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[導讀]MPU6050工作原理及STM32控制MPU6050

一·簡介:

1.要想知道MPU6050工作原理,得先了解下面?zhèn)z個傳感器:

①陀螺儀傳感器:

陀螺儀的原理就是,一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時,是不會改變的。人們根據這個道理,用它來保持方向。然后用多種方法讀取軸所指示的方向,并自動將數據信號傳給控制系統(tǒng)。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉得越快越不容易倒,因為車軸有一股保持水平的力量?,F代陀螺儀可以精確地確定運動物體的方位的儀器,它在現代航空,航海,航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導航儀器。傳統(tǒng)的慣性陀螺儀主要部分有機械式的陀螺儀,而機械式的陀螺儀對工藝結構的要求很高。70年代提出了現代光纖陀螺儀的基本設想,到八十年代以后,光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發(fā)展,激光諧振陀螺儀也有了很大的發(fā)展。光纖陀螺儀具有結構緊湊,靈敏度高,工作可靠。光纖陀螺儀在很多的領域已經完全取代了機械式的傳統(tǒng)的陀螺儀,成為現代導航儀器中的關鍵部件。光纖陀螺儀同時發(fā)展的除了環(huán)式激光陀螺儀外。


mpu6050工作原理

②加速度傳感器:

加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。傳感器在加速過程中,通過對質量塊所受慣性力的測量,利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據傳感器敏感元件的不同,常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。

其實說簡單點,在mpu6050中我們用陀螺儀傳感器測角度,用加速度傳感器測加速度

MPU-60X0 :

MPU-60X0是全球首例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀, 3軸MEMS 加速度計,以及一個可擴展的數字運動處理器 DMP(DigitalMotion Processor),可用 I2C 接口連接一個第三方的數字傳感器,比如磁力計。擴展之后就可以通過其 I2C 或 SPI 接口 輸出一個 9 軸的信號(SPI 接口僅在 MPU-6000 可用)。MPU-60X0 也可以通過其 I2C 接口 連接非慣性的數字傳感器,比如壓力傳感器。 MPU-60X0 對陀螺儀和加速度計分別用了三個 16 位的 ADC,將其測量的模擬量轉化 為可輸出的數字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動,傳感器的測量范圍都是用戶可控的, 陀螺儀可測范圍為±250,±500,±1000,±2000°/秒(dps),加速度計可測范圍為±2,±4, ±8,±16g。 一個片上 1024 字節(jié)的 FIFO,有助于降低系統(tǒng)功耗。 和所有設備寄存器之間的通信采用 400kHz 的 I2C 接口或 1MHz 的 SPI 接口(SPI 僅 MPU-6000 可用)。對于需要高速傳輸的應用,對寄存器的讀取和中斷可用 20MHz 的 SPI。 另外,片上還內嵌了一個溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動的振蕩器。 芯片尺寸 4×4×0.9mm,采用 QFN 封裝(無引線方形封裝),可承受最大 10000g 的沖 擊,并有可編程的低通濾波器。 關于電源,MPU-60X0 可支持 VDD 范圍 2.5V±5%,3.0V±5%,或 3.3V±5%。另外 MPU-6050 還有一個 VLOGIC 引腳,用來為 I2C 輸出提供邏輯電平。VLOGIC 電壓可取 1.8±5%或者 VDD。

數字運動處理器(DMP):

DMP 從陀螺儀、加速度計以及外接的傳感器接收并處理數據,處理結果可以從 DMP 寄存器讀出,或通過 FIFO 緩沖。DMP 有權使用 MPU 的一個外部引腳產生中斷。

二·數據傳輸:

1.I2C原理在上一篇博客里有詳細講解,在這里不再贅述。

如果要寫 MPU-60X0 寄存器,主設備除了發(fā)出開始標志(S)和地址位,還要加一個 R/W 位,0 為寫,1 為讀。在第 9 個時鐘周期(高電平時),MPU-60X0 產生應答信號。然 后主設備開始傳送寄存器地址(RA),接到應答后,開始傳送寄存器數據,然后仍然要有應 答信號,依次類推。

單字節(jié)寫時序:


mpu6050工作原理

多字節(jié)寫時序:


mpu6050工作原理

如果要讀取 MPU-60X0 寄存器的值,首先由主設備產生開始信號(S),然后發(fā)送從設 備地址位和一個寫數據位,然后發(fā)送寄存器地址,才能開始讀寄存器。緊接著,收到應答信 號后,主設備再發(fā)一個開始信號,然后發(fā)送從設備地址位和一個讀數據位。然后,作為從設 備的 MPU-60X0 產生應答信號并開始發(fā)送寄存器數據。通信以主設備產生的拒絕應答信號 (NACK)和結束標志(P)結束。拒絕應答信號(NACK)產生定義為 SDA 數據在第 9 個 時鐘周期一直為高。


mpu6050工作原理

三·STM32控制MPU6050

1.硬件連接

實驗采用正點原子公司的 AN1507 ATK-MPU6050 六軸傳感器模塊

MPU6050 STM32

VCC <---> VCC

GND <---> GND

SDA <---> PB9

SCL <---> PB8

INT <---> 不接

AD0 <---> 不接

2. 重要寄存器

2.1 電源管理寄存器 1


mpu6050工作原理

DEVICE_RESET 位用來控制復位,設置為 1,復位 MPU6050,復位結束后, 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 用于設置是否使能溫度傳感器,設置為 0,則使能

