STM32CubeMX教程19 I2C - MPU6050驱动
1、準備材料
正點原子stm32f407探索者開發板V2.4
STM32CubeMX軟件（Version 6.10.0）
野火DAP仿真器
keil μVision5 IDE（MDK-Arm）
ST-LINK/V2驅動
XCOM V2.6串口助手
邏輯分析儀nanoDLA
2、實驗目標
使用STM32CubeMX軟件配置STM32F407開發板的I2C1與MPU6050芯片通信，讀取MPU6050的三軸加速度和陀螺儀數據并通過串口打印出來
3、實驗流程
3.0、前提知識
本實驗重點是理解I2C通信協議，而STM32CubeMX的配置則相對簡單，這里不會過于詳細全面的介紹I2C通信協議，但是會對所有需要知道的知識做介紹
在我們的開發板上有一顆三軸加速度計和陀螺儀傳感器MPU6050，單片機通過I2C1的PB8和PB9兩個引腳與MPU6050進行通信，MPU6050還有一個中斷引腳，這里為3D_INT引腳，但是本實驗僅僅輪詢讀取加速度計和陀螺儀的數據，并沒有用到該引腳中斷功能，我們使用的開發板上的MPU6050芯片硬件原理圖如下圖所示
I2C通信僅需要時鐘線SCLK和數據線SDA兩根線就可以讓主機與掛載在I2C上的從機進行通信和數據交換，一個I2C理論上最多可掛載127個設備（從機地址用7位二進制表示）
為了讓主機準確的與眾多從機中的一個進行通信，每個從機都會有一個地址，I2C通信時會在通信數據中先發送從機地址，然后對應地址的從機才會響應
而且I2C通信使用的時鐘線SCLK和數據線SDA兩根線必須要做上拉設置，因為I2C的兩個引腳被配置為開漏輸出，因此無法輸出高電平，I2C總線連線圖如下圖所示 （注釋1）
MPU6050的從機地址由芯片上的AD0引腳確定，當AD0引腳接地時，從機地址為0X68；
當AD0引腳接VCC時，從機地址為0X69；
根據上面MPU6050芯片硬件原理圖可知此時MPU6050的從機地址為0X68
根據MPU6050 datasheet 9.3 I2C Communications Protocol 小節可知 （注釋2），主機要通過I2C寫入/讀取MPU6050某一個寄存器一字節的數據，其通信步驟序列應該如下圖所示
我們以讀取內部寄存器單個字節數據為例做詳細介紹，首先確定通信的目的為主機Master從從機Slave內部某個寄存器internal register中讀取一個字節數據，以下為詳細通信步驟
- 主機時鐘線SCLK和數據線SDA兩根線產生起始信號（當 SCL 線是高電平時 SDA 線從高電平向低電平切換）
- 接下來時鐘線SCLK的8個時鐘節拍中，由數據線SDA發送一字節8位的數據，其中高7位為從機的地址，最后一位為0（1表示讀操作，0表示寫操作）
- 接下來1個時鐘節拍，從機應該產生應答信號ACK
- 接下來8個時鐘節拍，主機發送一字節8位的數據，該數據為要讀取的從機內部寄存器地址
- 接下來1個時鐘節拍，從機應該產生應答信號ACK
- 主機重新產生一個起始信號
- 接下來8個時鐘節拍，重新發送一字節8位的數據，其中高7位為從機的地址，最后一位為1，表示這次要讀
- 接下來1個時鐘節拍，從機應該產生應答信號ACK
- 接下來8個時鐘節拍，主機讀取一字節8位數據
- 接下來1個時鐘節拍，主機應該產生應答信號NACK
- 主機時鐘線SCLK和數據線SDA兩根線產生停止信號（當 SCL 線是高電平時 SDA 線由低電平向高電平切換）
接下來我們用邏輯分析儀捕獲下主機使用I2C1讀取MPU6050寄存器WHO_AM_I（0X75）時，時鐘線SCLK和數據線SDA的邏輯電平變化，如下圖所示，從圖上可知I2C讀取讀取MPU6050內部寄存器的時序與上面我們所描述的一致
用邏輯分析儀捕獲主機使用I2C1向MPU6050寄存器PWR_MGMT_1（0X6B）寫入一字節0X00數據時，時鐘線SCLK和數據線SDA的邏輯電平變化，如下圖所示
為什么上圖中從機地址從0X68變為0XD0了？
HAL庫中的I2C寫入函數HAL_I2C_Mem_Write()和讀取函數HAL_I2C_Mem_Read()對傳入從機地址DevAddress參數做了要求，該地址必須將數據手冊中提到的地址左移才可以調用該接口
0X68（0110 1000）向左移動直到遇到1即為0XD0（1101 0000），在I2C通信中使用上述兩個API，從機地址傳入0XD0表示對從機地址為0X68的從機進行寫操作，傳入0XD1表示對從機地址為0X68的從機進行讀操作
如下圖為HAL庫HAL_I2C_Mem_Read()函數說明
上面提到，當啟用I2C之后，其I2C_SCL和I2C_SDA兩個引腳被配置為了復用功能開漏輸出，而開漏輸出無法輸出高電平，因此I2C_SCL和I2C_SDA兩個引腳需要外部上拉，一般的開發板都會考慮到這一點，在設計原理圖的時候將使用的I2C兩根線給外部上拉到3.3V，如果你使用的是自己設計的板子，請務必記住I2C需要上拉
細心的同學可能又發現了，你上面給出的MPU6050硬件原理圖I2C兩根線并沒有外部上拉呀？
雖然MPU6050硬件原理圖I2C兩根線沒有上拉，但是在開發板的其他I2C通信的芯片上進行了外部上拉，如下圖所示
