1 Dokümanın amacı ve kapsamı

Bu doküman, TDK InvenSense ICM-42688-P altı eksenli ataletsel ölçüm biriminin (IMU) ne ölçtüğünü, ölçümlerin hangi fiziksel ve sayısal hatalara açık olduğunu, cihazın register mimarisini ve registerların gömülü yazılımdan nasıl programlanacağını açıklar. Anlatım, bu depodaki Genesys2/Rocket uygulamasına bağlanmıştır; ancak IMU ve register bölümleri başka mikrodenetleyici veya FPGA tasarımlarında da kullanılabilecek şekilde hazırlanmıştır.

Sahadaki cihaz dört ardışık okumada WHO_AM_I = 0x47 döndürmüştür. TDK veri sayfasına göre 0x47, ICM-42688-P cihaz kimliğidir. ICM-42686-P kimliği 0x44 olduğundan bu dokümanın ana cihazı ICM-42688-P’dir. İki cihaz aynı register ailesini büyük ölçüde paylaşsa da tam ölçek aralıkları farklıdır; yazılım cihaz kimliğine göre ölçek seçmelidir.

Bu metin veri sayfasının yerine geçmez. Üretim tasarımında register bitlerinin, elektriksel sınırların ve errata bilgisinin kullanılan silikon revizyonuna ait en güncel TDK belgesiyle yeniden doğrulanması gerekir.

2 IMU nedir?

IMU, cismin doğrusal hareketi ve dönme hareketi hakkında bilgi üreten bir sensör grubudur. ICM-42688-P içinde üç eksenli ivmeölçer, üç eksenli jiroskop ve bir sıcaklık sensörü bulunur:

“Altı eksen” ifadesi üç ivme ve üç açısal hız kanalını anlatır. IMU doğrudan konum, hız veya Euler açısı ölçmez. Bu büyüklükler sensör çıktılarının zaman içinde işlenmesiyle kestirilir.

2.1 İvmeölçer ne ölçer?

MEMS ivmeölçer, küçük bir test kütlesinin gövdeye göre yer değiştirmesinden özgül kuvveti ölçer. Durgun bir sensör de yerçekimi nedeniyle yaklaşık 1 g büyüklüğünde çıktı verir. Örneğin kart yatay ve Z ekseni yukarı bakıyorsa ideal çıktı yaklaşık olarak:

ax ≈ 0 g
ay ≈ 0 g
az ≈ +1 g   (eksen işaretine göre -1 g de olabilir)

Projede gözlenen yaklaşık A=-7,-12,1037 mg sonucu bu davranışla uyumludur: kart hareketsizken Z ekseninde yaklaşık 1.037 g vardır.

İvmeölçer çıktısı yerçekimi ile doğrusal hareketi kendiliğinden ayıramaz. Dünya koordinatında doğrusal ivme elde etmek için önce yönelim kestirilmeli, sonra yerçekimi vektörü gövde koordinatındaki ölçümden çıkarılmalıdır.

2.2 Jiroskop ne ölçer?

MEMS jiroskop, Coriolis etkisini kullanarak eksenler etrafındaki açısal hızı ölçer. Durgun ideal sensörde üç eksen de sıfır olmalıdır; gerçek sensörde bias nedeniyle küçük sıfır dışı değerler görülür. Projedeki yüzlerce mdps düzeyindeki değerler, yaklaşık birkaç onda derece/saniye bias anlamına gelir.

Açı, açısal hızın integraliyle bulunur:

theta[k] = theta[k-1] + omega[k] * dt

Bias da bu denklemde sürekli integre edildiği için yalnız jiroskop kullanılarak bulunan açı zamanla sürüklenir. Bu nedenle ivmeölçer, jiroskop ve gerekirse manyetometre verileri complementary filter, Kalman filter veya quaternion tabanlı bir füzyon algoritmasıyla birleştirilir.

2.3 Gövde koordinat sistemi

Registerlarda görülen X/Y/Z, sensör paketinin kendi gövde koordinatıdır. Kart üzerindeki fiziksel montaj yönü ile aracın veya sistemin koordinatları farklı olabilir. Yazılımda bir eksen dönüşümü gerekir:

v_system = R_mount * v_sensor

Buradaki R_mount, yalnız eksen değiştirme ve işaret tersleme içeriyorsa 0, +1 ve -1 elemanlı bir matristir. Mekanik montaj açılıysa genel bir dönme matrisi veya quaternion kullanılır.

3 IMU ölçüm kavramları

3.1 Full-Scale Range (FSR)

FSR, ADC’nin doyuma ulaşmadan temsil edebildiği pozitif ve negatif ölçüm sınırıdır. ICM-42688-P ivmeölçer için ±2/4/8/16 g; jiroskop için ±15.625 ile ±2000 dps arasında seçenek sunar.

Dar FSR daha yüksek sayısal hassasiyet, geniş FSR ise daha büyük hareketleri doyuma girmeden ölçme avantajı verir. Uygulama beklenen en büyük hareketten biraz daha geniş aralık seçmelidir.

16 bit UI register çıkışında genel dönüşüm:

fiziksel_değer = raw_signed16 * FSR / 32768

Örnek: ±16 g ayarında raw = 2048 ise:

accel_g  = 2048 * 16 / 32768 = 1 g
accel_mg = 1000 mg

3.2 Hassasiyet ve LSB ölçeği

ICM-42688-P 16 bit register çıkışı için ölçek tablosu:

3.3 ODR — Output Data Rate

ODR sensörün saniyede kaç yeni örnek ürettiğini belirtir. SPI saat frekansı ile ODR aynı değildir. SPI, registerların ne kadar hızlı aktarılabildiğini; ODR ise MEMS/ADC/dijital filtre zincirinin ne kadar sık yeni ölçüm ürettiğini belirler.

