1 项目任务介绍

1.1 任务背景

本项目围绕ADMT4000多圈绝对角度传感器展开，通过SPI通信接口实时读取传感器的单圈角度、多圈角度及累计圈数，并通过串口输出验证其在断电条件下的数据保持能力。

1.2 任务目标

2 项目描述

2.1 项目概述

本项目设计了一套基于ADMT4000多圈绝对角度传感器的实时角度监测系统。系统以ESP32开发板为主控，通过SPI协议与传感器通信，实时采集并显示传感器的单圈角度值和多圈累计圈数。同时，系统验证了 ADMT4000传感器的非易失性数据存储特性，测试了断电前后数据一致性以及断电期间转动角度的记忆能力。

3 硬件介绍

3.1 主控板 — Adafruit ESP32-S3

这个开发板带有原生USB和4mb闪存+ 2mb PSRAM，非常适合与CircuitPython开发。原生USB意味着它可以像键盘或磁盘驱动器一样工作。WiFi意味着它对物联网项目来说非常棒。ESP32-S3是一款高度集成、低功耗、2.4 GHz Wi-Fi/BLE片上系统（SoC）解决方案，内置本地USB以及其他一些有趣的新技术。凭借其最先进的功率和射频性能，该SoC是与物联网（IoT），可穿戴电子产品和智能家居相关的各种应用场景的理想选择。

3.2 角度传感器 — ADMT4000

ADMT4000 是一款 多圈绝对角度传感器，能够在断电后保持位置数据，上电后立即读取当前绝对位置。

寄存器映射

3.3 硬件连接图

3.4 引脚定义

SPI 通信引脚

复位控制引脚（ADMT4000_RST）

人机交互

4 方案设计

4.1 系统框图

5 软件设计

5.1 软件流程图

5.2 主程序代码结构

代码文件列表

关键代码说明

SPI 初始化（code.py）

spi_admt = bitbangio.SPI(
    clock=board.D10,    # 模拟SPI时钟
    MOSI=board.D11,      # 主输出从输入
    MISO=board.D12       # 主输入从输出（可选）
)

cs = board.A5           # 片选引脚

# 初始化ADMT4000
admt4000 = ADMT4000(spi_admt, cs)

使用bitbangio库模拟SPI通信，D10 作为时钟、D11 作为 MOSI、D12 作为 MISO。A5 作为片选信号。

复位控制类（ADMT4000.py）

class ADMT4000_RST:
    def __init__(self, coil_ps_pin=board.A4, shdn_pin=board.A3, rst_pin=board.A2):
        """初始化复位控制引脚"""
        self.coil_ps = digitalio.DigitalInOut(coil_ps_pin)
        self.coil_ps.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
        self.shdn = digitalio.DigitalInOut(shdn_pin)
        self.shdn.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
        self.rst = digitalio.DigitalInOut(rst_pin)
        self.rst.direction = digitalio.Direction.OUTPUT

        # 初始状态
        self.coil_ps.value = False
        self.shdn.value = True   # SHDN默认高（正常工作）
        self.rst.value = True    # RST默认高（正常工作）

初始化三个控制引脚，设置为输出模式，初始值为正常工作状态。

复位流程

def coil_rst(self):
    """执行线圈复位流程"""
    print("开始复位流程...")

    # 1. RST拉低
    self.rst.value = False
    time.sleep(0.01)

    # 2. SHDN拉高 (为线圈供电)
    self.shdn.value = True
    print("线圈充电中...")
    time.sleep(5)  # 等待5秒充电
    self.shdn.value = False

    # 3. COIL_PS拉高 (启动复位)
    self.coil_ps.value = True
    print("触发复位")
    time.sleep(0.02)

    # 4. COIL_PS拉低
    self.coil_ps.value = False

    # 5. RST拉高
    self.rst.value = True
    time.sleep(0.02)

    print("复位完成")

寄存器读取

def read_register(self, reg_addr):
    """从指定寄存器读取数据"""
    self.cs.value = False  # 片选拉低

    while not self.spi.try_lock():
        pass  # 等待SPI锁

    try:
        # 发送读命令：寄存器地址 | 0x01
        tx = bytearray([reg_addr | 0x01, 0x00, 0x00, 0x00])
        rx = bytearray(len(tx))
        self.spi.write_readinto(tx, rx)  # SPI传输
    finally:
        self.spi.unlock()

    self.cs.value = True  # 片选拉高

    # 解析返回数据
    Data1 = rx[1] << 8
    Data1 |= rx[2]
    return int(Data1)

读取寄存器时，发送字节的第一个 bit 必须为 1（表示读操作），后 7 bit 为寄存器地址。

绝对角度解析

def read_absolute_angle(self):
    """读取绝对角度和旋转计数"""
    abs_angle_data = self.read_register(self.ABSANGLE)

    # 解析数据
    turn_count = (abs_angle_data >> 8) / 4  # 高8位/4 = 圈数
    angle = (abs_angle_data & 0x3ff) * 0.351  # 低10位 × 0.351°

    return angle, turn_count

ABSANGLE 寄存器返回 16 位数据，高 8 位表示累计圈数（需除以 4），低 10 位表示当前圈的细分数（乘以 0.351° 得到角度值）。

按键检测与主循环

# 初始化启动按钮
boot_btn = digitalio.DigitalInOut(board.BOOT)
boot_btn.switch_to_input(pull=digitalio.Pull.UP)

reset_in_progress = False

while True:
    # 检测启动按钮按下 (低电平触发)
    if not boot_btn.value and not reset_in_progress:
        reset_in_progress = True
        admt_rst.coil_rst()
        reset_in_progress = False

    # 读取并打印角度数据
    ABSangle, turn_count = admt4000.read_absolute_angle()
    angle = admt4000.read_angle()
    print(f"Abs Angle: {ABSangle:.0f}°, Turn Count: {turn_count}")
    print(f"Angle: {angle:.0f}°")

    time.sleep(1)

6 实物演示及测试结果

数据读取测试

上电后手动旋转传感器，观察串口输出的角度变化。

单圈角度和多圈圈数读取正常，数据随旋转实时更新。

断电数据保持测试

测试方法： 旋转至特定位置后断电，重新上电观察数据。

ADMT4000 传感器具有非易失性数据存储功能，断电后数据完整保留，重新上电即可读取。

断电转动记忆测试

测试方法： 断电期间手动转动传感器，重新上电观察数据变化。

断电期间传感器的转动角度大概是180°，上电后读取的数据包含了断电期间的转动量，实现转动记忆功能。

7 遇到的难点及解决方法

复位操作失败

问题描述： 按下复位按钮后，传感器角度未能归零，复位流程执行但效果不佳。

尝试的解决方案：

经过多次软件调试和时序优化，复位功能仍未能完全实现目标。

8 心得体会

在本次项目实践中，积累了极为宝贵的经验。在软件模拟SPI通信方面，我们不仅深入探究了SPI协议的运作机制，还熟练掌握了bitbangio库的应用技巧，成功实现了通过软件手段模拟硬件通信接口的功能。对于多圈传感器数据处理，我们透彻理解了ADMT4000传感器的数据协议规范，能够精准解析16位寄存器数据，并掌握了单圈角度与多圈累计圈数的精确计算方法。