STM32 姿态传感器mpu6050的使用

特性

MPU6050 ，能同时检测三轴加速度、 三轴陀螺仪(三轴角速度)的运动数据以及温度数据。利用其内部的 DMP 模块（Digital Motion Processor 数字运动处理器） ，可对传感器数据进行滤波、融合处理，直接通过 IIC 接口向主控器输出姿态解算后的数据，降低主控器的运算量。其姿态解算频率最高可达 200Hz

引脚说明

备注：SDA/SCL、 XDA/XCL 通讯引脚分别为两组 I2C 信号线；当模块与外部主机通讯时， 使用 SDA/SCL，如与 STM32 芯片通讯； 而 XDA/XCL 则用于 MPU6050 芯片与其它I2C 传感器通讯时使用，但一般不这样使用。

模块引脚与单片机连接

编程要点
(1) 初始化 STM32 的 I2C（软件模拟）；
(2) 使用 I2C 向 MPU6050 写入控制参数；
(3) 定时读取加速度、角速度及温度数据；

使用I2C软件，驱动mpu6050

#define GPIO_PORT_I2C	GPIOB			/* GPIO端口*/
#define RCC_I2C_PORT 	RCC_APB2Periph_GPIOB		/* GPIO时钟*/
#define I2C_SCL_PIN		GPIO_Pin_6			/* 连接SCL的GPIO */
#define I2C_SDA_PIN		GPIO_Pin_7			/* 连接SDL的GPIO */

#define I2C_SCL_1()  GPIO_SetBits(GPIO_PORT_I2C, I2C_SCL_PIN)		/* SCL = 1 */
#define I2C_SCL_0()  GPIO_ResetBits(GPIO_PORT_I2C, I2C_SCL_PIN)		/* SCL = 0 */

#define I2C_SDA_1()  GPIO_SetBits(GPIO_PORT_I2C, I2C_SDA_PIN)		/* SDA = 1 */
#define I2C_SDA_0()  GPIO_ResetBits(GPIO_PORT_I2C, I2C_SDA_PIN)		/* SDA = 0 */

#define I2C_SDA_READ()  GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_PORT_I2C, I2C_SDA_PIN)	/*读SDA数据 */

static void i2c_Delay(void)
{
	uint8_t i;
	for (i = 0; i < 10; i++);
}

//当SCL高电平时，SDA出现一个下跳沿表示I2C总线启动信号
void i2c_Start(void)
{
    /*    _____
     *SDA      \_____________
     *    __________
     *SCL           \________
     */
	I2C_SDA_1();
	I2C_SCL_1();
	i2c_Delay();
	I2C_SDA_0();
	i2c_Delay();
	I2C_SCL_0();
	i2c_Delay();
}

//当SCL高电平时，SDA出现一个上跳沿表示I2C总线停止信号
void i2c_Stop(void)
{
    /*               _______
     *SDA __________/
     *          ____________
     *SCL _____/
     */
	I2C_SDA_0();
	I2C_SCL_1();
	i2c_Delay();
	I2C_SDA_1();
}

/*CPU向I2C总线设备发送8bit数据

*/
void i2c_SendByte(uint8_t _ucByte)
{
	uint8_t i;

	/* 先发送高7位，*/
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{		
		if (_ucByte & 0x80)
		{
			I2C_SDA_1();//发送的1
		}
		else
		{
			I2C_SDA_0();//发送的0
		}
		i2c_Delay();
		I2C_SCL_1();
		i2c_Delay();	
		I2C_SCL_0();
		if (i == 7)
		{
			 I2C_SDA_1(); //释放总线
		}
		_ucByte <<= 1;	/*左移一个 bit */
		i2c_Delay();
	}
}

/*
CPU从I2C设备读取8bit数据
*/
uint8_t i2c_ReadByte(u8 ack)
{
	uint8_t i;
	uint8_t value;

	/* 读取到第一个bit为数据的bit7 */
	value = 0;
	for (i = 0; i < 8; i++)
	{
		value <<= 1;
		I2C_SCL_1();
		i2c_Delay();
		if (I2C_SDA_READ())
		{
			value++;
		}
		I2C_SCL_0();
		i2c_Delay();
	}
	if(ack==0)
		i2c_NAck();
	else
		i2c_Ack();
	return value;
}

/*
CPU产生一个时钟，并读取器件的ACK应答信号
*/
uint8_t i2c_WaitAck(void)
{
	uint8_t re;

	I2C_SDA_1();	/* CPU释放SDA总线 */
	i2c_Delay();
	I2C_SCL_1();	/* CPU驱动SCL = 1, 此器件会返回ACK应答 */
	i2c_Delay();
	if (I2C_SDA_READ())	/* CPU读取SDA口状态 */
	{
		re = 1;
	}
	else
	{
		re = 0;
	}
	I2C_SCL_0();
	i2c_Delay();
	return re;
}