Örneğin ODR 1 kHz iken registerı 10 kHz hızla okumak aynı örneği birden fazla kez döndürebilir. ODR 1 kHz iken yalnız 100 Hz okumak ise aradaki örnekleri UI register yolunda kaçırır; FIFO etkinse örnekler FIFO’da saklanabilir.

3.4 Bant genişliği ve aliasing

ODR tek başına kullanılabilir sinyal bant genişliğini belirlemez. Nyquist koşulu gereği örnekleme frekansı ölçülecek en yüksek frekansın en az iki katı olmalı, pratikte analog/dijital anti-alias filtre için daha fazla marj bırakılmalıdır.

Titreşim içeren uygulamalarda yanlış ODR veya filtre seçimi, yüksek frekanslı hareketin düşük frekansta sahte bir sinyal olarak görünmesine yol açabilir. ICM-42688-P içindeki UI filtreleri ve anti-alias filtreler uygulamanın gürültü/gecikme gereksinimine göre ayarlanmalıdır.

3.5 Bias, gürültü ve sıcaklık etkisi

Başlıca hata kaynakları:

• Bias: Gerçek giriş sıfırken ölçülen sabit veya yavaş değişen ofset.
• Scale-factor error: Gerçek fiziksel büyüklük ile sayısal ölçek arasındaki oransal hata.
• Noise: Örnekten örneğe rastgele değişim.
• Bias instability: Bias’ın zaman içinde rastgele dolaşması.
• Temperature coefficient: Bias ve hassasiyetin sıcaklıkla değişmesi.
• Cross-axis sensitivity: Bir eksendeki hareketin diğer eksenlerde görülmesi.
• Nonlinearity: Giriş-çıkış ilişkisinin ideal doğrudan sapması.
• Saturation: Giriş FSR sınırını aştığında çıktının üst/alt sınıra yapışması.

Jiroskop bias’ı açı kestiriminde özellikle önemlidir. Durgun başlangıçta yüzlerce örneğin ortalaması alınarak başlangıç bias’ı tahmin edilebilir. Sıcaklık değişen uygulamalarda birden fazla sıcaklık noktasında kalibrasyon tablosu gerekir.

3.6 Quantization ve 16 bit UI verisi

UI registerları iki’nin tümleyeni biçiminde 16 bit veri döndürür. 0x0000 sıfır, 0x7FFF en büyük pozitif, 0x8001 büyük negatif değerdir. 0x8000 bazı sensör durumlarında geçersiz veri işareti olarak görülebilir; fiziksel -FSR ölçümü olarak körlemesine kullanılmamalıdır.

FIFO yüksek çözünürlük biçimi etkinleştirildiğinde ivme ve jiroskop için 16 bitten daha geniş etkin veri taşınabilir. Bu veri UI register okumasından farklı paketlenir ve ayrı parser gerektirir.

4 ICM-42688-P mimarisi

ICM-42688-P içindeki temel veri yolu şöyledir:

MEMS ivmeölçer ─> ADC ─> anti-alias/UI filtre ─┬─> UI accel registerları
                                               ├─> FIFO
MEMS jiroskop  ─> ADC ─> anti-alias/UI filtre ─┤
                                               └─> interrupt/APEX olayları

Sıcaklık sensörü ───────────────────────────────> TEMP_DATA / FIFO

Cihaz, doğrudan UI register okuması veya FIFO üzerinden kullanılabilir:

• UI register yolu: Basit, düşük gecikmeli, tek güncel örneği verir.
• FIFO yolu: İşlemcinin seyrek uyanmasına, örnek kaybını azaltmaya, timestamp ve yüksek çözünürlük verisi taşımaya uygundur.

4.1 Cihaz kimliği

Sahada 0x47 okunduğu için ölçekler ICM-42688-P’ye göre uygulanmalıdır. 0x47 değerini 0x44 bekleyen kodla hata saymak, doğru çalışan SPI bağlantısını yanlış teşhis eder.

5 Register bank kavramı

ICM-42688-P’nin register adres alanı bankalara ayrılır. Aynı 8 bit offset, farklı bankalarda farklı registera karşılık gelebilir. Aktif banka REG_BANK_SEL (0x76) ile seçilir.

REG_BANK_SEL[2:0]
000 -> Bank 0
001 -> Bank 1
010 -> Bank 2
011 -> Bank 3
100 -> Bank 4

Bank 0; güç, ODR, FSR, UI sensör verisi, FIFO ve interrupt gibi normal çalışma registerlarını içerir. Diğer bankalar daha çok anti-alias filtre, self-test ve APEX ayrıntıları içindir.

Sağlam sürücü tasarımı aktif bankayı yazılımda takip etmeli ve genel ölçüm fonksiyonlarına dönmeden önce Bank 0’a dönmelidir. Aksi halde 0x4E gibi bir offset yanlış bankadan okunabilir.

5.1 Register erişim türleri

Reserved bitlere veri sayfasında belirtilmeyen değer yazılmamalıdır. Read-modify-write yapılırken reserved bitler korunmalı; sensör çalışırken değiştirilebilen registerlar hakkındaki veri sayfası kısıtlarına uyulmalıdır.