3.1、CubeMX相關配置
3.1.0、工程基本配置
打開STM32CubeMX軟件，單擊ACCESS TO MCU SELECTOR選擇開發板MCU（選擇你使用開發板的主控MCU型號），選中MCU型號后單擊頁面右上角Start Project開始工程，具體如下圖所示
開始工程之后在配置主頁面System Core/RCC中配置HSE/LSE晶振，在System Core/SYS中配置Debug模式，具體如下圖所示
詳細工程建立內容讀者可以閱讀“STM32CubeMX教程1 工程建立”
3.1.1、時鐘樹配置
系統時鐘使用8MHz外部高速時鐘HSE，HCLK、PCLK1和PCLK2均設置為STM32F407能達到的最高時鐘頻率，具體如下圖所示
3.1.2、外設參數配置
實驗需要通過串口來輸出與MPU6050進行I2C通信讀取的陀螺儀和加速度計數據，因此外設需要初始化USART1和I2C1
單擊Pinout & Configuration頁面左邊Connectivity/USART1選項，然后按照“STM32CubeMX教程9 USART/UART 異步通信”實驗中將USART1配置為異步通信模式，無需開啟中斷，如下圖所示
在Pinout ＆ Configuration頁面右邊芯片引腳預覽Pinout view中找到與開發板上MPU6050芯片連接的I2C的兩個通信引腳PB8和PB9，左邊單擊將其分別配置為I2C1_SCL和I2C1_SDA
然后單擊Connectivity/I2C1選項，在其模式中選擇I2C，在下方Master Features中將 I2C Speed Mode 根據用戶需求選擇快速模式（400kkHz）或者標準模式（100kHz），這兩種模式僅僅影響通信速率，對于本實驗兩個模式均可隨意選擇
其他參數保持默認即可，具體配置如下圖所示
3.1.3、外設中斷配置
本實驗無需啟用中斷，如果需要啟用I2C1的中斷，請單擊System Core/NVIC，然后根據需求勾選I2C1的事件或錯誤中斷，并選擇合適的中斷優先級即可，具體配置如下圖所示
3.2、生成代碼
3.2.0、配置Project Manager頁面
單擊進入Project Manager頁面，在左邊Project分欄中修改工程名稱、工程目錄和工具鏈，然后在Code Generator中勾選“Gnerate peripheral initialization as a pair of 'c/h' files per peripheral”，最后單擊頁面右上角GENERATE CODE生成工程，具體如下圖所示
詳細Project Manager配置內容讀者可以閱讀“STM32CubeMX教程1 工程建立”實驗3.4.3小節
3.2.1、外設初始化調用流程
還是一模一樣的流程，與該系列教程所有的外設初始化一致
在生成的工程代碼主函數中新增了MX_I2C1_Init()函數，在該函數中實現了對I2C1的模式及參數配置
在MX_I2C1_Init()函數中調用了HAL_I2C_Init()函數使用配置的參數對I2C1進行了初始化
在HAL_I2C_Init()函數中又調用了HAL_I2C_MspInit()函數對I2C1引腳復用設置，I2C1時鐘使能，如果開啟了中斷該函數中還會有中斷相關設置及使能
如下圖所示為I2C1初始化調用流程
3.2.2、外設中斷調用流程
本實驗無需中斷，因此未啟動任何I2C1的中斷
3.2.3、添加其他必要代碼
需要添加MPU6050的驅動文件，文件中至少應該包括
- MPU6050初始化函數
- MPU6050獲取三軸加速度計原始數據函數
- MPU6050獲取三軸陀螺儀原始數據函數
注意本實驗只使用而不會介紹MPU6050具體驅動文件的原理，具體源代碼如下所示 （注釋3）
mpu6050.c文件
#include "mpu6050.h"
/**
* @brief MPU6050初始化函數
* @alter 無
* @param 無
* @retval 成功返回0，失敗返回1
*/
uint8_t MPU6050_Init(I2C_HandleTypeDef *I2Cx)
{
uint8_t check;
uint8_t Data;
// check device ID WHO_AM_I
HAL_I2C_Mem_Read(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_DEVICE_ID_REG, 1, &check, 1, I2C_TimeOut);
// 0x68 will be returned by the sensor if everything goes well
if (check == 104)
{
// power management register 0X6B we should write all 0's to wake the sensor up
Data = 0;
HAL_I2C_Mem_Write(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_PWR_MGMT1_REG, 1, &Data, 1, I2C_TimeOut);
