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【STM32F407学习笔记】MPU6050（一）原始数据获取_mpu6050数据采集
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【STM32F407学习笔记】MPU6050（一）原始数据获取
1. MPU6050简介
1.1 概述
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、三轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP，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。
MPU60X0的陀螺仪和加速度计分别采用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为客户处的数字量。传感器的测量范围是用户可控的，陀螺仪可测范围为
±
250
,
±
500
,
±
100
,
±
2000
°
/
秒
\pm250,\pm500,\pm100,\pm2000\degree/\text{秒}
±250,±500,±100,±2000°/秒，加速度计可测范围为
±
2
,
±
4
,
±
8
,
±
16
g
\pm2,\pm4,\pm8,\pm16g
±2,±4,±8,±16g。
一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。
和所有设备寄存器间的通信均采用I2C接口（速度<=400KHz）。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
%
\pm1\%
±1%变动的振荡器。
1.2 系统结构
MPU6050的系统结构如图中所示，可以清晰的观察到，MPU6050芯片中内置了三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和一个温度传感器。右侧的INT引脚为MPU的中断输出脚，TCS为片选脚、AD0为IIC地址设置脚（AD0=0时0x68，AD0=1时0x69），SCL和SDA为主IIC接口，AUX_CL和AUX_DA为从IIC接口。主要用到的引脚就是AD0、SCL、SDA。
1.3 相关寄存器
-
采样频率分频寄存器：SMPRT_DIV（0x19）
- SMPLRT_DIV[7:0]：配置MPU6050陀螺仪采样频率的分频值，从而配置陀螺仪的采样频率，计算公式为：
KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '_' at position 43: …\text{(1+SMPLRT_̲DIV)}
其中陀螺仪的输出频率是1KHz或8KHz，与DLPF的设置相关
- SMPLRT_DIV[7:0]：配置MPU6050陀螺仪采样频率的分频值，从而配置陀螺仪的采样频率，计算公式为：
-
配置寄存器：CONFIG（0x1A）
- DLPF_CFG[2:0]，数字低通滤波器配置位，通过配置这些位，可以选择各种滤波参数，如下表所示：
当这三位为000时表示不使用数字低通滤波器，此时的陀螺仪时钟为8KHz；剩下的除了为111时，使用了数字低通滤波器后陀螺仪的时钟为1KHz。
- DLPF_CFG[2:0]，数字低通滤波器配置位，通过配置这些位，可以选择各种滤波参数，如下表所示：
-
陀螺仪配置寄存器：GYRO_CONFIG（0x1B）
- XG_ST、YG_ST、ZG_ST：XYZ轴自测使能位
- FS_SEL[1:0]：满量程选择位，这两位用于设置陀螺仪的满量程范围，如下所示：
一般我们设置为3，即 ± 2000 ° \pm2000\degree ±2000°，因为陀螺仪的ADC为16位，所以灵敏度为：65536/4000=16.4LSB。 - Bit2~Bit1：未使用
-
加速度计配置寄存器：ACCEL_CONFIG（0x1C）
- XA_ST、YA_ST、ZA_ST：XYZ轴自测使能位
- AFS_SEL[1:0]：满量程选择位，用于设置加速度计的满量程范围，如下所示：
我们设置为3，即 ± 16 g \pm16g ±16g，因为加速度计的ADC也是16位，因此灵敏度为：65536/32=2048LSB - ACCEL_HPF[2:0]：高通滤波器配置位，是在内置功能的运动检测中用到，对数据输出没有影响，在这里暂时不用
-
加速度计数据寄存器：ACCEL_XOUT_H 、ACCEL_XOUT_L、ACCEL_YOUT_H 、ACCEL_YOUT_L、ACCEL_ZOUT_H 、ACCEL_ZOUT_L（0x3B、0x3C、0x3D、0x3E、0x3F、0x40）
- ACCEL_XOUT：X轴加速度，16位的有符号数，二进制补码方式存储。通过读取ACCEL_XOUT_H左移8位或ACCEL_XOUT_L存入一个int16_t的数据即可
- ACCEL_YOUT：Y轴加速度，16位有符号数
- ACCEL_ZOUT：Z轴加速度，16位有符号数
-
陀螺仪数据寄存器：GYRO_XOUT_H、GYRO_XOUT_L、GYRO_YOUT_H、GYRO_YOUT_L、GYRO_ZOUT_H、GYRO_ZOUT_L（0x43、0x44、0x45、0x46、0x47、0x48）
- GYRO_XOUT：X轴陀螺仪数据，16位的有符号数，二进制补码方式存储
- GYRO_YOUT：Y轴陀螺仪数据，16位有符号数
- GYRO_ZOUT：Z轴陀螺仪数据，16位有符号数
-
温度数据寄存器：TEMP_OUT_H、TEMP_OUT_L（0x41、0x42）
- TEMP_OUT：传感器温度，16位的有符号数，以二进制补码方式存储。
-
电源管理寄存器1：PWR_MGMT_1（0x6B）和电源管理寄存器2：PWR_MGMT_2
- DEVICE_RESET=1，复位MPU6050（所有寄存器恢复到默认值），复位完成后，该位自动清零。
- SLEEP：睡眠模式。SLEEP=1，进入睡眠模式；SLEEP=0，正常工作模式。
- CYCLE：循环模式。CYCLE=1，设备进入低功耗，过一段时间启动一次。唤醒频率由PWR_MGMT_2的LP_WAKE_CTRL[1:0]决定
- TEMP_DIS：温度传感器失能。用于设置是否使能温度传感器，TEMP_DIS=0，则使能。
- CLKSEL[2:0]：用于选择系统时钟源，如下所示：
非常建议选择陀螺仪晶振作为系统时钟源，因为它更加精确。
- LP_WAKE_CTRL[1:0]：设置CYCLE的唤醒间隔
- STBY_XA~STBY_ZG：控制六个轴进入待机模式，只需要部分轴的数据可以让别的轴待机（设置相应位=1），比较省电。
-
ID号寄存器：WHO AM I（0x75）
-
WHO_AM_I[6:1]只读寄存器：寄存器内容固定为0x68，AD0引脚的值并不反映到这个寄存器中。
注意：当芯片上电复位后所有寄存器默认值均为：0x00，除了PWR_MGMT_1为：0x40(睡眠模式)，以及WHO_AM_I为：0x68，因此在操作MPU6050前，需要先解除睡眠，否则操作MPU6050寄存器无效。
2. IIC通信时序实现
2.1 写操作实现
2.1.1 单字节写实现
