面向人形机器人的线性关节模组 (中) ——基于 STM32 的 ADMT4000 软件设计：从 SPI 通信到绝对位置读取

在上一篇《面向人形机器人的线性关节模组（上）——直线关节与 ADI ADMT4000 高精度位置记忆方案》中，我们介绍了直线关节模组的结构原理、与旋转关节的差异，以及 ADMT4000 如何利用 GMR 多圈计数和 AMR 角度测量实现断电后的绝对位置记忆。

本文将聚焦 ADMT4000 的软件实现：如何把 Analog Devices 公司 (以下简称 ADI) 官方驱动移植到 STM32 平台，通过 SPI 读取 ABSANGLE 与 ANGLE 寄存器，完成 CRC 校验、故障检查和连续绝对位置合成，并给出可直接参考的 HAL 代码与调试建议，帮助工程师快速完成位置读取功能的开发与验证。

在机器人关节、阀门、工业执行器和伺服系统中，设备重新上电后能否立即获得机械轴的真实位置，是位置检测系统必须解决的问题。

增量式编码器依靠脉冲累积位置，系统断电后计数随之丢失，重新启动时通常需要执行回零。单圈绝对值编码器虽然能够保留一圈内的角度，却无法判断机械轴已经旋转了多少圈。

传统齿轮式多圈编码器可以利用机械传动结构记录圈数，解决断电后的“位置记忆”问题，但它并没有自动解决位置精度和系统校准问题。随着齿轮级数增加，齿隙、偏心、装配公差和传动误差会逐级累积；机构越复杂，对零部件精度和装配工艺的要求越高，产品的一致性、可靠性和生产良率也越难控制。

因此，一个真正可靠的多圈位置系统，不仅要在断电后记住轴转了多少圈，还要准确测量当前角度，并尽量减少机械结构、安装偏差和磁场误差对最终位置的影响。这正是 ADMT4000 值得关注的地方：它采用磁感应方式保存多圈状态，减少了传统机械计圈机构带来的复杂度，同时提供单圈角度测量和软件校准能力，为系统建立连续的绝对位置。

ADI 的 ADMT4000 是一款真正上电即可读取多圈位置的磁传感器。它内部包含 GMR 多圈计数、象限检测和 AMR 精细角度测量，可以在芯片断电时继续记录外部磁场的旋转状态。系统重新上电后，STM32 通过 SPI 就能读取绝对位置，不需要备用电池。

ADI 官方产品页给出的主要特性包括：

本文不展开所有寄存器，而是说明怎样把 ADI 官方驱动移植到 STM32，并给出一段带详细注释的 HAL 读取代码。

ADMT4000 的数据格式、软件配置和标定方法分别放在不同文档中，建议按照下面的顺序阅读：

1. ADMT4000 官方产品页

产品页集中列出了最新数据手册、用户指南、评估软件和参考设计。ADI 后续更新文档时，应优先从这里进入。

1. ADMT4000 数据手册 Rev.C

用于确认引脚、电气参数、SPI 时序、寄存器、数据格式和故障位，是硬件设计和底层驱动的主要依据。

• UG-2271：ADMT4000 软件包概览与入门指南

介绍 ADMT4000DRV-SRC 软件包的结构、依赖关系和示例工程，是理解官方驱动架构的入口。

• UG-2323：ADMT4000 标定流程指南

用于处理 H1、H2、H3 和 H8 谐波补偿。标定系数关系到最终角度精度，不建议根据经验自行填写。

• UG-2069：EVAL-ADMT4000 评估板用户指南

包含评估板连接、引脚说明和测试方法，适合初次调试时参考。

• AN-2610：ADMT4000 Magnetic Reset

介绍磁复位条件和实现方式。磁复位属于维护和故障恢复流程，不应在每次正常上电时执行。

ADI 已经在 GitHub 的 no-OS 仓库中提供了正式的 ADMT4000 C 语言驱动：

• ADMT4000 官方 no-OS 驱动
• admt4000.c 源文件
• admt4000.h 寄存器及接口定义
• ADMT4000 官方 STM32 示例工程

官方示例工程已经支持 STM32 平台，并包含 sdp-ck1z.ioc、基础采集示例和 IIO 示例。因此，正式产品最稳妥的做法是保留 ADI 驱动的协议层，只把底层 SPI、GPIO 和延时接口替换为 STM32 HAL。

根据 ADI 当前 no-OS 驱动的初始化配置，SPI 使用 Mode 0：

在 STM32CubeMX 中，对应配置通常是：

hspi1.Init.Mode              = SPI_MODE_MASTER;

hspi1.Init.Direction         = SPI_DIRECTION_2LINES;

hspi1.Init.DataSize          = SPI_DATASIZE_8BIT;

hspi1.Init.CLKPolarity       = SPI_POLARITY_LOW;

hspi1.Init.CLKPhase          = SPI_PHASE_1EDGE;

hspi1.Init.NSS               = SPI_NSS_SOFT;

hspi1.Init.FirstBit          = SPI_FIRSTBIT_MSB;

SPI 分频值需要结合 STM32 外设时钟和数据手册规定的最高 SCLK 计算。首次调试可以先把速度降低，确认帧格式、CRC 和返回数据正确后再提高频率。

片选引脚应配置成推挽输出，空闲状态保持高电平。ADI 官方驱动会在一个片选周期内连续读取 ABSANGLE 和 ANGLE 两个寄存器，因此不要让 STM32 在每个字节之间自动释放片选。