// Set DATA RATE of 1KHz by writing SMPLRT_DIV register
Data = 0x07;
HAL_I2C_Mem_Write(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_SAMPLE_RATE_REG, 1, &Data, 1, I2C_TimeOut);
// Set accelerometer configuration in ACCEL_CONFIG Register
// XA_ST=0,YA_ST=0,ZA_ST=0, FS_SEL=0 -> 2g
Data = 0x00;
HAL_I2C_Mem_Write(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_ACCEL_CFG_REG, 1, &Data, 1, I2C_TimeOut);
// Set Gyroscopic configuration in GYRO_CONFIG Register
// XG_ST=0,YG_ST=0,ZG_ST=0, FS_SEL=0 -> 250 /s
Data = 0x00;
HAL_I2C_Mem_Write(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_GYRO_CFG_REG, 1, &Data, 1, I2C_TimeOut);
return 0;
}
return 1;
}
/**
* @brief MPU6050溫度值獲取函數
* @alter 無
* @param 無
* @retval 溫度值
*/
float MPU_Get_Temperature(void)
{
uint8_t buf[2];
short raw;
float temp;
HAL_I2C_Mem_Read(&MPU6050_I2C, MPU6050_ADDR, MPU_TEMP_OUTH_REG, 1, buf, 2, I2C_TimeOut);
raw=((int16_t)buf[0]<<8)|buf[1];
temp=36.53+((double)raw)/340;
return temp;;
}
/**
* @brief MPU6050陀螺儀值獲取函數(三軸原始值)
* @alter 無
* @param gx,gy,gz:陀螺儀x,y,z軸的原始讀數(帶符號)
* @retval 正常：0，錯誤：其他
*/
uint8_t MPU_Get_RAW_Gyroscope(int16_t *gx,int16_t *gy,int16_t *gz)
{
uint8_t buf[6],res;
res = HAL_I2C_Mem_Read(&MPU6050_I2C, MPU6050_ADDR, MPU_GYRO_XOUTH_REG, 1, buf, 6, I2C_TimeOut);
if(res==0)
{
*gx=((int16_t)buf[0]<<8)|buf[1];
*gy=((int16_t)buf[2]<<8)|buf[3];
*gz=((int16_t)buf[4]<<8)|buf[5];
}
return res;
}
/**
* @brief MPU6050加速度值獲取函數(三軸原始值)
* @alter 無
* @param ax,ay,az:加速度計x,y,z軸的原始讀數(帶符號)
* @retval 正常：0，錯誤：其他
*/
uint8_t MPU_Get_RAW_Accelerometer(int16_t *ax,int16_t *ay,int16_t *az)
{
uint8_t buf[6],res;
res = HAL_I2C_Mem_Read(&MPU6050_I2C, MPU6050_ADDR, MPU_ACCEL_XOUTH_REG, 1, buf, 6, I2C_TimeOut);
if(res==0)
{
*ax=((int16_t)buf[0]<<8)|buf[1];
*ay=((int16_t)buf[2]<<8)|buf[3];
*az=((int16_t)buf[4]<<8)|buf[5];
}
return res;
}
mpu6050.h文件
#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H
#include "main.h"
#include "i2c.h"
#endif
#define MPU6050_I2C hi2c1
#define MPU6050_ADDR 0xD0
#define I2C_TimeOut 100
/*MPU6050內部寄存器地址*/
#define MPU_SAMPLE_RATE_REG 0X19 //采樣頻率分頻器
#define MPU_GYRO_CFG_REG 0X1B //陀螺儀配置寄存器
#define MPU_ACCEL_CFG_REG 0X1C //加速度計配置寄存器
#define MPU_ACCEL_XOUTH_REG 0X3B //加速度值,X軸高8位寄存器