6 SPI register protokolü

ICM-42688-P dört telli SPI’da CS, SCLK, SDI/MOSI ve SDO/MISO hatlarını kullanır. Register komut byte’ının bit 7’si yön bilgisidir:

Okuma komutu : 0x80 | (register_offset & 0x7F)
Yazma komutu :         register_offset & 0x7F

Tek register okuma örneği:

CS = 0
TX: 0xF5       // 0x80 | WHO_AM_I(0x75)
TX: 0xFF       // dummy byte
RX: 0x47       // ikinci byte sırasında alınır
CS = 1

Çok byte sensör verisi tek CS penceresinde burst okunmalıdır:

CS = 0
TX: 0x80 | 0x1D
RX: TEMP_H, TEMP_L, AX_H, AX_L, AY_H, AY_L, AZ_H, AZ_L,
    GX_H, GX_L, GY_H, GY_L, GZ_H, GZ_L
CS = 1

Adres otomatik ilerlediği için 0x1D’den başlayan 14 byte okuma, sıcaklık ve altı ekseni aynı ölçüm grubunda taşır. Her 16 bit değer varsayılan durumda high-byte önce olacak şekilde birleştirilir.

6.1 SPI mode konusu

DEVICE_CONFIG.SPI_MODE reset değeri 0’dır ve sensör Mode 0/Mode 3 kabul eder. Bit 4’e 1 yazılırsa Mode 1/Mode 2 seçilir. Sahadaki deneyde sensör varsayılan modda dört kez 0x47 döndürmüş, SPI_MODE=1 yazıldıktan sonra okumalar 0x00 olmuştur. Bu nedenle mevcut FPGA bitstream ile bu bit değiştirilmemelidir.

Bu bulgu önemlidir: registera yazılan değerin mantıksal olarak doğru görünmesi, master ve slave edge zamanlaması uyuşmuyorsa haberleşmeyi bozabilir.

7 Bank 0 register haritası — temel alanlar

Aşağıdaki tablo normal sürücü geliştirme için en önemli Bank 0 registerlarını özetler.

8 Temel registerların bit düzeyinde açıklaması

8.1 DEVICE_CONFIG — 0x11

Soft reset sonrası en az 1 ms register erişimi yapılmamalıdır. Reset SPI mode bitini de reset değerine döndürdüğü için master’ın hangi mode ile devam edeceği önceden planlanmalıdır.

Bu projede mevcut bitstream ile SPI_MODE=1 yazılmamalıdır.

8.2 INT_CONFIG — 0x14

INT1 ve INT2 pinlerinin elektriksel davranışını belirler. Her pin için üç kavram vardır:

• Polarity: Aktif-high veya aktif-low.
• Drive circuit: Push-pull veya open-drain.
• Mode: Pulse veya latched davranış.

Open-drain seçilirse harici pull-up gerekir. FPGA Pmod girişinde push-pull, aktif-high pulse çoğu basit uygulama için kolaydır; ancak registerın tam değeri kullanılan interrupt temizleme akışıyla birlikte seçilmelidir.

8.3 INT_STATUS — 0x2D

Projede gözlenen INT_STATUS=0x08, DATA_RDY_INT bitinin set olduğunu ve yeni UI sensör verisinin hazır olduğunu gösterir. Register R/C olduğundan debug amaçlı fazladan okuma interrupt bilgisini tüketebilir.

8.4 SIGNAL_PATH_RESET — 0x4B

Bu register sürekli konfigürasyon tutmaktan çok komut üretir. Önemli işlemler:

• FIFO flush,
• timestamp strobe,
• signal-path abort/reset,
• DMP başlatma veya bellek reset işlemleri.

FIFO flush sırasında sensör ve FIFO durumu veri sayfasındaki sıraya göre yönetilmelidir. W/C registera read-modify-write uygulanması genellikle doğru değildir; gerekli komut biti doğrudan yazılır.

8.5 INTF_CONFIG0 — 0x4C

Bu register FIFO sayacının birim/endian yorumunu ve sensör verisinin byte sırasını etkiler. Varsayılan register veri sırası high-byte/low-byte olarak kullanılmaktadır. Endian ayarı değiştirilirse hem UI verisi hem FIFO parser’ı gözden geçirilmelidir.

Bir byte-order hatası tipik olarak tamamen sıfır yerine anlamsız fakat değişen büyük sayılar üretir. Örneğin gerçek 0x0400 değeri ters birleştirilirse 0x0004 olur.

8.6 PWR_MGMT0 — 0x4E

0x0F yazmak gyro ve accel’i low-noise moduna alır ve sıcaklık sensörünü açık bırakır:

0x0F = 0000_1111b
             ^^ accel LN
           ^^   gyro LN

OFF’tan aktif moda geçerken veri sayfasındaki başlangıç süreleri beklenmelidir. Proje kodu gyro’nun kararlı hale gelmesi için 50 ms bekler. İlk örnekler DATA_RDY görülmeden kullanılmamalıdır.

8.7 GYRO_CONFIG0 — 0x4F

bit 7:5  GYRO_FS_SEL
bit 4    reserved
bit 3:0  GYRO_ODR

8.7.1 GYRO_FS_SEL

8.7.2 GYRO_ODR

Reset değeri 0x06, ±2000 dps ve 1 kHz anlamına gelir.