根据系统需要，还可以连接以下引脚：

• RESET：低电平有效的硬件复位；
• GPIO0/BUSY：指示转换忙；
• GPIO1/CNV：外部启动一次转换；
• GPIO3/ACALC：角度计算状态；
• GPIO4/FAULT：故障指示。

如果只做最基本的位置读取，SPI、CS 和 RESET 已经可以完成初期调试；进入正式产品阶段时，建议把 FAULT 和 BUSY 一并接入 STM32。

ADMT4000 一次寄存器通信为 4 字节：

第 1 字节：寄存器地址及读写控制

第 2 字节：16 位数据高字节

第 3 字节：16 位数据低字节

第 4 字节：FAULT、生命周期计数和 5 位 CRC

其中 CRC 使用：

多项式：x⁵ + x² + 1

初始值：0x1F

结果宽度：5 bit

CRC 不能省略。错误的位置数据一旦进入电机闭环，产生的后果可能远比一次通信超时严重。

下面代码提取了 ADI no-OS 驱动中最核心的读取逻辑，并改写成 STM32 HAL 形式。它只读取测量寄存器，不修改 Page 2 配置寄存器，因此适合先验证硬件通信。

由于篇幅原因，以下仅展示部分代码，完整代码包括状态解析、四分之一圈符号还原、CRC 校验及位置读取函数，已整理为附件，大家可在文末下载。

首先实现 ADMT4000 的 5 位 CRC。下面的计算方法与 ADI 官方 admt4000_compute_crc() 保持一致：

接下来检查一个 4 字节返回帧：

真正读取位置时，按照官方驱动方式，在一次 CS 拉低期间发送两个 4 字节子帧。以下为位置读取的部分代码，完整请参阅文末附件。

如下图 (图8) 所示，主循环可以这样调用：

其中，这段代码有两个值得注意的地方。

第一，ADMT4000 的粗计数单位是四分之一圈，即 90°，并不是普通的整数圈数。如果直接用“四分之一圈计数 + 单圈角度”相加，会重复计算部分角度。代码采用“寻找最接近粗位置的等价精细角度”来恢复连续绝对角度。

第二，CRC 正确也不等于数据完全正常。CRC 只说明通信帧没有被破坏；FAULT、生命周期计数、无效圈数和机械位置合理性仍然需要单独检查。

一个适合实际产品的启动流程可以保持得很简单：

ADI 官方驱动支持两种转换方式：

• 连续模式下，传感器持续更新测量值，STM32 定时读取即可，适合周期性位置控制。
• 单次模式下，STM32 需要通过 CNV 引脚或 CNVPAGE 寄存器启动转换，等待转换完成后再读取数据，适合采样时间需要与其他外设严格同步的系统。

ADMT4000 的 Page 0 主要放置测量数据，例如角度、正弦、余弦、磁场幅值和温度；Page 2 主要用于工作模式、GPIO、滤波和谐波校准配置。Page 2 的部分配置受 ECC 保护。修改这些寄存器时，不能简单地“写完就结束”。官方驱动采用的基本流程是：

这也是不建议从零重写完整驱动的原因。GPIO、滤波或谐波系数只写错一个步骤，就可能触发 NVM CRC、ECC 或配置故障。STM32 项目可以直接复用官方 admt4000.c 和 admt4000.h，把 no_os_spi_write_and_read()、GPIO 和延时函数替换成 HAL 实现。

角度标定则应按照 UG-2323 完成。ADMT4000 支持 H1、H2、H3 和 H8 谐波补偿，主要用于降低磁体偏心、安装误差和磁场非理想性带来的周期角度误差。标定系数应来自实际测量，不应使用文章里的示例数值直接写入产品。

磁复位也不是普通初始化步骤。只有检测到 GMR 参考电阻或圈计数相关故障，或者产品维护流程明确要求重新建立磁状态时，才应按照 AN-2610 执行复位，并在复位后重新配置和确认绝对位置。

实际调试时，可以先做三项测试：

1. 固定磁体，连续读取角度，观察 CRC 和生命周期计数是否正常；
2. 缓慢旋转磁体，检查 0°、90°、180°、270°和 360°附近是否连续；
3. 给 ADMT4000 断电，在断电期间旋转若干圈，再上电检查绝对位置是否恢复正确。

调试日志至少应保存四分之一圈原始值、12 位角度、连续绝对角度、CRC 结果和 FAULT 寄存器。只打印最终角度，一旦发生跳变，很难判断问题来自磁路、SPI、数据解析还是位置合成。

对应开发板演示：

ADMT4000 的软件设计核心并不复杂：STM32 通过 SPI 读取粗位置和精细角度，验证 CRC 与故障状态，再把两者组合成连续绝对位置。真正容易出问题的地方，是把四分之一圈计数误当成整数圈数，或者在写入配置寄存器后没有正确更新 ECC。

ADI 已经提供了数据手册、软件包说明、标定指南、STM32 示例工程和正式 no-OS 驱动。项目开发时，以官方代码为协议依据，用 STM32 HAL 替换底层接口，会比重新猜测寄存器和通信流程可靠得多。

本文依据 ADI 产品页、ADMT4000 数据手册 Rev.C、UG-2271、UG-2323，以及 ADI no-OS GitHub 驱动整理。ADI 可能继续更新数据手册和代码，正式设计时请以产品页上的最新版本为准。

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