#define MPU_TEMP_OUTH_REG 0X41 //溫度值高八位寄存器
#define MPU_GYRO_XOUTH_REG 0X43 //陀螺儀值,X軸高8位寄存器
#define MPU_PWR_MGMT1_REG 0X6B //電源管理寄存器1
#define MPU_DEVICE_ID_REG 0X75 //器件ID寄存器
uint8_t MPU6050_Init(I2C_HandleTypeDef *I2Cx);
float MPU_Get_Temperature(void);
uint8_t MPU_Get_RAW_Gyroscope(int16_t *gx,int16_t *gy,int16_t *gz);
uint8_t MPU_Get_RAW_Accelerometer(int16_t *ax,int16_t *ay,int16_t *az);
/*
MPU6050內部所有寄存器地址
#define MPU_SELF_TESTX_REG 0X0D //自檢寄存器X
#define MPU_SELF_TESTY_REG 0X0E //自檢寄存器Y
#define MPU_SELF_TESTZ_REG 0X0F //自檢寄存器Z
#define MPU_SELF_TESTA_REG 0X10 //自檢寄存器A
#define MPU_SAMPLE_RATE_REG 0X19 //采樣頻率分頻器
#define MPU_CFG_REG 0X1A //配置寄存器
#define MPU_GYRO_CFG_REG 0X1B //陀螺儀配置寄存器
#define MPU_ACCEL_CFG_REG 0X1C //加速度計配置寄存器
#define MPU_MOTION_DET_REG 0X1F //運動檢測閥值設置寄存器
#define MPU_FIFO_EN_REG 0X23 //FIFO使能寄存器
#define MPU_I2CMST_CTRL_REG 0X24 //IIC主機控制寄存器
#define MPU_I2CSLV0_ADDR_REG 0X25 //IIC從機0器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV0_REG 0X26 //IIC從機0數據地址寄存器
#define MPU_I2CSLV0_CTRL_REG 0X27 //IIC從機0控制寄存器
#define MPU_I2CSLV1_ADDR_REG 0X28 //IIC從機1器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV1_REG 0X29 //IIC從機1數據地址寄存器
#define MPU_I2CSLV1_CTRL_REG 0X2A //IIC從機1控制寄存器
#define MPU_I2CSLV2_ADDR_REG 0X2B //IIC從機2器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV2_REG 0X2C //IIC從機2數據地址寄存器
#define MPU_I2CSLV2_CTRL_REG 0X2D //IIC從機2控制寄存器
#define MPU_I2CSLV3_ADDR_REG 0X2E //IIC從機3器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV3_REG 0X2F //IIC從機3數據地址寄存器
#define MPU_I2CSLV3_CTRL_REG 0X30 //IIC從機3控制寄存器
#define MPU_I2CSLV4_ADDR_REG 0X31 //IIC從機4器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV4_REG 0X32 //IIC從機4數據地址寄存器
#define MPU_I2CSLV4_DO_REG 0X33 //IIC從機4寫數據寄存器
#define MPU_I2CSLV4_CTRL_REG 0X34 //IIC從機4控制寄存器
#define MPU_I2CSLV4_DI_REG 0X35 //IIC從機4讀數據寄存器
#define MPU_I2CMST_STA_REG 0X36 //IIC主機狀態寄存器
#define MPU_INTBP_CFG_REG 0X37 //中斷/旁路設置寄存器
#define MPU_INT_EN_REG 0X38 //中斷使能寄存器
#define MPU_INT_STA_REG 0X3A //中斷狀態寄存器
#define MPU_ACCEL_XOUTH_REG 0X3B //加速度值,X軸高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_XOUTL_REG 0X3C //加速度值,X軸低8位寄存器
#define MPU_ACCEL_YOUTH_REG 0X3D //加速度值,Y軸高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_YOUTL_REG 0X3E //加速度值,Y軸低8位寄存器