8.8 ACCEL_CONFIG0 — 0x50

bit 7:5  ACCEL_FS_SEL
bit 4    reserved
bit 3:0  ACCEL_ODR

8.8.1 ACCEL_FS_SEL

8.8.2 ACCEL_ODR

0x1–0xB ve 0xF kodları gyro tablosuyla aynıdır. Accel low-power modunda ayrıca:

Reset değeri 0x06, ±16 g ve 1 kHz anlamına gelir.

8.9 FIFO_CONFIG1 — 0x5F

FIFO’ya hangi kaynakların yazılacağını belirleyen ana registerdır. Alanlar; accel, gyro, sıcaklık, timestamp/FSYNC ve yüksek çözünürlük verisinin eklenmesini kontrol eder. FIFO kullanılmadan önce şu kararlar verilmelidir:

1. Packet formatı 16 bit mi high-resolution mı?
2. Accel ve gyro birlikte mi, ayrı mı?
3. Sıcaklık ve timestamp gerekli mi?
4. FIFO count byte mı packet mı sayacak?
5. Watermark kaç örnek olacak?
6. Overflow davranışı stream mi stop-on-full mı olacak?

Parser, konfigürasyondan bağımsız yazılmamalıdır; packet header’daki geçerlilik ve format bitlerini kontrol etmelidir.

8.10 WHO_AM_I — 0x75

Read-only cihaz kimliğidir. Güç açıldıktan sonra sürücünün ilk doğrulaması olmalıdır.

ICM-42688-P -> 0x47
ICM-42686-P -> 0x44

Beklenmeyen değer durumunda sensör konfigürasyonu yazılmamalıdır. 0x00 genellikle MISO’nun düşük kalması, CS/power problemi veya yanlış SPI mode; 0xFF ise MISO’nun pull-up ile boşta kalması/CS seçilmemesi belirtisi olabilir.

9 Sensör verisi registerları

9.1 Burst veri düzeni

TEMP_DATA1 (0x1D) adresinden 14 byte burst okumanın düzeni:

High ve low byte birleştirme:

static int16_t be16(const uint8_t *p)
{
    return (int16_t)(((uint16_t)p[0] << 8) | p[1]);
}

Cast’in en sonda int16_t yapılması, negatif iki’nin tümleyeni değerlerinin doğru yorumlanmasını sağlar.

9.2 Sıcaklık dönüşümü

16 bit sıcaklık registerı için projede kullanılan dönüşüm:

T_degC = raw_temp / 132.48 + 25

Floating point kullanmadan milli-degree Celsius:

temp_mC = 25000 + ((int64_t)raw_temp * 100000) / 13248;

Sıcaklık registerı ortam sıcaklığı termometresi olarak değil, öncelikle sensör bias/sensitivity sıcaklık kompanzasyonu için düşünülmelidir.

9.3 İvme dönüşümü

Genel formül:

accel_mg = ((int64_t)raw * accel_full_scale_mg) / 32768;

ICM-42688-P reset FSR için:

accel_full_scale_mg = 16000;

FSR registerı değiştirilirse yazılım ölçeği de aynı anda güncellenmelidir. En güvenilir yöntem, kullanılan ölçeği yalnız sabit bir cihaz adına göre değil ACCEL_CONFIG0[7:5] read-back değerine göre hesaplamaktır.

9.4 Jiroskop dönüşümü

gyro_mdps = ((int64_t)raw * gyro_full_scale_mdps) / 32768;

ICM-42688-P reset FSR için:

gyro_full_scale_mdps = 2000000;

mdps / 1000 sonucu derece/saniyedir. Kontrol ve füzyon algoritmaları genellikle rad/s ister:

gyro_rad_s = gyro_dps * pi / 180

10 FIFO kavramı ve kullanımı

FIFO, host işlemcisinin her ODR periyodunda register okumak zorunda kalmasını önler. Sensör örnekleri FIFO’ya yazar; host watermark interrupt geldiğinde bir blok veriyi burst okur.

10.1 FIFO kullanmanın avantajları

• Host CPU/FPGA yazılımının uyanma sayısını azaltır.
• SPI üzerindeki anlık gecikmelerde örnek kaybını azaltır.
• Accel ve gyro örneklerini packet içinde birlikte taşır.
• Timestamp ile daha doğru dt hesabı sağlar.
• High-resolution veriye erişim sağlar.

10.2 FIFO count

FIFO_COUNTH/L okunarak hazır veri miktarı belirlenir. Count’un byte veya record biriminde yorumlanması INTF_CONFIG0 ayarına bağlıdır. Sürücü bu ayarı bilmeden sayacı doğrudan “örnek sayısı” kabul etmemelidir.

10.3 FIFO watermark

Watermark, FIFO belirli doluluk seviyesine ulaştığında interrupt üretir. Küçük watermark düşük gecikme fakat fazla interrupt; büyük watermark daha verimli burst fakat daha yüksek gecikme üretir.

Örnek seçim:

ODR = 1 kHz
Watermark = 20 packet
Yaklaşık interrupt periyodu = 20 ms

10.4 FIFO overflow ve kayıp packet

Host FIFO’yu yeterince hızlı boşaltmazsa overflow oluşabilir. FIFO_FULL_INT, FIFO lost-packet registerları ve packet header geçerliliği izlenmelidir. Overflow sonrası eski/yeni veri politikasına göre FIFO flush ve yeniden başlatma gerekebilir.

11 Interrupt sistemi

ICM-42688-P iki interrupt çıkışı sağlar. Bir olayın pine ulaşması için üç katman doğru ayarlanmalıdır:

1. Olayın üreten fonksiyonu etkin olmalı.
2. Olay INT_SOURCE* registerıyla INT1 veya INT2’ye yönlendirilmeli.
3. INT_CONFIG elektriksel/pulse davranışı FPGA girişine uygun olmalı.

