正点原子STM32学习笔记——MPU6050介绍
一、MPU6050簡介
1.什么是MPU6050？
????????MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性6軸運動處理組件，內(nèi)帶3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，并且含有一個第二IIC接口，可用于連接外部磁力傳感器，利用自帶數(shù)字運動處理器（DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通過主IIC接口，可以向應(yīng)用端輸出完整的9軸姿態(tài)融合演算數(shù)據(jù)。
????????有了DMP，我們可以使用InvenSense公司提供的運動處理資料庫，非常方便的實現(xiàn)姿態(tài)解算，降低了運動處理運算對操作系統(tǒng)的負荷，同時大大降低了開發(fā)難度 。
2.MUP6050特點。
MPU6050 的特點包括：
① 以數(shù)字形式輸出 6 軸或 9 軸（需外接磁傳感器）的旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)(quaternion)、歐拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算數(shù)據(jù)（需 DMP 支持）。
② 具有 131 LSBs/°/sec 敏感度與全格感測范圍為±250、±500、±1000 與±2000°/sec 的 3 軸角速度感測器(陀螺儀)。
③ 集成可程序控制，范圍為±2g、±4g、±8g 和±16g 的 3 軸加速度傳感器。
④ 移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設(shè)定給予的影響與感測器的飄移。
⑤ 自帶數(shù)字運動處理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少MCU復雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負荷。
⑥ 內(nèi)建運作時間偏差與磁力感測器校正演算技術(shù)，免除了客戶須另外進行校正的需求。
⑦ 自帶一個數(shù)字溫度傳感器。
⑧ 帶數(shù)字輸入同步引腳(Sync pin)支持視頻電子影相穩(wěn)定技術(shù)與 GPS。
⑨ 可程序控制的中斷(interrupt)，支持姿勢識別、搖攝、畫面放大縮小、滾動、快速下降中斷、high-G 中斷、零動作感應(yīng)、觸擊感應(yīng)、搖動感應(yīng)功能。
⑩ VDD 供電電壓為 2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%；VLOGIC 可低至 1.8V± 5%。
? 陀螺儀工作電流：5mA，陀螺儀待。
? 自帶 1024 字節(jié) FIFO，有助于降低系統(tǒng)功。
? 高達 400Khz 的 IIC 通信接口。
? 超小封裝尺寸：4x4x0.9mm（QFN）。
3.MPU6050框圖。
????????其中，SCL 和 SDA 是連接 MCU 的 IIC 接口，MCU 通過這個 IIC 接口來控制 MPU6050，另外還有一個 IIC 接口：AUX_CL 和 AUX_DA，這個接口可用來連接外部從設(shè)備，比如磁傳感器，這樣就可以組成一個九軸傳感器。VLOGIC 是 IO 口電壓，該引腳最低可以到 1.8V，我們一般直接接 VDD 即可。AD0 是從 IIC 接口（接 MCU）的地址控制引腳，該引腳控制IIC 地址的最低位。如果接 GND，則 MPU6050 的 IIC 地址是：0X68，如果接 VDD，則是0X69，注意：這里的地址是不包含數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹臀坏?#xff08;最低位用來表示讀寫）！！
另：
①ATK-MPU6050 六軸傳感器模塊外觀：
????????模塊自帶了 3.3V 超低壓差穩(wěn)壓芯片，給 MPU6050 供電，因此外部供電可以選擇：3.3V / 5V 都可以。模塊通過 P1 排針與外部連接，引出了 VCC、GND、IIC_SDA、IIC_SCL、MPU_INT 和 MPU_AD0 等信號，其中，IIC_SDA 和 IIC_SCL 帶了 4.7K上拉電阻，外部可以不用再加上拉電阻了，另外 MPU_AD0 自帶了 10K 下拉電阻，當 AD0懸空時，默認 IIC 地址為（0X68）。
②ATK-MPU6050 模塊原理圖：
4.MPU6050初始化。
1 ）初始化 IIC 接口
????????MPU6050 采用 IIC 與 STM32F1 通信，所以我們需要先初始化與 MPU6050 連接的 SDA和 SCL 數(shù)據(jù)線。
2 ）復位 MPU6050
????????這一步讓 MPU6050 內(nèi)部所有寄存器恢復默認值，通過對電源管理寄存器 1（0X6B）的bit7 寫 1 實現(xiàn)。 復位后，電源管理寄存器 1 恢復默認值(0X40)，然后必須設(shè)置該寄存器為0X00，以喚醒 MPU6050，進入正常工作狀態(tài)。
