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MPU6050工作原理及STM32控制MPU6050

2023-05-16

一·简介:

1.要想知道MPU6050工作原理，得先了解下面俩个传感器：

①陀螺仪传感器：

       陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。现代陀螺仪可以精确地确定运动物体的方位的仪器，它在现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。传统的惯性陀螺仪主要部分有机械式的陀螺仪，而机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高。70年代提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠。光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外。


②加速度传感器：

      加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

其实说简单点，在mpu6050中我们用陀螺仪传感器测角度，用加速度传感器测加速度

MPU-60X0 :

      MPU-60X0是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪， 3轴MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP（DigitalMotion Processor），可用 I2C 接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其 I2C 或 SPI 接口 输出一个 9 轴的信号（SPI 接口仅在 MPU-6000 可用）。MPU-60X0 也可以通过其 I2C 接口 连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。 MPU-60X0 对陀螺仪和加速度计分别用了三个 16 位的 ADC，将其测量的模拟量转化 为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的， 陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4， ±8，±16g。 一个片上 1024 字节的 FIFO，有助于降低系统功耗。 和所有设备寄存器之间的通信采用 400kHz 的 I2C 接口或 1MHz 的 SPI 接口（SPI 仅 MPU-6000 可用）。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用 20MHz 的 SPI。 另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。 芯片尺寸 4×4×0.9mm，采用 QFN 封装（无引线方形封装），可承受最大 10000g 的冲 击，并有可编程的低通滤波器。 关于电源，MPU-60X0 可支持 VDD 范围 2.5V±5%，3.0V±5%，或 3.3V±5%。另外 MPU-6050 还有一个 VLOGIC 引脚，用来为 I2C 输出提供逻辑电平。VLOGIC 电压可取 1.8±5%或者 VDD。

         数字运动处理器（DMP）:

 DMP 从陀螺仪、加速度计以及外接的传感器接收并处理数据，处理结果可以从 DMP 寄存器读出，或通过 FIFO 缓冲。DMP 有权使用 MPU 的一个外部引脚产生中断。


二·数据传输:

    1.I2C原理在上一篇博客里有详细讲解，在这里不再赘述。

如果要写 MPU-60X0 寄存器，主设备除了发出开始标志（S）和地址位，还要加一个 R/W 位，0 为写，1 为读。在第 9 个时钟周期（高电平时），MPU-60X0 产生应答信号。然 后主设备开始传送寄存器地址（RA），接到应答后，开始传送寄存器数据，然后仍然要有应 答信号，依次类推。

单字节写时序：


多字节写时序：



如果要读取 MPU-60X0 寄存器的值，首先由主设备产生开始信号（S），然后发送从设 备地址位和一个写数据位，然后发送寄存器地址，才能开始读寄存器。紧接着，收到应答信 号后，主设备再发一个开始信号，然后发送从设备地址位和一个读数据位。然后，作为从设 备的 MPU-60X0 产生应答信号并开始发送寄存器数据。通信以主设备产生的拒绝应答信号 （NACK）和结束标志（P）结束。拒绝应答信号（NACK）产生定义为 SDA 数据在第 9 个 时钟周期一直为高。 


    

三·STM32控制MPU6050

1.硬件连接

实验采用正点原子公司的 AN1507 ATK-MPU6050 六轴传感器模块

MPU6050             STM32
VCC         <--->   VCC
GND         <--->   GND
SDA         <--->   PB9
SCL         <--->   PB8
INT         <--->   不接
AD0         <--->   不接

2. 重要寄存器

2.1 电源管理寄存器 1

这里写图片描述

DEVICE_RESET 位用来控制复位，设置为 1，复位 MPU6050，复位结束后， MPU 
硬件自动清零该位

SLEEEP 位用于控制 MPU6050 的工作模式，复位后，该位为 1，即进 
入了睡眠模式（低功耗），所以我们要清零该位，以进入正常工作模式

TEMP_DIS 用于设置是否使能温度传感器，设置为 0，则使能

CLKSEL[2:0]用于选择系统时钟源，选择关系如表

CLKSEL[2:0]时钟源
000内部 8M RC 晶振
001PLL，使用 X 轴陀螺作为参考
010PLL，使用 Y 轴陀螺作为参考
011PLL，使用 Z 轴陀螺作为参考
100PLL，使用外部 32.768Khz 作为参考
101PLL，使用外部 19.2Mhz 作为参考
110保留
111关闭时钟，保持时序产生电路复位状态