/*
CPU产生一个ACK信号

*/
void i2c_Ack(void)
{

    /*           ____
     *SCL ______/    \______
     *    ____         _____
     *SDA     \_______/
     */
	I2C_SDA_0();	/* CPU驱动SDA = 0 */
	i2c_Delay();
	I2C_SCL_1();	/* CPU产生1个时钟 */
	i2c_Delay();
	I2C_SCL_0();
	i2c_Delay();
	I2C_SDA_1();	/* CPU释放SDA总线 */
}

/*
CPU产生1个NACK信号
*/
void i2c_NAck(void)
{
    /*           ____
     *SCL ______/    \______
     *    __________________
     *SDA
     */
	I2C_SDA_1();	/* CPU驱动SDA = 1 */
	i2c_Delay();
	I2C_SCL_1();	/* CPU产生一个时钟 */
	i2c_Delay();
	I2C_SCL_0();
	i2c_Delay();	
}

/*
配置I2C总线的GPIO
*/
void i2c_GPIO_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_I2C_PORT, ENABLE);	//时钟

	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = I2C_SCL_PIN | I2C_SDA_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; //开漏输出
	GPIO_Init(GPIO_PORT_I2C, &GPIO_InitStructure);

	//停止信号，复位I2C总线上的所有设备
	i2c_Stop();
}

/*
CPU发送设备地址，然后读取设备应答是否有设备
*/
uint8_t i2c_CheckDevice(uint8_t _Address)
{
	uint8_t ucAck;

	i2c_GPIO_Config();		/* 配置GPIO */
	
	i2c_Start();		/*I2C开始信号*/

	/* 发送设备地址和读写控制bit（0=写，1=读）bit7位先传 */
	i2c_SendByte(_Address|I2C_WR);
	ucAck = i2c_WaitAck();	/*检测设备应答 */

	i2c_Stop();			/* I2C结束信号 */

	return ucAck;
}

mp6050使用软件I2C读写数据
写

void MPU6050_WriteReg(u8 reg_add,u8 reg_dat)
{
	i2c_Start();
	i2c_SendByte(MPU6050_SLAVE_ADDRESS);
	i2c_WaitAck();
	i2c_SendByte(reg_add);
	i2c_WaitAck();
	i2c_SendByte(reg_dat);
	i2c_WaitAck();
	i2c_Stop();
}
读
void MPU6050_ReadData(u8 reg_add,unsigned char*Read,u8 num)
{
	unsigned char i;
	
	i2c_Start();
	i2c_SendByte(MPU6050_SLAVE_ADDRESS);
	i2c_WaitAck();
	i2c_SendByte(reg_add);
	i2c_WaitAck();
	
	i2c_Start();
	i2c_SendByte(MPU6050_SLAVE_ADDRESS+1);
	i2c_WaitAck();
	
	for(i=0;i<(num-1);i++){
		*Read=i2c_ReadByte(1);
		Read++;
	}
	*Read=i2c_ReadByte(0);
	i2c_Stop();
}

手册中寄存器描述

1、电源管理寄存器

描述：这个寄存器允许用户配置电源模式和时钟源。它也提供1位重置整个设备，和1位使能温度传感器
SLEEP 设置1时，设备进入低功耗休眠模式；TEMP_DIS用于设置是否使能温度传感器，0 则使能

CLKSEL[2:0]时钟源如下，

内部8M RC晶振精度不高，一般选择X/Y/Z轴陀螺作为参考PLL的时钟源，设置CLKSEL=001

2、陀螺仪寄存器
该寄存器用于触发陀螺仪自检并配置陀螺仪的量程范围。

FS_SEL[1:0]的取值：0，±250° /S； 1，±500° /S； 2，±1000° /S； 3，±2000° /S；
一般设置为3，±2000dps，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)

3、加速度传感器
该寄存器用于触发加速计自检并配置加速计满标度范围。该寄存器还配置数字高通滤波器（DHPF）。

AFS_SEL[1:0]选择范围：0， ±2g； 1，±4g； 2，±8g； 3，±16g；
一般设置为0，±2g ，灵敏度为65536/4=16384 LSB/g

4、 采样率
该寄存器指定用于生成MPU-60X0采样率的陀螺仪输出速率的除法器。

传感器寄存器输出、FIFO输出和DMP采样均基于采样率。

在这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。
公式 采样频率 = 陀螺仪输出频率 / (1+SMPLRT_DIV)

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。

例如：采样率，假设为125HZ,那么 SMPLRT_DIV=1000/125 - 1 = 7

5、 配置寄存器
该寄存器配置陀螺仪和加速度计的外部帧同步（FSYNC）引脚采样和数字低通滤波器（DLPF）设置。

其中，DLPF_CFG 配置低通滤波如下

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 125Hz，那么带宽就应该设置为 62Hz，取近似值 44Hz， 就应该设置 DLPF_CFG=011