Basit data-ready akışı:

Accel/Gyro etkinleştir
        ↓
INT_SOURCE0 içinde DATA_RDY -> INT1 yönlendir
        ↓
INT1 kenarı FPGA PLIC interrupt üretir
        ↓
ISR INT_STATUS okur
        ↓
0x1D'den 14 byte burst okur

Projede pmod_irq, Genesys2 JC9 pininden PLIC interrupt ID 11’e bağlanmıştır. Polling testinde bu hat kullanılmasa da üretim sürücüsü için data-ready veya FIFO watermark interrupt tercih edilebilir.

12 APEX ve hareket olayları

APEX, TDK’nin cihaz içi hareket işleme bloğudur. Temel olaylar cihaz/silikon varyantına göre adım sayma, tilt, tap, wake-on-motion ve significant-motion detection içerir.

APEX kullanımında yalnız bir enable biti yazmak genellikle yeterli değildir. Gerekli sıra:

1. Accel ODR ve güç modunu APEX gereksinimine uygun seçmek.
2. APEX/DMP parametrelerini Bank 4 registerlarında yapılandırmak.
3. DMP init işlemini başlatmak ve hazır durumunu beklemek.
4. İlgili olayı INT1/INT2’ye yönlendirmek.
5. APEX_DATA* ve INT_STATUS2/3 registerlarını doğru temizleme semantiğiyle okumak.

APEX parametreleri normal accel/gyro UI sürücüsünden ayrı bir modül olarak ele alınmalıdır.

13 Self-test

Self-test, sensör MEMS ve analog zincirine dahili uyarım uygulayarak cevabın beklenen aralıkta olup olmadığını kontrol eder. Kalibrasyonla aynı şey değildir.

Genel işlem:

1. Sensörü kararlı güç/ODR/FSR koşuluna getir.
2. Self-test kapalı çok sayıda örneğin ortalamasını al.
3. SELF_TEST_CONFIG ve gerekli Bank 1/2 registerlarıyla uyarımı etkinleştir.
4. Veri sayfasındaki yerleşme süresini bekle.
5. Self-test açık ortalamayı al.
6. Açık-kapalı farkını factory self-test kodları ve kabul limitleriyle karşılaştır.
7. Self-test bitlerini kapatıp normal konfigürasyonu geri yükle.

Self-test sırasında kart hareket etmemelidir. Yanlış FSR/ODR/filtreyle alınan sonuç doğru limitlerle karşılaştırılamaz.

14 Güvenilir başlatma sırası

Önerilen UI register okuma sırası:

1. DK/IMU gücünü ve VDDIO seviyesini doğrula
2. CS high ve SCLK idle durumunu oluştur
3. Güç açılışından sonra register erişim süresini bekle
4. REG_BANK_SEL = 0 yaz
5. WHO_AM_I oku
   - 0x47: ICM-42688-P
   - 0x44: ICM-42686-P
   - başka değer: dur ve hata raporla
6. DEVICE_CONFIG.SPI_MODE değerini değiştirme
7. GYRO_CONFIG0 ve ACCEL_CONFIG0 ile FSR/ODR seç
8. Gerekli filtreleri sensörler kapalıyken yapılandır
9. PWR_MGMT0 = 0x0F ile accel+gyro LN aç
10. En az gerekli startup süresini bekle
11. INT_STATUS.DATA_RDY bekle
12. 0x1D'den 14 byte burst oku
13. 0x8000 geçersiz kodlarını kontrol et
14. FSR read-back değerine göre fiziksel birime dönüştür

Sensör çalışırken veri sayfasının izin vermediği konfigürasyon registerları değiştirilecekse accel ve gyro kapatılmalı, registerlar yazılmalı ve sensörler yeniden açılmalıdır.

15 Bu projedeki C sürücüsüyle eşleme

Uygulama kaynakları:

soc/software/pmod_spi_test/main.c
soc/software/bsp/drivers/pmod_spi.c
soc/software/bsp/include/bsp/pmod_spi.h

15.1 FPGA SPI MMIO registerları

PMOD SPI tabanı 0x10015000’dir:

SPI IP 50 MHz fabric clock ve sabit 8 divider ile yaklaşık 3.125 MHz SCK üretir. Bu değer ICM-42688-P’nin 24 MHz üst sınırının altındadır.

15.2 Register okuma fonksiyonu

static void icm_read_regs(uint8_t reg, uint8_t *data, unsigned len)
{
    bsp_pmod_spi_select();
    delay_us(10u);
    (void)bsp_pmod_spi_xfer8(reg | 0x80u);
    delay_us(10u);

    for (unsigned i = 0; i < len; ++i) {
        data[i] = bsp_pmod_spi_xfer8(0xffu);
        delay_us(10u);
    }

    bsp_pmod_spi_deselect();
    delay_us(10u);
}

Burada CS tüm komut+veri boyunca low kalır. 0x80 read bitidir. Dummy 0xFF byte’ları SCLK üretmek için gönderilir.

15.3 Register yazma fonksiyonu

static void icm_write_reg(uint8_t reg, uint8_t value)
{
    bsp_pmod_spi_select();
    delay_us(10u);
    (void)bsp_pmod_spi_xfer8(reg & 0x7fu);
    delay_us(10u);
    (void)bsp_pmod_spi_xfer8(value);
    delay_us(10u);
    bsp_pmod_spi_deselect();
    delay_us(10u);
}

Birden fazla register yazılacaksa her registerın erişim ve çalışma sırasında değiştirilebilme kuralı ayrı değerlendirilmelidir.