查看数据手册可以找到I2C单字节写时序的为
其中S：起始信号，AD：六位IIC地址，W：写，ACK：应答信号，RA：寄存器地址，DATA：数据，P：停止信号
则根据博客【STM32F407学习笔记】模拟IIC协议可以实现单字节I2C写操作，实现如下：
/// @brief 写入指定设备，指定寄存器的一个字节 /// @param I2C_Addr 目标设备地址 /// @param reg 寄存器地址 /// @param data 写入的数据 /// @return 1失败 0成功 uint8_t IIC_WriteByteToSlave(uint8_t I2CAddr,uint8_t reg,uint8_t data) { IIC_Start(); IIC_SendByte((I2C_Addr<<1)|0); // 写入从机地址 if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } IIC_SendByte(reg); // 发送寄存器地址 if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } IIC_SendByte(data); // 发送数据 if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } IIC_Stop(); return 0; }
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2.1.2 多字节写实现
查询数据手册，IIC多字节写入的时序为：
实现多字节I2C写操作，实现如下：
/// @brief 写入指定设备，指定寄存器的length个字节 /// @param I2C_Addr 目标设备地址 /// @param reg 寄存器地址 /// @param length 写入的数据长度 /// @param data 写入数据存放的指针 /// @return 1失败 0成功 uint8_t IIC_WriteByteToSlave(uint8_t I2CAddr,uint8_t reg,uint8_t length,uint8_t *data) { uint8_t count=0; IIC_Start(); IIC_SenByte((I2CAddr<<1)|0);// 写从机地址 if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } IIC_SendByte(reg); // 寄存器地址 if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } for(count=0;cout<length;count++) { IIC_SendByte(data[count]); if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } } IIC_Stop(); return 0; }
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2.2 读操作实现
2.2.1 单字节读实现
查询数据手册，IIC单字节读的时序为：
实现单字节I2C读操作，实现如下：
/// @brief 读取指定设备，指定寄存器的一个字节 /// @param I2C_Addr 目标设备地址 /// @param reg 寄存器地址 /// @param buf 读取数据存放地址 /// @return 1失败 0成功 uint8_t ReadByteFromSlave(uint8_t I2CAddr,uint8_t reg,uint8_t *buf) { IIC_Start(); IIC_SendByte((I2CAddr<<1)|0); // I2CAddr+W 写入从机地址 if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } IIC_SendByte(reg); // 写入寄存器地址 if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } IIC_Start(); IIC_SendByte((I2CAddr<<1)|1); // I2CAddr+R if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } *buf=IIC_ReadByte(0); // 仅读取一个字节,ReadByte(0)会返回NACK信号 IIC_Stop(); return 0; }
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2.2.2 多字节读实现
查询数据手册，IIC多字节读的时序为：
实现多字节I2C读操作，实现如下：
/// @brief 读取指定设备，指定寄存器的一个字节 /// @param I2C_Addr 目标设备地址 /// @param reg 寄存器地址 /// @param length 读取的字节长度 /// @param buf 读取数据存放地址 /// @return 1失败 0成功 uint8_t ReadByteFromSlave(uint8_t I2CAddr,uint8_t reg,uint8_t length,uint8_t *buf) { uint8_t count=0; uint8_t temp; IIC_Start(); IIC_SendByte((I2CAddr<<1)|0); // I2CAddr+W 写入从机地址 if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } IIC_SendByte(reg); // 写入寄存器地址 if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } IIC_Start(); IIC_SendByte((I2CAddr<<1)|1); // I2CAddr+R if(IIC_waitACK()) { IIC_Stop(); return 1; // 写入失败 } for(count=0;count<length;count++) { if(count!=length-1) // 非最后一个字节 { temp=IIC_ReadByte(1); // IIC_ReadByte(1) 会返回一个ACK } else // 最后一字节 { temp=IIC_ReadByte(0); // IIC_ReadByte(0) 会返回一个NACK } buf[count]=temp; // 存储数据 } IIC_Stop(); return 0; }
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3. MPU6050原始数据获取
根据前述1，2小节将其综合可以实现如下的MPU6050操作
3.1 MPU6050初始化