3 ）設(shè)置角速度傳感器（陀螺儀）和加速度傳感器的滿量程范圍
????????這一步，我們設(shè)置兩個傳感器的滿量程范圍(FSR)，分別通過陀螺儀配置寄存器（0X1B）和加速度傳感器配置寄存器（0X1C）設(shè)置。我們一般設(shè)置陀螺儀的滿量程范圍為±2000dps，加速度傳感器的滿量程范圍為±2g。
4 ）設(shè)置其他參數(shù)
????????這里，我們還需要配置的參數(shù)有：關(guān)閉中斷、關(guān)閉 AUX IIC 接口、禁止 FIFO、設(shè)置陀螺儀采樣率和設(shè)置數(shù)字低通濾波器（DLPF）等。本章我們不用中斷方式讀取數(shù)據(jù)，所以關(guān)閉中斷，然后也沒用到 AUX IIC 接口外接其他傳感器，所以也關(guān)閉這個接口。分別通過中斷使能寄存器（0X38）和用戶控制寄存器（0X6A）控制。MPU6050 可以使用 FIFO 存儲傳感器數(shù)據(jù)，不過本章我們沒有用到，所以關(guān)閉所有 FIFO 通道，這個通過 FIFO 使能寄存器（0X23）控制，默認都是 0（即禁止 FIFO），所以用默認值就可以了。陀螺儀采樣率通過采樣率分頻寄存器（0X19）控制，這個采樣率我們一般設(shè)置為 50 即可。數(shù)字低通濾波器(DLPF)則通過配置寄存器（0X1A）設(shè)置，一般設(shè)置 DLPF 為帶寬的 1/2 即可。
5 ）配置系統(tǒng)時鐘源并使能角速度傳感器和加速度傳感器
????????系統(tǒng)時鐘源同樣是通過電源管理寄存器 1（0X1B）來設(shè)置，該寄存器的最低三位用于設(shè)置系統(tǒng)時鐘源選擇，默認值是 0（內(nèi)部 8M RC 震蕩），不過我們一般設(shè)置為 1，選擇 x 軸陀螺 PLL 作為時鐘源，以獲得更高精度的時鐘。同時，使能角速度傳感器和加速度傳感器，這兩個操作通過電源管理寄存器 2（0X6C）來設(shè)置，設(shè)置對應(yīng)位為 0 即可開啟。
????????至此，MPU6050 的初始化就完成了，可以正常工作了（其他未設(shè)置的寄存器全部采用默認值即可），接下來，我們就可以讀取相關(guān)寄存器，得到加速度傳感器、角速度傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)了。不過，我們先簡單介紹幾個重要的寄存器。
5.寄存器介紹
①電源管理寄存器1（寄存器地址為 0X6B）
????????其中，DEVICE_RESET 位用來控制復位，設(shè)置為 1，復位 MPU6050，復位結(jié)束后，MPU硬件自動清零該位。SLEEEP 位用于控制 MPU6050 的工作模式，復位后，該位為 1，即進入了睡眠模式（低功耗），所以我們要清零該位，以進入正常工作模式。TEMP_DIS 用于設(shè)置是否使能溫度傳感器，設(shè)置為 0，則使能。最后 CLKSEL[2:0]用于選擇系統(tǒng)時鐘源，選擇關(guān)系如下表所示：
????????默認是使用內(nèi)部 8M RC 晶振的，精度不高，所以我們一般選擇 X/Y/Z 軸陀螺作為參考的 PLL 作為時鐘源，一般設(shè)置 CLKSEL=001 即可。
②陀螺儀配置寄存器（寄存器地址為0X1B）
????????該寄存器我們只關(guān)心 FS_SEL[1:0]這兩個位，用于設(shè)置陀螺儀的滿量程范圍：0，±250°/S；1，±500°/S；2，±1000°/S；3，±2000°/S；我們一般設(shè)置為 3，即±2000°/S，因為陀螺儀的 ADC 為 16 位分辨率，所以得到靈敏度為：65536/4000=16.4LSB/(°/S)。
③加速度傳感器配置寄存器（寄存器地址為0X1C）
????????該寄存器我們只關(guān)心 AFS_SEL[1:0]這兩個位，用于設(shè)置加速度傳感器的滿量程范圍：0，±2g；1，±4g；2，±8g；3，±16g；我們一般設(shè)置為 0，即±2g，因為加速度傳感器的ADC 也是 16 位，所以得到靈敏度為：65536/4=16384LSB/g。
④ FIFO 使能寄存器（寄存器地址為0X23）
????????該寄存器用于控制 FIFO 使能，在簡單讀取傳感器數(shù)據(jù)的時候，可以不用 FIFO，設(shè)置對應(yīng)位為 0 即可禁止 FIFO，設(shè)置為 1，則使能 FIFO。注意加速度傳感器的 3 個軸，全由 1個位（ACCEL_FIFO_EN）控制，只要該位置 1，則加速度傳感器的三個通道都開啟 FIFO了。
⑤陀螺儀采樣率分頻寄存器（寄存器地址為0X19）
????????該寄存器用于設(shè)置 MPU6050 的陀螺儀采樣頻率，計算公式為：
????????????????????????采樣頻率 = 陀螺儀輸出頻率 / (1+SMPLRT_DIV)
????????這里陀螺儀的輸出頻率，是 1Khz 或者 8Khz，與數(shù)字低通濾波器（DLPF）的設(shè)置有關(guān)，當 DLPF_CFG=0/7 的時候，頻率為 8Khz，其他情況是 1Khz。而且 DLPF 濾波頻率一般設(shè)置為采樣率的一半。采樣率，我們假定設(shè)置為 50Hz，那么 SMPLRT_DIV=1000/50-1=19。
⑥配置寄存器（寄存器地址為0X1A）