16 Sahada görülen sonuçların yorumlanması

16.1 WHO_AM_I: 47 47 47 47

Bu en güçlü olumlu işarettir:

• Sensör besleniyor.
• CS doğru sensörü seçiyor.
• SCK sensöre ulaşıyor.
• MOSI komut byte’ını taşıyor.
• MISO veriyi geri getiriyor.
• Aktif sensör ICM-42688-P.

16.2 Mode yazısından sonra 0x00

Önce 0x47, DEVICE_CONFIG.SPI_MODE=1 yazısından sonra 0x00 görülmesi, fiziksel bağlantının değil SPI edge eşleşmesinin bozulduğunu gösterir. Çözüm registerı reset değeri 0x00’da bırakmaktır.

16.3 Geçerli ölçümler

T ≈ 26 °C
A ≈ -7, -12, 1037 mg
G ≈ -122, -488, 488 mdps
INT_STATUS = 0x08

Bu örneklerde Z ekseninin yaklaşık +1 g göstermesi ve DATA_RDY bitinin set olması sensörün normal örnek ürettiğini gösterir.

16.4 Daha sonra tüm kanallarda alt sınır

A = -16000,-16000,-16000 mg
G = -2000000,-2000000,-2000000 mdps

Bu değerler her raw kanalın 0x8000 döndürdüğünü gösterir. Fiziksel olarak altı eksenin aynı anda tam negatif FSR’a gitmesi gerçekçi değildir; geçersiz veri/sensörün kapanması olarak ele alınmalıdır. Olası nedenler:

• SAMG55 resetten çıkıp aynı sensörü yeniden yapılandırıyor.
• PWR_MGMT0 başka master tarafından değiştiriliyor.
• Sensör geçici reset veya güç kesintisi görüyor.
• Yanlış bankta kalındı veya konfigürasyon çalışma sırasında bozuldu.
• Burst sırasında bus contention oluşuyor.

Üretim kodu 0x8000 değerini ölçüm olarak yayınlamamalı; hata sayacı artırıp WHO_AM_I, PWR_MGMT0, GYRO_CONFIG0, ACCEL_CONFIG0 ve aktif bankı yeniden okumalıdır.

17 IMU’dan alınabilen bilgi türleri

Accel ve gyro UI registerları bir yönelim açısı değildir. Roll/pitch/yaw, hız veya konum üretmek için bu ham bilgiler bir algoritmada işlenmelidir. Sıcaklık verisi de doğrudan ortam termometresi doğruluğu garanti etmez.

17.1 Önerilen yazılım örnek yapısı

typedef struct {
    uint64_t host_time_ticks;
    uint16_t sensor_timestamp;
    int16_t temp_raw;
    int16_t accel_raw[3];
    int16_t gyro_raw[3];
    int32_t temp_mC;
    int32_t accel_mg[3];
    int32_t gyro_mdps[3];
    uint8_t int_status;
    uint8_t valid;
} imu_sample_t;

Ham verinin fiziksel verinin yanında saklanması hata ayıklama ve daha sonra yeniden kalibrasyon için faydalıdır. valid, WHO_AM_I, data-ready, 0x8000 kontrolü ve bus hata durumlarından üretilmelidir.

18 Kalibrasyon ve doğrulama

Kalibrasyon, sensör çıktısını gerçek fiziksel değere daha iyi yaklaştıran katsayıların ölçülmesidir. Kalibrasyon register konfigürasyonu veya self-test ile aynı şey değildir:

• Register konfigürasyonu: FSR, ODR, filtre ve güç modu seçer.
• Self-test: MEMS/analog zincirin cevap verip vermediğini sınar.
• Kalibrasyon: Bias, scale ve eksen hatalarını ölçüp düzeltme katsayısı üretir.

Kalibrasyon boyunca FSR, ODR, filtre, güç modu ve besleme sabit tutulmalıdır. Katsayılar hangi konfigürasyonda üretildiyse kayıt altına alınmalıdır.

18.1 Kalibrasyondan önce hazırlanacak registerlar

Örnek bir başlangıç noktası:

REG_BANK_SEL   = 0x00   Bank 0
GYRO_CONFIG0   = 0x06   ±2000 dps, 1 kHz
ACCEL_CONFIG0  = 0x06   ±16 g, 1 kHz
PWR_MGMT0      = 0x0F   Accel LN + Gyro LN

Kalibrasyonda dar FSR daha yüksek çözünürlük sağlayabilir. Örneğin yavaş sistemlerde gyro ±250 dps ve accel ±2 g seçilebilir. FSR değiştirilirse dönüşüm katsayıları da değişmelidir.

18.2 1. Jiroskop sıfır bias kalibrasyonu

18.2.1 Koşullar

• Kart tamamen sabit tutulur.
• Titreşim ve masa hareketi azaltılır.
• Gyro açıldıktan sonra en az başlangıç süresi beklenir; daha iyi sonuç için termal denge beklenir.
• DATA_RDY ile yeni örnekler alınır.
• 0x8000 ve bus hatalı örnekler dışlanır.

18.2.2 Hesap

Her eksen için N örnek ortalaması:

b_gx = (gx[0] + gx[1] + ... + gx[N-1]) / N
b_gy = mean(gy)
b_gz = mean(gz)

N için 2000–10000 örnek pratik bir başlangıçtır. 1 kHz ODR’de 5000 örnek yaklaşık 5 saniyedir.

