MPU-6050详解_mpu6050

一. MPU6050简介

MPU-6000为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU-6000整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。MPU-6000的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000 °/sec (dps)，可准确追緃快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的I2C或最高达20MHz的SPI。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V± 5%。MPU-6000的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。

1. 陀螺仪特点

• 陀螺仪线性误差：0.1°/秒
• 陀螺仪输出频率：最高8000Hz
• 数字输出X、Y和Z轴角速率传感器（陀螺仪），用户可编程全量程范围为±250、±500、±1000和±2000°/秒
• 连接到FSYNC引脚的外部同步信号支持图像、视频和GPS同步
• 集成的16位ADC可同时对陀螺仪进行采样
• 增强的偏置和灵敏度温度稳定性减少了用户校准的需要
• 改进的低频噪声性能
• 数字可编程低通滤波器
• 陀螺仪工作电流：3.6mA* 待机电流：5µA
• 工厂校准的灵敏度比例因子
• 用户自检

2. 加速度计特点

• 加速度线性误差：0.1g
• 加速度输出频率：最高1000Hz
• 数字输出三轴加速度计，可编程满量程范围为±2g、±4g、±8g和±16克
• 集成的16位ADC实现了加速度计的同时采样，而无需外部多路转换器
• 加速度计正常工作电流：500µA
• 低功率加速度计模式电流：1.25Hz时为10µA，5Hz时为20µA，20Hz时为60µA，110µA 40Hz
• 方位检测和信号
• 抽头检测
• 用户可编程中断
• 自由落体中断
• 高G中断
• 零运动/运动中断
• 用户自检

3. 其他特点

• 片上数字运动处理器（DMP）的9轴运动融合
• DMP姿态解算频率：最高200Hz
• 辅助主I2用于从外部传感器（例如磁力计）读取数据的C总线
• 启用所有6个运动感应轴和DMP时的3.9mA工作电流
• VDD电源电压范围为2.375V-3.46V
• 灵活的VLOGIC参考电压支持多个I2C接口电压（仅限MPU-6050）
• 适用于便携式设备的最小、最薄QFN封装：4x4x0.9mm
• 加速度计和陀螺仪轴之间的最小跨轴灵敏度
• 1024字节FIFO缓冲区允许主机处理器读取数据，从而降低功耗突发，然后随着MPU收集更多数据而进入低功率模式
• 数字输出温度传感器
• 陀螺仪、加速度计和温度传感器的用户可编程数字滤波器
• 10000 g耐冲击
• 400kHz快速模式I2C用于与所有寄存器通信
• 1MHz SPI串行接口，用于与所有寄存器通信（仅限MPU-6000）
• 用于读取传感器和中断寄存器的20MHz SPI串行接口（仅限MPU-6000）
• MEMS结构在晶圆级密封和接合
• 符合RoHS和绿色

4. DMP模块（Digital Motion Processor数字运动处理器）

从MPU6050的参数中可以得到，加速度计和陀螺仪的采样频率分别是1000Hz和8000Hz，它们是指加速度及角速度数据的采样频率，我们可以使用STM32控制器把这些数据读取出来然后进行姿态融合解算，以求出传感器当前的姿态（包括偏航角、横滚角、俯仰角）。而如果我们使用传感器内部的DMP数字运动处理器单元进行解算，他可以直接对采样得到的加速度及角速度进行姿态解算，解算得到的结果再输出给STM32控制器，即STM32无需自己计算，可直接获取偏航角、横滚角及俯仰角，该DMP每秒可输出200次姿态解算。

二. 引脚和接线

1. 引脚

2. 典型接线方式

三. MPU6050经典电路图

• SCL：IIC从时钟信号线SCL，模块需要外接上拉电阻，一般为4.7K
• SDA：IIC从时钟信号线SDA，模块需要外接上拉电阻，一般为4.7K
• INT：中断输出引脚
• AUX_CL：IIC主串行数据信号线，用于外接传感器
• AUX_DA：IIC主串行时钟信号线，用于外接传感器
• VDD：3.3/5V电源输入
• VLOGIC：IO口电压，该引脚最低可以到1.8V，我们一般直接接VDD即可
• AD0：从IIC接口（接MCU）的地址控制引脚，该引脚控制IIC地址的最低位。如果接GND，则MPU6050的IIC地址是：0X68；如果VDD，则是0X69