????????這里，我們主要關(guān)心數(shù)字低通濾波器（DLPF）的設(shè)置位，即：DLPF_CFG[2:0]，加速度計和陀螺儀，都是根據(jù)這三個位的配置進行過濾的。DLPF_CFG 不同配置對應(yīng)的過濾情況如下表所示：
????????這里的加速度傳感器，輸出速率（Fs）固定是 1Khz，而角速度傳感器的輸出速率（Fs），則根據(jù) DLPF_CFG 的配置有所不同。一般我們設(shè)置角速度傳感器的帶寬為其采樣率的一半，如前面所說的，如果設(shè)置采樣率為 50Hz，那么帶寬就應(yīng)該設(shè)置為 25Hz，取近似值 20Hz，就應(yīng)該設(shè)置 DLPF_CFG=100。
⑦電源管理寄存器2（0X6C）
????????該寄存器的 LP_WAKE_CTRL 用于控制低功耗時的喚醒頻率，本章用不到。剩下的 6位，分別控制加速度和陀螺儀的 x/y/z 軸是否進入待機模式，這里我們?nèi)慷疾贿M入待機模式，所以全部設(shè)置為 0 即可。
⑧陀螺儀數(shù)據(jù)輸出寄存器（共6個寄存器，地址為0X43~0X48）
????????陀螺儀數(shù)據(jù)輸出寄存器總共由6個寄存器組成，輸出X/Y/Z三個軸的陀螺儀傳感器數(shù)據(jù)，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。
⑨加速度傳感器數(shù)據(jù)輸出寄存器（6個，地址為0X3B~0X40）
????????加速度傳感器數(shù)據(jù)輸出寄存器總共由6個寄存器組成，輸出X/Y/Z三個軸的加速度傳感器值，高字節(jié)在前，低字節(jié)在后。
⑩溫度傳感器數(shù)據(jù)輸出寄存器（0X41~0X42）
????????通過讀取0X41（高8位）和0X42（低8位）寄存器得到，溫度換算公式為：
????????????????????????????????????????????????Temperature = 36.53 + regval/340
????????其中，Temperature為計算得到的溫度值，單位為℃，regval為從0X41和0X42讀到的溫度傳感器值。
二、DMP使用簡介
????????MPU6050 自帶了數(shù)字運動處理器，即 DMP，并且，InvenSense 提供了一個 MPU6050 的嵌入式運動驅(qū)動庫，結(jié)合 MPU6050 的 DMP，可以將我們的加速度傳感器和角速度傳感器的原始數(shù)據(jù)，直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出，而得到四元數(shù)之后，就可以很方便的計算出歐拉角：航向角（yaw）、橫滾角（roll）和俯仰角（pitch）。
????????使用內(nèi)置的 DMP，大大簡化了四軸的代碼設(shè)計，且 MCU 不用進行姿態(tài)解算過程，大大降低了 MCU 的負擔，從而有更多的時間去處理其他事件，提高系統(tǒng)實時性。
????????使用 MPU6050 的 DMP 輸出的四元數(shù)是 q30 格式的，也就是浮點數(shù)放大了 2 的 30 次方倍。在換算成歐拉角之前，必須先將其轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，也就是除以 2 的 30 次方，然后再進行計算，計算公式為：
????????q0=quat[0] / q30; //q30 格式轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)
????????q1=quat[1] / q30;
????????q2=quat[2] / q30;
????????q3=quat[3] / q30;
????????//計算得到俯仰角/橫滾角/航向角
????????pitch=asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3; //俯仰角
????????roll=atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3; //橫滾角
????????yaw=atan2(2*(q1q2 + q0q3),q0q0+q1q1-q2q2-q3q3) * 57.3; //航向角
????????其中 quat[0]~ quat[3]是 MPU6050 的 DMP 解算后的四元數(shù)，q30 格式，所以要除以一個2 的 30 次方，其中 q30 是一個常量：1073741824，即 2 的 30 次方，然后帶入公式，計算出歐拉角。上述計算公式的 57.3 是弧度轉(zhuǎn)換為角度，即 180/π，這樣得到的結(jié)果就是以度（°）為單位的。關(guān)于四元數(shù)與歐拉角的公式推導，這里不進行詳細說明。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的正点原子STM32学习笔记——MPU6050介绍的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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