#define MPU_ACCEL_ZOUTH_REG 0X3F //加速度值,Z軸高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_ZOUTL_REG 0X40 //加速度值,Z軸低8位寄存器
#define MPU_TEMP_OUTH_REG 0X41 //溫度值高八位寄存器
#define MPU_TEMP_OUTL_REG 0X42 //溫度值低8位寄存器
#define MPU_GYRO_XOUTH_REG 0X43 //陀螺儀值,X軸高8位寄存器
#define MPU_GYRO_XOUTL_REG 0X44 //陀螺儀值,X軸低8位寄存器
#define MPU_GYRO_YOUTH_REG 0X45 //陀螺儀值,Y軸高8位寄存器
#define MPU_GYRO_YOUTL_REG 0X46 //陀螺儀值,Y軸低8位寄存器
#define MPU_GYRO_ZOUTH_REG 0X47 //陀螺儀值,Z軸高8位寄存器
#define MPU_GYRO_ZOUTL_REG 0X48 //陀螺儀值,Z軸低8位寄存器
#define MPU_I2CSLV0_DO_REG 0X63 //IIC從機0數據寄存器
#define MPU_I2CSLV1_DO_REG 0X64 //IIC從機1數據寄存器
#define MPU_I2CSLV2_DO_REG 0X65 //IIC從機2數據寄存器
#define MPU_I2CSLV3_DO_REG 0X66 //IIC從機3數據寄存器
#define MPU_I2CMST_DELAY_REG 0X67 //IIC主機延時管理寄存器
#define MPU_SIGPATH_RST_REG 0X68 //信號通道復位寄存器
#define MPU_MDETECT_CTRL_REG 0X69 //運動檢測控制寄存器
#define MPU_USER_CTRL_REG 0X6A //用戶控制寄存器
#define MPU_PWR_MGMT1_REG 0X6B //電源管理寄存器1
#define MPU_PWR_MGMT2_REG 0X6C //電源管理寄存器2
#define MPU_FIFO_CNTH_REG 0X72 //FIFO計數寄存器高八位
#define MPU_FIFO_CNTL_REG 0X73 //FIFO計數寄存器低八位
#define MPU_FIFO_RW_REG 0X74 //FIFO讀寫寄存器
#define MPU_DEVICE_ID_REG 0X75 //器件ID寄存器
*/
在keil中添加.c/.h文件步驟如下圖所示
然后將源代碼復制到新建的.c/.h文件中，最后將.c文件添加到工程即可，如下圖所示
在主函數中初始化MPU6050，主循環中獲取原始的三軸加速度數據和三軸陀螺儀數據，并通過串口打印信息
源代碼如下
/*main.c中定義的變量*/
int16_t ax,ay,az,gx,gy,gz;
/*初始化代碼*/
while(MPU6050_Init(&hi2c1) != HAL_OK){HAL_Delay(1);}
/*主循環中代碼*/
MPU_Get_RAW_Gyroscope(&ax,&ay,&az);
MPU_Get_RAW_Accelerometer(&gx,&gy,&gz);
printf("ax:%d,ay:%d,az:%d,",ax,ay,az);
printf("gx:%d,gy:%d,gz:%d\r\n",gx,gy,gz);
HAL_Delay(100);
4、常用函數
/*I2C讀函數*/
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Read(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
/*I2C寫函數*/
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
5、燒錄驗證
燒錄程序，上電后開啟串口，可以看到源源不斷的輸出當前MPU6050三軸加速度數據和三軸陀螺儀數據，移動開發板會發現數據有規律改變，如下圖所示為串口輸出的數據
6、注釋詳解
注釋1：圖片來源 I2C通信協議介紹 - 知乎
注釋2：MPU6050 Datasheet https://invensense.tdk.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf
注釋3：MPU6050驅動庫參考 https://github.com/leech001/MPU6050
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總結
以上是生活随笔為你收集整理的STM32CubeMX教程19 I2C - MPU6050驱动的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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