四. MPU6050使用方式及寄存器操作

1. 复位MPU6050

让MPU6050内部所有寄存器恢复默认值，通过对电源管理寄存器1（0X6B）的位7写1实现。复位后，电源管理寄存器1恢复默认值（0X40），然后必须设置该寄存器为0X00，以唤醒MPU6050，进入正常工作状态。

电源管理寄存器1（0X6B）

• 位7 DEVICE_RESET：该位设置1，重启内部寄存器到默认值。复位完成后该位自动清0。
• 位6 SLEEP：该位置1，MPU6050进入睡眠模式。
• 位5 CYCLE：当失能SLEEP且CYCLE位置1，MPU6050进入循环模式。在循环模式，设备在睡眠模式和唤醒模式间循环，根据LP_WAKE_CTRL寄存器设定的速率从加速度计采集样品数据。
• 位3 TEMP_DIS：该位置1，使能温度传感器。
• 位[2:0] CLKSEL：3位无符号数值。指定设备的系统时钟源。

其中，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，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. 设置传感器满量程范围

设置两个传感器的满量程范围（FSR），分别通过陀螺仪配置寄存器（0X1B）和加速度传感器配置寄存器（0X1C）设置。我们一般设置陀螺仪的满量程范围为±2000dps，加速度传感器的满量程范围为±2g。

陀螺仪配置寄存器（0X1B）

• 位7 XG_ST：置位X轴进行自检。
• 位6 YG_ST：置位Y轴进行自检。
• 位5 ZG_ST：置位Z轴进行自检。
• 位[4:3] FS_SEL：2位无符号数值，选择陀螺仪的满量程范围。
  
  该寄存器我们只关心 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)。

加速度传感器配置寄存器（0X1C）

• 位7 XA_ST：该位置1，加速度计的X轴执行自检。
• 位6 YA_ST：该位置1，加速度计的Y轴执行自检。
• 位5 ZA_ST：该位置1，加速度计的Z轴执行自检。
• 位[4:3] AFS_SEL：2位无符号值。选择加速度计的满量程范围。

该寄存器我们只关心 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。

3. 设置陀螺仪采样率

采样率分频寄存器（0X19）

该寄存器用于MPU60X0的陀螺仪采样频率输出设置

• 位[7:0] SMPLRT_DIV：8位无符号值。陀螺仪输出频率由这个值的分频所确定。

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。

配置寄存器（0X1A）

该寄存器配置外部Frame Synchronization（FSYNC）引脚采样，陀螺仪和加速度计的数字低通滤波器

• 位[5:3] EXT_SYNC_SET：3位无符号数值。配置FSYNC引脚采样
• 位[2:0] DLPF_CFG：3位无符号数值。配置DLPF设置

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。

4. 其他

地址验证寄存器（0X75）

此寄存器用于验证设备的标识。WHO_AM_ I的内容是MPU-60X0的7位I2C地址的高6位。MPU-60X0的I2C地址的最低有效位由AD0引脚的值确定。AD0引脚的值没有反映在此寄存器中。寄存器的默认值为0x68。比特0和7被保留。（硬编码为0）

• 位[6:1] WHO_AM_I：包含MPU-60X0的6位I2C地址。Bit6:Bit1的开机复位值为110 100。

加速度数据输出寄存器（0X3B~0X40）

通过读这六个寄存器，就可以读到加速度计x/y/z轴的值。比方说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。这六个寄存器都是8位寄存器，而读取加速度计x/y/z的寄存器都是十六位寄存器，所以每两个寄存器配置一个轴。

温度传感器数据输出寄存器（0X41~0X42）

通过读取0X41（高8位）和0X42（低8位）寄存器得到

陀螺仪数据输出寄存器（0X43~0X48）

通过读这六个寄存器，就可以读到陀螺仪x/y/z轴的值。比方说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。这六个寄存器都是8位寄存器，而读取陀螺仪x/y/z的寄存器都是十六位寄存器，所以每两个寄存器配置一个轴。