STM32G431CBU6 离线 IMU 记录器

基于 STM32G431CBU6 + ICM-42688-P + W25Q64 的离线六轴数据记录器。 脱离电脑用电池供电时，按一下按键即可 500 Hz 采样 10 秒并把数据写入板载 SPI Flash； 之后接上电脑，通过串口或 SWD 把记录导出成 CSV，并可用自带的 GUI 实时看姿态 / 回放 CSV。

功能特性

• 500 Hz 采样、连续 10 秒（5000 个样本），TIM6 硬件定时，非 HAL_Delay 凑时序
• 双页缓冲 + 异步页写，实测 0 丢点、最大任务延迟 2 µs
• 数据先落 W25Q64（80 KB / 20 个扇区），掉电不丢
• 完整记录后才写 metadata（magic + CRC32），中途断电不会被当成有效记录
• Mahony 姿态解算（加速度计 + 陀螺仪）
• 上电陀螺零偏标定，抑制偏航漂移
• 支持按键 / 串口命令 / 调试器三种触发方式
• 自带 3D 实时姿态 GUI、CSV 导出、CSV 离线回放工具

硬件连接

功能	MCU 引脚	外设
ICM-42688-P	PB3 SCK / PB4 MISO(SDO) / PB5 MOSI(SDI) / PB6 CS	SPI1（Mode 0，~664 kHz）
ICM-42688-P INT1	PB7	暂未使用
W25Q64JV	PB13 SCK / PB14 MISO / PB15 MOSI / PB12 CS	SPI2（Mode 0，~5.3 MHz）
调试串口	PA9 TX / PA10 RX	USART1，115200 8N1
用户按键	PB10（默认，可在 main.h 改）	低电平有效，内部上拉
SWD	PA13 SWDIO / PA14 SWCLK	ST-Link

注意：

• PB4 / PB6 同时是 UCPD 的 CC2 / CC1，复位后默认带约 5 kΩ 下拉，固件已在 HAL_Init() 之后调用 HAL_PWREx_DisableUCPDDeadBattery() 关闭。
• IMU 模块是 5 V 供电经板载 LDO，不要只给 3.3 V。

目录结构

Core/                     应用与驱动
  Src/main.c              时钟、GPIO、SPI1 初始化
  Src/logger.c            录制状态机、双缓冲、metadata、UART 命令
  Src/icm42688.c          ICM-42688-P SPI 驱动
  Src/w25q64.c            W25Q64 SPI Flash 驱动
  Src/mahony.c            Mahony 姿态解算
  Src/uart_link.c         USART1 + printf 重定向
  Src/imu_diag.c          可选的 IMU 采样诊断
Drivers/                  STM32G4 HAL + CMSIS
docs/                     设计与问题记录
tools/                    上位机脚本与诊断工具
exports/                  示例导出数据
CMakeLists.txt            CMake 构建脚本
STM32G431CBU6_FLASH.ld    链接脚本（128 KB Flash / 32 KB RAM）

编译

需要的工具：

• arm-none-eabi-gcc（Arm GNU Toolchain）
• CMake ≥ 3.20
• Ninja

cmake --preset Debug
cmake --build --preset Debug

产物在 build/Debug/：g431_imu.elf、.hex、.bin、.map。

烧录与调试

openocd -f interface/stlink.cfg -f target/stm32g4x.cfg \
  -c "adapter speed 1000; program build/Debug/g431_imu.elf verify reset exit"

VSCode 里已配置好任务与调试（.vscode/tasks.json、launch.json，使用 Cortex-Debug + OpenOCD）。

上电与录制流程

上电
 ├─ 初始化：SPI2/W25Q64 → JEDEC 校验 → SPI1/ICM42688 → WHO_AM_I 校验
 ├─ 陀螺零偏标定（静止 500 点 ≈ 1 s）
 ├─ 读取旧记录 metadata 并校验 CRC
 └─ 等待触发（WAIT_COMMAND，同时输出实时姿态）
      ├─ 短按按键  → 开始录制
      ├─ 长按按键  → 导出 CSV
      └─ 串口 R / D / E / Z / C 命令

录制阶段：

ERASING（先擦 20 个数据扇区 + metadata 扇区）
  → RECORDING（TIM6 500 Hz 置标志 → 主循环读 IMU → 双页缓冲 → 异步写 Flash）
  → FINISHING（补写残页 → 写 metadata + CRC32）
  → IDLE

命令

命令	作用
R	立即开始 10 秒录制
D	把已存记录导出为 CSV
E	擦除 metadata（使旧记录失效）
Z	姿态调零 + 重新标定陀螺零偏
C	只重新标定陀螺零偏

调试器也可以触发：写 g_cmd_request = 1..4（1=R 2=D 3=E 4=Z），不需要串口。

数据格式

单条样本 16 字节（_Static_assert 保证）：

typedef struct __attribute__((packed)) {
    uint32_t time_us;   /* DWT 微秒时间戳 */
    int16_t  ax, ay, az;
    int16_t  gx, gy, gz;
} ImuSample;

Flash 布局：

区域	地址
metadata（4 KB）	0x000000
采样数据	0x001000（10 秒占 20 个扇区 = 80 KB）
开发自检扇区	0x7E0000 / 0x7E1000

metadata 含 magic = 0x494D554C ("IMUL")、版本、样本数、采样率、字节数、时长、 数据起始地址、数据 CRC32、header CRC32。

导出数据

方式一：串口（需要 PA10 连接）

python tools/dump_csv.py COM17 imu_log.csv

方式二：SWD 只读导出（不依赖串口，已验证）

烧录 SWD_EXPORT_ONLY 固件后：

gdb -q build/SwdExport/g431_imu.elf -x tools/export_swd_log.gdb
python tools/convert_swd_log.py

上位机 GUI

python tools/imu_gui.py

• 实时 3D 姿态（颜色约定：红 = X，黑 = Y，绿 = Z）
• ZERO 一键调零
• R / E / D 记录器按钮
• 加载 CSV 离线回放（内部做零偏扣除 + 安装轴重映射）

依赖：pyserial、numpy、matplotlib

已知问题与设计决策

详见 docs/：

• docs/known-issues/imu-cs-setup-timing.md ICM-42688-P 读回 WHO_AM_I = 0x00 的根因是 CS 到第一个 SCLK 的建立时间不足， 修复方式是在驱动里加 CS 建立延时。附完整对照实验与回归检查清单。
• docs/attitude-and-drift.md 姿态算法、漂移来源（陀螺零偏为主）、零偏标定、IMU 安装轴重映射、实测数据。
• docs/logger-recording-logic.md 录制状态机、触发方式、Flash 布局、可调参数一览。

诊断工具

工具	用途
tools/bitbang_who.py	绕过 SPI 外设，用 GPIO 手动 bit-bang 读 WHO_AM_I
tools/spi_reg_read.py	寄存器级 SPI1 读取，定位外设配置问题
tools/button_scan.py	扫描出用户按键接在哪个 GPIO
tools/vcp_loopback.py	ST-Link 虚拟串口自环测试
tools/read_raw_accel.gdb	通过 SWD 读一次原始加速度（判断安装方向）

第三方代码

Drivers/ 下为 STMicroelectronics 的 STM32G4 HAL 驱动与 CMSIS 组件， 遵循其各自的许可（BSD-3-Clause / Apache-2.0）。