MPU6050初始化的步骤：

• 复位MPU6050，让MPU6050内部的所有寄存器恢复默认值
  必须设置该寄存器位0x00，以唤醒MPU6050，进入正常工作状态，一般选择x轴陀螺PLL作为时钟源，以获得更高精度的时钟。
• 陀螺仪配置寄存器（0x1B）
• 加速度传感器配置寄存器（0x1C）
• 陀螺仪采样率，由采样率分频寄存器（0x19）控制；
• 设置数字低通滤波器，由配置寄存器（0x1A）控制；
  DLPF位设置，即DLPF_CFG[2:0],加速度技和陀螺仪，都是根据这三个位的配置进行过滤的，

初始化程序

#define MPU6050_RA_SMPLRT_DIV       0x19
#define MPU6050_RA_CONFIG           0x1A
#define MPU6050_RA_GYRO_CONFIG      0x1B
#define MPU6050_RA_ACCEL_CONFIG     0x1C

#define MPU6050_RA_PWR_MGMT_1       0x6B
#define MPU6050_RA_PWR_MGMT_2       0x6C

#define MPU6050_WHO_AM_I        0x75
#define MPU6050_SMPLRT_DIV      0  //8000Hz  fix me
#define MPU6050_DLPF_CFG        0  //fix me
#define MPU6050_GYRO_OUT        0x43     //MPU6050陀螺仪数据寄存器地址
#define MPU6050_ACC_OUT         0x3B     //MPU6050加速度数据寄存器地址

void MPU6050_Init(void)
{
  int i=0,j=0;
  for(i=0;i<1000;i++)
  {
    for(j=0;j<1000;j++)；
  }
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_PWR_MGMT_1, 0x01);
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_SMPLRT_DIV , 0x07);	//值得设置
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_CONFIG , 0x03);//值得设置
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_ACCEL_CONFIG , 0x00);
	MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_GYRO_CONFIG, 0x18);
}

数据读取

1、 陀螺仪数据输出寄存器
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

void MPU6050ReadGyro(short *gyroData)
{
    u8 buf[6];
    MPU6050_ReadData(MPU6050_GYRO_OUT,buf,6);
    gyroData[0] = (buf[0] << 8) | buf[1];
    gyroData[1] = (buf[2] << 8) | buf[3];
    gyroData[2] = (buf[4] << 8) | buf[5];
}

2、加速度传感器数据输出寄存器
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

void MPU6050ReadAcc(short *accData)
{
    u8 buf[6];
    MPU6050_ReadData(MPU6050_ACC_OUT, buf, 6);
    accData[0] = (buf[0] << 8) | buf[1];
    accData[1] = (buf[2] << 8) | buf[3];
    accData[2] = (buf[4] << 8) | buf[5];
}

3、 温度换算

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

void MPU6050_ReturnTemp(float *Temperature)
{
	short temp3;
	u8 buf[2];
	
	MPU6050_ReadData(MPU6050_RA_TEMP_OUT_H,buf,2); 
    temp3= (buf[0] << 8) | buf[1];	
	*Temperature=((double) temp3/340.0)+36.53;
}

4、主程序

int main(void)
{
	short Accel[3];
	short Gyro[3];
	float Temp;
	SysTick_Init();
	SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
	USART_Config();
	i2c_GPIO_Config();
	MPU6050_Init();

	//检测MPU6050
	if (MPU6050ReadID() == 1)
	{	
		while(1)
		{
			if(Task_Delay[0]==TASK_ENABLE)
			{
				Task_Delay[0]=1000;
			}	
			if(Task_Delay[1]==0)
			{
				MPU6050ReadAcc(Accel);			
				printf("\加速度 %8d%8d%8d    ",Accel[0],Accel[1],Accel[2]);
				MPU6050ReadGyro(Gyro);
				printf("陀螺仪 %8d%8d%8d    ",Gyro[0],Gyro[1],Gyro[2]);				
				MPU6050_ReturnTemp(&Temp); 
				printf("温度 %8.2f",Temp);				
				Task_Delay[1]=500;//更新数据的频率
			}
		}   
	}
}

mpu6050输出的值

加速度： 2634 -2146 16238 陀螺仪： -63 -29 -33 温度： 21.51
加速度： 2680 -2312 16044 陀螺仪： -53 -18 -36 温度： 21.53
加速度： 2744 -2320 16196 陀螺仪： -48 -16 -36 温度： 21.66
加速度： -1 -1 -1 陀螺仪： -1 -1 -1 温度： 36.53
加速度： -1 -1 -1 陀螺仪： -1 -1 -1 温度： 36.53
加速度： -9586 3804 12182 陀螺仪： -456 -594 -72 温度： 22.14
加速度： -2452 -1740 15716 陀螺仪： -232 -436 -169 温度： 22.17
加速度： -986 -1736 16178 陀螺仪： -64 -184 -56 温度： 22.20
加速度： -194 -1790 16366 陀螺仪： -46 -9 -11 温度： 22.24

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