CLKSEL[2:0]用于選擇系統(tǒng)時鐘源,選擇關系如表

CLKSEL[2:0] 時鐘源

000 內部 8M RC 晶振

001 PLL,使用 X 軸陀螺作為參考

010 PLL,使用 Y 軸陀螺作為參考

011 PLL,使用 Z 軸陀螺作為參考

100 PLL,使用外部 32.768Khz 作為參考

101 PLL,使用外部 19.2Mhz 作為參考

110 保留

111 關閉時鐘,保持時序產生電路復位狀態(tài)

**默認是使用內部 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,一般設置 CLKSEL=001 即可**

2.2 陀螺儀配置寄存器


mpu6050工作原理

FS_SEL[1:0]這兩個位,用于設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)

2.3 加速度傳感器配置寄存器


mpu6050工作原理

AFS_SEL[1:0]這兩個位,用于設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

2.4 FIFO使能寄存器


mpu6050工作原理

該寄存器用于控制 FIFO 使能,在簡單讀取傳感器數據的時候,可以不用 FIFO,設置

對應位為 0 即可禁止 FIFO,設置為 1,則使能 FIFO

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

2.5 陀螺儀采樣率分頻寄存器


mpu6050工作原理

該寄存器用于設置 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,與數字低通濾波器( DLPF)的設置有關,

當 DLPF_CFG=0/7 的時候,頻率為 8Khz,其他情況是 1Khz。而且 DLPF 濾波頻率一般設置

為采樣率的一半。采樣率,我們假定設置為 50Hz,那么 SMPLRT_DIV=1000/50-1=19

2.6 配置寄存器


mpu6050工作原理

數字低通濾波器( DLPF)的設置位,即: DLPF_CFG[2:0],加速

度計和陀螺儀,都是根據這三個位的配置進行過濾的。 DLPF_CFG 不同配置對應的過濾情

況如表:


mpu6050工作原理

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 DLPF_CFG 的配置有所不同。一般我們設置角速度傳感器的帶寬為其采樣率的一半,

如前面所說的,如果設置采樣率為 50Hz,那么帶寬就應該設置為 25Hz,取近似值 20Hz,

就應該設置 DLPF_CFG=100

2.7 電源管理寄存器 2


mpu6050工作原理

LP_WAKE_CTRL 用于控制低功耗時的喚醒頻率

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,這里我們全部都不進入待機模式,所以全部設置為 0 即可

2.8 陀螺儀數據輸出寄存器


mpu6050工作原理

通過讀取這6個寄存器,就可以讀到陀螺儀 x/y/z 軸的值,比如 x 軸的數據,可以通過讀取

0X43(高 8 位)和 0X44(低 8 位)寄存器得到,其他軸以此類推

2.9 加速度傳感器數據輸出寄存器


mpu6050工作原理

通過讀取這6個寄存器,就可以讀到加速度傳感器 x/y/z 軸的值,比如讀 x 軸的數據,可以通過讀取 0X3B(高 8 位)和0X3C(低8位)寄存器得到,其他軸以此類推

2.10 溫度傳感器數據輸出寄存器

溫度傳感器的值,可以通過讀取 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

2.11 中斷使能寄存器


mpu6050工作原理

OT_EN 該位置 1,該位使能運動檢測(Motiondetection)產生中斷。

FIFO_OFLOW_EN該位置1,該位使能FIFO緩沖區(qū)溢出產生中斷。

I2C_MST_INT_EN該位置1,該位使能I2C主機所有中斷源產生中斷。

DATA_RDY_EN 該位置 1,該位使能數據就緒中斷( Data Ready interrupt),所有的傳感器寄存器寫操作完成時都會產生

關閉所有中斷則給此寄存器賦值0X00

3. 軟件驅動

3.1 通過IIC對MPU6050寄存器進行讀寫

//IIC寫一個字節(jié)

//reg: 寄存器地址

//data: 數據

//返回值: 0,正常

// 其他,錯誤代碼

u8 IIC_Write_Byte(u8 reg,u8 data)

{

IIC_Start();

IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//發(fā)送器件地址+寫命令

if(IIC_Wait_Ack()) //等待應答

{

IIC_Stop();

return 1;