**默认是使用内部 8M RC 晶振的，精度不高，所以我们一般选择 X/Y/Z 轴陀螺作为参考 
的 PLL 作为时钟源，一般设置 CLKSEL=001 即可**

2.2 陀螺仪配置寄存器

这里写图片描述 
FS_SEL[1:0]这两个位，用于设置陀螺仪的满量程范围： 0，±250° 
/S； 1，±500° /S； 2，±1000° /S； 3，±2000° /S；我们一般设置为 3，即±2000° /S，因 
为陀螺仪的 ADC 为 16 位分辨率，所以得到灵敏度为： 65536/4000=16.4LSB/(° /S)

2.3 加速度传感器配置寄存器

这里写图片描述 
AFS_SEL[1:0]这两个位，用于设置加速度传感器的满量程范围： 0， 
±2g； 1，±4g； 2，±8g； 3，±16g；我们一般设置为 0，即±2g，因为加速度传感器的 
ADC 也是 16 位，所以得到灵敏度为： 65536/4=16384LSB/g

2.4 FIFO使能寄存器

这里写图片描述 
该寄存器用于控制 FIFO 使能，在简单读取传感器数据的时候，可以不用 FIFO，设置 
对应位为 0 即可禁止 FIFO，设置为 1，则使能 FIFO

加速度传感器的 3 个轴，全由 1 
个位（ ACCEL_FIFO_EN）控制，只要该位置 1，则加速度传感器的三个通道都开启 FIFO

2.5 陀螺仪采样率分频寄存器

这里写图片描述 
该寄存器用于设置 MPU6050 的陀螺仪采样频率，计算公式为：

采样频率 = 陀螺仪输出频率 / (1+SMPLRT_DIV)

这里陀螺仪的输出频率，是 1Khz 或者 8Khz，与数字低通滤波器（ DLPF）的设置有关， 
当 DLPF_CFG=0/7 的时候，频率为 8Khz，其他情况是 1Khz。而且 DLPF 滤波频率一般设置 
为采样率的一半。采样率，我们假定设置为 50Hz，那么 SMPLRT_DIV=1000/50-1=19

2.6 配置寄存器

这里写图片描述 
数字低通滤波器（ DLPF）的设置位，即： DLPF_CFG[2:0]，加速 
度计和陀螺仪，都是根据这三个位的配置进行过滤的。 DLPF_CFG 不同配置对应的过滤情 
况如表: 
这里写图片描述 
这里的加速度传感器，输出速率（ Fs）固定是 1Khz，而角速度传感器的输出速率（ Fs）， 
则根据 DLPF_CFG 的配置有所不同。一般我们设置角速度传感器的带宽为其采样率的一半， 
如前面所说的，如果设置采样率为 50Hz，那么带宽就应该设置为 25Hz，取近似值 20Hz， 
就应该设置 DLPF_CFG=100

2.7 电源管理寄存器 2

这里写图片描述 
LP_WAKE_CTRL 用于控制低功耗时的唤醒频率

剩下的 6 位，分别控制加速度和陀螺仪的x/y/z轴是否进入待机模式，这里我们全部都不进入待机模式，所以全部设置为 0 即可

2.8 陀螺仪数据输出寄存器

这里写图片描述 
通过读取这6个寄存器，就可以读到陀螺仪 x/y/z 轴的值，比如 x 轴的数据，可以通过读取 
0X43（高 8 位）和 0X44（低 8 位）寄存器得到，其他轴以此类推

2.9 加速度传感器数据输出寄存器

这里写图片描述 
通过读取这6个寄存器，就可以读到加速度传感器 x/y/z 轴的值，比如读 x 轴的数据，可以通过读取 0X3B（高 8 位）和0X3C（低8位）寄存器得到，其他轴以此类推