Düzeltilmiş gyro:

g_corrected_raw = g_raw - b_g

vektörel biçimde:

omega_corrected = Sg * (omega_raw - bg)

Burada bg üç eksenli bias, Sg ise scale/misalignment matrisidir. Basit kalibrasyonda Sg birim matris kabul edilir.

18.2.3 Kalite kontrolü

Bias çıkarıldıktan sonra durgun ortalama sıfıra yakın olmalıdır. Standart sapma bias değildir; gürültüyü gösterir. Ortalama değişmeye devam ediyorsa sensör termal dengeye ulaşmamış veya platform hareket ediyor olabilir.

18.3 2. İvmeölçer altı-yüz kalibrasyonu

Yerçekimi hassas bir referans olarak kullanılır. Kart sırayla altı sabit pozisyonda tutulur:

+X yukarı, -X yukarı,
+Y yukarı, -Y yukarı,
+Z yukarı, -Z yukarı

Her pozisyonda 1000–5000 yeni örnek ortalaması alınır. Örneğin X ekseni için:

x_plus  = +X yukarı konumundaki ortalama raw X
x_minus = -X yukarı konumundaki ortalama raw X

Bias:

b_x = (x_plus + x_minus) / 2

Ölçülen counts-per-g:

s_x = (x_plus - x_minus) / 2

Düzeltilmiş ivme:

a_x_g = (raw_x - b_x) / s_x

Aynı işlem Y ve Z için uygulanır. İdeal ±16 g ayarında s_x, s_y, s_z yaklaşık 2048 LSB/g olmalıdır.

18.3.1 Örnek

x_plus  = +2070
x_minus = -2026

b_x = (2070 - 2026) / 2 = 22 LSB
s_x = (2070 - (-2026)) / 2 = 2048 LSB/g

Bu durumda:

a_x_g = (raw_x - 22) / 2048

18.4 3. Cross-axis ve misalignment kalibrasyonu

Basit altı-yüz yöntemi her ekseni bağımsız düzeltir. Daha yüksek doğrulukta eksenler arası kuplaj ve mekanik montaj açısı 3×3 matrisle modellenir:

a_cal = Ma * (a_raw - ba)

Ma matrisinin diagonal elemanları scale-factor, diagonal dışı elemanları cross-axis/misalignment düzeltmesidir. Katsayılar, birden fazla bilinen yönelimde ölçülen yerçekimi vektörlerine least-squares uygulanarak bulunabilir.

Sensör-kart montaj dönüşümü kalibrasyon matrisinden ayrı tutulabilir:

a_system = R_mount * a_cal
omega_system = R_mount * omega_cal

Bu ayrım aynı kalibrasyonun farklı mekanik yerleşimlerde kullanılmasını kolaylaştırır.

18.5 4. Jiroskop scale-factor kalibrasyonu

Gyro scale kalibrasyonu için bilinen açısal hız üreten bir rate table en güvenilir yöntemdir. Her eksende pozitif ve negatif bilinen hız uygulanır:

measured_plus  = +known_rate ölçüm ortalaması
measured_minus = -known_rate ölçüm ortalaması

Bias ve scale:

bias  = (measured_plus + measured_minus) / 2
scale = (2 * known_rate) / (measured_plus - measured_minus)

Rate table yoksa belirli bir açıyı hassas sürede döndürme yöntemi kullanılabilir, ancak zamanlama ve mekanik hata daha büyüktür.

18.6 5. Sıcaklık kalibrasyonu

Gyro bias ve accel bias sıcaklıkla değişebilir. Sıcaklık kompanzasyonu için cihaz kontrollü sıcaklıklarda sabit tutulur ve her sıcaklıkta bias ölçülür.

Basit lineer model:

bias(T) = b0 + k1 * (T - T0)

İkinci dereceden model:

bias(T) = b0 + k1*(T-T0) + k2*(T-T0)^2

Her eksen için ayrı b0, k1, gerekirse k2 bulunur. Çalışma sırasında TEMP_DATA1/0 okunur ve anlık bias hesaplanır:

gyro_corr = gyro_raw - gyro_bias(temp_C)

Sıcaklık kabini yoksa kontrollü ısınma/soğuma testi yapılabilir; fakat kartın gerçekten sabit kalması, yoğuşma ve sıcaklık gradyanı dikkate alınmalıdır. Sensör iç sıcaklığı ile ortam sıcaklığı aynı olmayabilir.

18.7 6. Gürültü ve tekrarlanabilirlik ölçümü

Durgun veri için her eksende:

mean = sum(x_i) / N
variance = sum((x_i - mean)^2) / (N-1)
sigma = sqrt(variance)

Rapor şu metadata ile saklanmalıdır:

• WHO_AM_I ve cihaz seri/lot bilgisi,
• FSR ve ODR,
• filtre registerları,
• güç modu,
• sıcaklık,
• örnek sayısı,
• gerçek örnek zaman aralığı,
• ortalama, standart sapma, minimum ve maksimum.

ODR veya filtre değiştiğinde gürültü sonucu da değişir.

18.8 7. Allan variance

Saatler mertebesinde durgun gyro verisine Allan deviation uygulanarak angle random walk, bias instability ve rate random walk davranışları ayrıştırılabilir. Bu analiz kısa bir standart sapma testinden farklıdır ve doğru timestamp gerektirir.