/// @brief 检查MPU6050是否连接 /// @param None /// @return 0 连接 1 未连接 uint8_t MPU6050_Check(void) { uint8_t ID; IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_WHO_AM_I, &ID); if (ID == 0x68) // WHO AM I寄存器默认值 { return 0; } return 1; } /// @brief MPU6050初始化 /// @param I2C_Addr MPU6050的从机IIC地址 void MPU6050_init(uint8_t I2C_Addr) { MPU6050_Addr = I2C_Addr; // 检查MPU6050是否连接 if (MPU6050_Check()) // 未连接 { return; } // 设置MPU6050为复位状态 IIC_WriteByteToSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x80); // 设置为复位状态 delay_ms(50); // 等待复位 IIC_WriteByteToSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01); // 0000 0001 解除睡眠 使能温度传感器 选择时钟源使用X轴PLL作为时钟源 IIC_WriteByteToSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00); // 输出三轴陀螺仪和三轴加速度计数据 IIC_WriteByteToSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_INT_ENBALE, 0x00); // 禁止中断 IIC_WriteByteToSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09); // 采样分频10 IIC_WriteByteToSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_CONFGIG, 0x06); // 滤波参数最大 IIC_WriteByteToSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18); // 陀螺仪，最大量程 IIC_WriteByteToSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18); // 加速度计，满量程 IIC_WriteByteToSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_FIFO_EN, 0x00); // 关闭FIFO }
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3.2 MPU6050 六轴数据获取
/// @brief 获取MPU6050 六轴数据 /// @param AccX X轴加速度数据 /// @param AccY Y轴加速度数据 /// @param AccZ Z轴加速度数据 /// @param GyroX X轴陀螺仪数据 /// @param GyroY Y轴陀螺仪数据 /// @param GyroZ Z轴陀螺仪数据 void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ, int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ) { uint8_t DataH, DataL; // 读取数据寄存器 IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_ACCEL_XOUT_H, &DataH); IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_ACCEL_XOUT_L, &DataL); *AccX = (DataH << 8) | DataL; IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_ACCEL_YOUT_H, &DataH); IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_ACCEL_YOUT_L, &DataL); *AccY = (DataH << 8) | DataL; IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_ACCEL_ZOUT_H, &DataH); IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_ACCEL_ZOUT_L, &DataL); *AccZ = (DataH << 8) | DataL; IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_GYRO_XOUT_H, &DataH); IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_GYRO_XOUT_L, &DataL); *GyroX = (DataH << 8) | DataL; IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_GYRO_YOUT_H, &DataH); IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_GYRO_YOUT_L, &DataL); *GyroY = (DataH << 8) | DataL; IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_GYRO_ZOUT_H, &DataH); IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_GYRO_ZOUT_L, &DataL); *GyroZ = (DataH << 8) | DataL; }
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3.3 温度获取
/// @brief 获取MPU6050当前温度
/// @param Tempdata 当前温度
void MPU6050_GetTemp(float *Tempdata)
{
uint8_t TempH, TempL;
short data;
IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_TEMP_OUT_H, &TempH);
IIC_ReadByteFromSlave(MPU6050_Addr, MPU6050_TEMP_OUT_H, &TempL);
data = (int16_t)((TempH << 8) | TempL);
*Tempdata = (36.53f + (float)data / 340);
}
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