2.10 温度传感器数据输出寄存器

温度传感器的值，可以通过读取 0X41（高 8 位）和 0X42（低 8 位）寄存器得到， 
温度换算公式为：

Temperature = 36.53 + regval/340

其中， Temperature 为计算得到的温度值，单位为℃， regval 为从 0X41 和 0X42 读到的 
温度传感器值

2.11 中断使能寄存器

这里写图片描述 
OT_EN 该位置 1，该位使能运动检测（Motiondetection）产生中断。

FIFO_OFLOW_EN该位置1，该位使能FIFO缓冲区溢出产生中断。

I2C_MST_INT_EN该位置1，该位使能I2C主机所有中断源产生中断。

DATA_RDY_EN 该位置 1，该位使能数据就绪中断（ Data Ready interrupt），所有的传感器寄存器写操作完成时都会产生

关闭所有中断则给此寄存器赋值0X00

3. 软件驱动

3.1 通过IIC对MPU6050寄存器进行读写

//IIC写一个字节 
//reg:      寄存器地址
//data:     数据
//返回值:  0,正常
//          其他,错误代码
u8 IIC_Write_Byte(u8 reg,u8 data)
{
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令 
    if(IIC_Wait_Ack())  //等待应答
    {
        IIC_Stop(); 
        return 1;       
    }
    IIC_Send_Byte(reg); //写寄存器地址
    IIC_Wait_Ack();     //等待应答 
        IIC_Send_Byte(data);//发送数据
    if(IIC_Wait_Ack())  //等待ACK
    {
        IIC_Stop();  
        return 1;        
    }        
    IIC_Stop();  
    return 0;
}

//IIC读一个字节 
//reg:寄存器地址 
//返回值:读到的数据

u8 IIC_Read_Byte(u8 reg)
{
    u8 res;
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令 
    IIC_Wait_Ack();//等待应答
    IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址
    IIC_Wait_Ack();//等待应答
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|1);//发送期间地址+读命令
    IIC_Wait_Ack();//等待应答
    res=IIC_Read_Byte(0);//读取数据，发送nACK
    IIC_Stop();//产生一个停止条件
    return res;
}

//IIC连续写
//addr:器件地址
//reg: 寄存器地址
//len: 写入长度
//buf: 数据区
//返回值: 0,正常
//              其他，错误代码
u8 IIC_Write_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)
{
    u8 i;
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//发送器件地址+写命令
    if(IIC_Wait_Ack())//等待应答
    {
        IIC_Stop();
        return 1;
    }
    IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址
    IIC_Wait_Ack();//等待应答
    for(i=0;i<len;i++)
    {
        IIC_Send_Byte(buf[i]);//发送数据
        if(IIC_Wait_Ack())//等待ACK
        {
            IIC_Stop();
            return 1;
        }
    }
    IIC_Stop();
    return 0;
}
//IIC连续读
//addr:器件地址
//reg:要读取的寄存器地址
//len:要读取得长度
//buf:读取到的数据存储区
//返回值: 0,正常
//              其他，错误代码
u8 IIC_Read_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)
{
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//发送器件地址+写命令
    if(IIC_Wait_Ack())//等待应答
    {
        IIC_Stop();
        return 1;
    }
    IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址
    IIC_Wait_Ack();//等待应答
    IIC_Start();
    IIC_Send_Byte((addr<<1)|1);//发送器件地址+读命令
    IIC_Wait_Ack();//等待应答
    while(len)
    {
        if(len==1) *buf=IIC_Read_Byte(0);//读数据，发送nACK
        else *buf=IIC_Read_Byte(1);//读数据，发送ACK
        len--;
        buf++;
    }
    IIC_Stop();//产生一个停止条件
    return 0;
}