18.9 8. Zaman tabanı kalibrasyonu

Yönelim integrasyonunda nominal dt yerine sensör timestamp veya ölçülmüş donanım zamanı kullanılmalıdır:

dt = (timestamp[k] - timestamp[k-1]) * timestamp_resolution

Timestamp wrap-around unsigned aritmetikle ele alınmalıdır. ODR’nin nominal değerindeki ppm hata uzun süreli açı/hız hesabını etkileyebilir.

18.10 9. Kalibrasyon verisini saklama

Kalibrasyon kaydı cihaz ve konfigürasyonla birlikte saklanmalıdır:

typedef struct {
    uint32_t magic;
    uint16_t version;
    uint8_t who_am_i;
    uint8_t gyro_fs_sel;
    uint8_t accel_fs_sel;
    uint8_t gyro_odr;
    uint8_t accel_odr;
    int32_t gyro_bias_raw[3];
    int32_t accel_bias_raw[3];
    float gyro_matrix[3][3];
    float accel_matrix[3][3];
    float mount_matrix[3][3];
    float gyro_temp_k1[3];
    float gyro_temp_k2[3];
    float reference_temp_C;
    uint32_t crc32;
} imu_calibration_t;

WHO_AM_I, FSR veya sensör değişirse uyumsuz kalibrasyon reddedilmelidir. CRC, bozulmuş flash kaydının kullanılmasını engeller.

18.11 10. Kalibrasyon sonrası kabul testleri

1. Altı accel yönünde düzeltilmiş büyüklük |a| yaklaşık 1 g olmalı.
2. Durgun gyro ortalaması sıfıra yakın olmalı.
3. Pozitif/negatif eksen işaretleri mekanik koordinat tanımıyla uyumlu olmalı.
4. Tekrarlanan power-cycle sonrası bias kabul sınırında olmalı.
5. Birkaç sıcaklık noktasında kompanzasyon hatayı azaltmalı.
6. FIFO ve UI register yolu aynı fiziksel sonucu üretmeli.
7. 0x8000, FIFO invalid flag veya overflow örnekleri kalibrasyon hesabına alınmamalı.

19 Hata ayıklama tablosu

20 Uygulama için önerilen sürücü katmanları

Kod büyüdüğünde tek main.c yerine şu katmanlar önerilir:

icm4268x_bus.c
  - SPI select/deselect
  - read/write/burst

icm4268x_regs.h
  - offsetler
  - bit maskeleri
  - enum FSR/ODR değerleri

icm4268x_core.c
  - probe/WHO_AM_I
  - reset/init
  - power, FSR, ODR
  - UI sample read

icm4268x_fifo.c
  - FIFO configure
  - packet parser
  - overflow recovery

icm4268x_irq.c
  - data-ready/FIFO/APEX routing

imu_calibration.c
  - bias/scale/mount matrix

Her register yazısından sonra körlemesine read-back yapmak da doğru değildir; W/C ve R/C registerlar farklı semantiğe sahiptir. Register metadata tablosunda erişim türü tutulması sürücü hatalarını azaltır.

21 Kısa kontrol listesi

[ ] WHO_AM_I dört okumada kararlı mı?
[ ] 0x47 cihazı ICM-42688-P olarak kabul ediliyor mu?
[ ] DEVICE_CONFIG.SPI_MODE reset değerinde mi?
[ ] REG_BANK_SEL Bank 0 mı?
[ ] PWR_MGMT0 read-back 0x0F mı?
[ ] GYRO_CONFIG0 ve ACCEL_CONFIG0 ölçekle uyumlu mu?
[ ] INT_STATUS.DATA_RDY bekleniyor mu?
[ ] 14 byte tek CS ile burst okunuyor mu?
[ ] 16 bit değerler signed ve doğru endian ile birleşiyor mu?
[ ] raw 0x8000 geçersiz olarak filtreleniyor mu?
[ ] SAMG55 aynı SPI bus'ı sürmüyor mu?
[ ] FIFO kullanılıyorsa overflow ve packet header kontrolü var mı?
[ ] Bias, sıcaklık ve montaj ekseni kalibrasyonu uygulanıyor mu?

22 Kaynaklar

1. TDK InvenSense, ICM-42688-P Datasheet, DS-000347.
   https://invensense.tdk.com/wp-content/uploads/2020/04/ds-000347_icm-42688-p-datasheet.pdf

2. TDK Product Center, ICM-42688-P Detailed Information.
   https://product.tdk.com/en/search/sensor/mortion-inertial/imu/info?part_no=ICM-42688-P

3. TDK InvenSense, ICM-42686-P Datasheet, DS-000348.
   https://invensense.tdk.com/wp-content/uploads/documentation/ds-000348__icm-42686-p-datasheet.pdf

4. TDK InvenSense, SmartMotion Development Platform (Ver. G) Hardware User Guide, AN-000300 Rev. 1.2.
   https://invensense.tdk.com/wp-content/uploads/2021/09/AN-000300-SmartMotion-Development-Platform-Ver.-G-Hardware-User-Guide-v1.2.pdf

5. Proje kaynakları: soc/software/pmod_spi_test/main.c, soc/software/bsp/drivers/pmod_spi.c, hardware/soc/scala/fpga/VCU118Peripherals.scala ve Genesys2 PMOD XDC dosyaları.

Doküman sürümü: 1.0 — Sahada okunan ICM-42688-P (WHO_AM_I=0x47) ve mevcut Genesys2/Rocket yazılımı temel alınmıştır.