据的实时性；
2. TEMP_OUT_H<-->(READ):ICG-20330温度数值高8bit；
3. TEMP_OUT_L<-->(READ):ICG-20330温度数值低8bit；
4. GYRO_XOUT_H<-->(READ):ICG-20330的X轴角度数值高8bit；
5. GYRO_XOUT_L<-->(READ):ICG-20330的X轴角度数值低8bit；
6. GYRO_YOUT_H<-->(READ):ICG-20330的Y轴角度数值高8bit；
7. GYRO_YOUT_L<-->(READ):ICG-20330的Y轴角度数值低8bit；
8. GYRO_ZOUT_H<-->(READ):ICG-20330的Z轴角度数值高8bit；
9. GYRO_ZOUT_L<-->(READ):ICG-20330的Z轴角度数值低8bit；
10. WHO_ARM_I<-->(READ):芯片ID号；

根据SPI总线设计要求，SPI读写操作通过16个或更多时钟周期（两个或更多字节）完成。第一个字节包含SPI地址，之后的字节包含SPI数据。第一个字节的第一位包含读/写位，并表示读（1）或Write（0）操作。以下7位包含注册器地址。在多字节读取/写入的情况下，数据是两个或多个字节。

因此，我们在data_ctrl模块中的data_reg位宽设计为16bit，其构成{1bit读写标志，7bitaddress，8bit数据}；

图12

SPI总线设计

要完成ICG-20330的控制，我们需要使用SPI接口，当然也可是使用IIC接口，两者均可以，本次设计我们使用SPI，优点为速度较快，在完成一主多从的设计时比较方便控制。

首先，我们需要确定SPI的模式。我们知道SPI根据极性和相位的不同可以分为四种模式，mode0-mode3；

CPOL（极性）   CPHA（相位）
MODE0     0  0
MODE1    0  1
MODE2    1  0
MODE3    1  1
CPOL: SPI空闲时的时钟信号电平(1:高电平, 0:低电平)；
CPHA: SPI在时钟第几个边沿采样(1:第二个边沿开始, 0:第一个边沿开始)；

根据ICG-20330数据时序图可以知道，本次设计SPI模式我们使用mode3。

图13

因此在代码中我们将模式按照数据手册要求进行设计，如下图，该SPI模块已经完成了封装，通过更改参数即可完成模式的修改；

图14

其次，我们要确定SPI协议的处理数据位宽为16位，这个一定要和我们的data_char模块对应，否则会出现数据传输异常的情况。

1. 数据整理

根据设计需求，我们需要获取ICG-20330的三轴的角度信息，在完成ICG-20330初始化之后，我们需要从寄存器ox67~0X72这六个寄存器中读取X、Y、Z三个轴的角度信息，这六个寄存器分辨代表X、Y、Z轴的数据高8位和滴8位，其中最高位为符号位。

图15

获取数据完毕后进行数据整理，由于SPI获取到16bit数据时，包含地址和数据，这边设计为了区分X、Y、Z三轴的数据，特意在传输数据过程中，做了数据标记。传输数据时按照X-Y-Z这个顺序进行传输，并且在三轴数据之前做了区分。

具体方法为传输时添加关键标志，在发送数据时先发送F1（X轴数据标志）-X轴高八位数据-X轴低八位数据-F2（Y轴数据标志）-Y轴高八位数据-Y轴低八位数据-F3（Z轴数据标志）-Z轴高八位数据-Z轴低八位数据。

这样一来，就能够很清晰的完成数据的区分，数据传输到上位机之后很容易就能够区分开来。

                        

图16

1. 数据发送

这部分主要指FPGA通过UART往上位机发送数据，设计需要注意UART协议的波特率设置，本次我们使用的波特率为9600，8为数据，无校验。

图17

        ​​​​​​​        ​​​​​​​       

图18

整理好的数据存放在FIFO中，TDX拉低之后使fifo的读使能信号拉高一个时钟周期，从fifo读取数据，然后通过串口发送出去，如上图18所示，按照8bit，无校验完成uart的txd信号发送。

• 系统调试

5.1 ICG-20330调试

通过添加在线逻辑分析仪，抓取相关信号，观察信号状态，如下图，为SPI总线的时序观测界面，其中配置数据为0X6b01,转化为2进制0110101100010000

观察mosi波形，和配置数据完全匹配；观察相位和极性，确定SPI模式为MODE3。

因此，该SPI时序设计正确。

图19

5.3 本章总结

本章通过对采集和发送两个最主要的部分进行调试。调试过程中借助VIVADO内部调试工具，可以很清晰直观的看到SPI时序和内部主要信号的状态是否正确。

目前我们能够直观看见SPI时序和寄存器配置部分已经完成，接下来就是FPGA从陀螺仪芯片中读取数。

程序代码及相关文档链接。

：基于FPGA的ICG-20330陀螺仪芯片的驱动程序及相关文档-嵌入式文档类资源-优快云下载