3.2 MPU6050初始化

//初始化MPU6050
//返回值: 0,成功
//        其他,错误代码
u8 MPU_Init(void)
{
    u8 res;
    IIC_Init();//初始化IIC总线
    IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);//复位MPU6050
    delay_ms(100);
    IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);//唤醒MPU6050
    MPU_Set_Gyro_Fsr(3); //陀螺仪传感器,±2000dps
    MPU_Set_Accel_Fsr(0); //加速度传感器 ±2g
    MPU_Set_Rate(50); //设置采样率50HZ
    IIC_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00); //关闭所有中断
    IIC_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);//I2C主模式关闭
    IIC_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);//关闭FIFO
    IIC_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80);//INT引脚低电平有效
    res=IIC_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);
    if(res==MPU_ADDR)//器件ID正确
    {
        IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);//设置CLKSEL,PLL X 轴为参考
        IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);//加速度陀螺仪都工作
        MPU_Set_Rate(50); //设置采样率为50HZ
    }else return 1;
    return 0;
}

//设置MPU6050陀螺仪传感器满量程范围
//fsr:0,±250dps;1,±500dps;2,±1000dps;3,±2000dps
//返回值:0,设置成功
//    其他,设置失败 
u8 MPU_Set_Gyro_Fsr(u8 fsr)
{
    return IIC_Write_Byte(MPU_GYRO_CFG_REG,fsr<<3);//设置陀螺仪满量程范围
}

//设置MPU6050加速度传感器满量程范围
//fsr:0,±2g;1,±4g;2,±8g;3,±16g
//返回值:0,设置成功
//    其他,设置失败 
u8 MPU_Set_Accel_Fsr(u8 fsr)
{
    return IIC_Write_Byte(MPU_ACCEL_CFG_REG,fsr<<3);//设置加速度传感器满量程范围
}

//设置MPU6050的数字低通滤波器
//lpf:数字低通滤波频率(Hz)
//返回值:0,设置成功
//    其他,设置失败 
u8 MPU_Set_LPF(u16 lpf)
{
    u8 data=0;
    if(lpf>=188) data=1;
    else if(lpf>=98) data=2;
    else if(lpf>=42) data=2;
    else if(lpf>=42) data=3;
    else if(lpf>=20) data=4;
    else if(lpf>=10) data=5;
    else data=6; 
    return IIC_Write_Byte(MPU_CFG_REG,data);//设置数字低通滤波器  
}

//设置MPU6050的采样率(假定Fs=1KHz)
//rate:4~1000(Hz)
//返回值:0,设置成功
//    其他,设置失败 
u8 MPU_Set_Rate(u16 rate)
{
    u8 data;
    if(rate>1000)rate=1000;
    if(rate<4)rate=4;
    data=1000/rate-1;
    data=IIC_Write_Byte(MPU_SAMPLE_RATE_REG,data);  //设置数字低通滤波器
    return MPU_Set_LPF(rate/2); //自动设置LPF为采样率的一半
}

3.3 读取MPU6050相关测得原始数据

//得到温度值
//返回值:温度值(扩大了100倍)
short MPU_Get_Temperature(void)
{
    u8 buf[2]; 
    short raw;
        float temp;
        IIC_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_TEMP_OUTH_REG,2,buf); 
    raw=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];  
    temp=36.53+((double)raw)/340;  
    return temp*100;;
}
//得到陀螺仪值(原始值)
//gx,gy,gz:陀螺仪x,y,z轴的原始读数(带符号)
//返回值:0,成功
//    其他,错误代码
u8 MPU_Get_Gyroscope(short *gx,short *gy,short *gz)
{
    u8 buf[6],res;
    res=IIC_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_GYRO_XOUTH_REG,6,buf);
    if(res==0)
    {
        *gx=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];  
        *gy=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];  
        *gz=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];
    }   
    return res;
}

//得到加速度值(原始值)
//ax,ay,az:陀螺仪x,y,z轴的原始读数(带符号)
//返回值:0,成功
//    其他,错误代码
u8 MPU_Get_Accelerometer(short *ax,short *ay,short *az)
{
    u8 buf[6],res;  
    res=IIC_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_ACCEL_XOUTH_REG,6,buf);
    if(res==0)
    {
        *ax=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];  
        *ay=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];  
        *az=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];
    }   
    return res;;
}



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