}

IIC_Send_Byte(reg); //寫寄存器地址

IIC_Wait_Ack(); //等待應答

IIC_Send_Byte(data);//發(fā)送數據

if(IIC_Wait_Ack()) //等待ACK

{

IIC_Stop();

return 1;

}

IIC_Stop();

return 0;

}

//IIC讀一個字節(jié)

//reg:寄存器地址

//返回值:讀到的數據

u8 IIC_Read_Byte(u8 reg)

{

u8 res;

IIC_Start();

IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//發(fā)送器件地址+寫命令

IIC_Wait_Ack();//等待應答

IIC_Send_Byte(reg);//寫寄存器地址

IIC_Wait_Ack();//等待應答

IIC_Start();

IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|1);//發(fā)送期間地址+讀命令

IIC_Wait_Ack();//等待應答

res=IIC_Read_Byte(0);//讀取數據,發(fā)送nACK

IIC_Stop();//產生一個停止條件

return res;

}

//IIC連續(xù)寫

//addr:器件地址

//reg: 寄存器地址

//len: 寫入長度

//buf: 數據區(qū)

//返回值: 0,正常

// 其他,錯誤代碼

u8 IIC_Write_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)

{

u8 i;

IIC_Start();

IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//發(fā)送器件地址+寫命令

if(IIC_Wait_Ack())//等待應答

{

IIC_Stop();

return 1;

}

IIC_Send_Byte(reg);//寫寄存器地址

IIC_Wait_Ack();//等待應答

for(i=0;i

{

IIC_Send_Byte(buf[i]);//發(fā)送數據

if(IIC_Wait_Ack())//等待ACK

{

IIC_Stop();

return 1;

}

}

IIC_Stop();

return 0;

}

//IIC連續(xù)讀

//addr:器件地址

//reg:要讀取的寄存器地址

//len:要讀取得長度

//buf:讀取到的數據存儲區(qū)

//返回值: 0,正常

// 其他,錯誤代碼

u8 IIC_Read_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)

{

IIC_Start();

IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//發(fā)送器件地址+寫命令

if(IIC_Wait_Ack())//等待應答

{

IIC_Stop();

return 1;

}

IIC_Send_Byte(reg);//寫寄存器地址

IIC_Wait_Ack();//等待應答

IIC_Start();

IIC_Send_Byte((addr<<1)|1);//發(fā)送器件地址+讀命令

IIC_Wait_Ack();//等待應答

while(len)

{

if(len==1) *buf=IIC_Read_Byte(0);//讀數據,發(fā)送nACK

else *buf=IIC_Read_Byte(1);//讀數據,發(fā)送ACK

len--;

buf++;

}

IIC_Stop();//產生一個停止條件

return 0;

}

3.2 MPU6050初始化

//初始化MPU6050

//返回值: 0,成功

// 其他,錯誤代碼

u8 MPU_Init(void)

{

u8 res;

IIC_Init();//初始化IIC總線

IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);//復位MPU6050

delay_ms(100);

IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);//喚醒MPU6050

MPU_Set_Gyro_Fsr(3); //陀螺儀傳感器,±2000dps

MPU_Set_Accel_Fsr(0); //加速度傳感器 ±2g

MPU_Set_Rate(50); //設置采樣率50HZ

IIC_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00); //關閉所有中斷

IIC_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);//I2C主模式關閉

IIC_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);//關閉FIFO

IIC_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80);//INT引腳低電平有效

res=IIC_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);

if(res==MPU_ADDR)//器件ID正確

{

IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);//設置CLKSEL,PLL X 軸為參考

IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);//加速度陀螺儀都工作

MPU_Set_Rate(50); //設置采樣率為50HZ

}else return 1;

return 0;

}

//設置MPU6050陀螺儀傳感器滿量程范圍

//fsr:0,±250dps;1,±500dps;2,±1000dps;3,±2000dps

//返回值:0,設置成功

// 其他,設置失敗

u8 MPU_Set_Gyro_Fsr(u8 fsr)

{

return IIC_Write_Byte(MPU_GYRO_CFG_REG,fsr<<3);//設置陀螺儀滿量程范圍

}

//設置MPU6050加速度傳感器滿量程范圍

//fsr:0,±2g;1,±4g;2,±8g;3,±16g

//返回值:0,設置成功

// 其他,設置失敗

u8 MPU_Set_Accel_Fsr(u8 fsr)

{

return IIC_Write_Byte(MPU_ACCEL_CFG_REG,fsr<<3);//設置加速度傳感器滿量程范圍

}

//設置MPU6050的數字低通濾波器

//lpf:數字低通濾波頻率(Hz)

//返回值:0,設置成功

// 其他,設置失敗

u8 MPU_Set_LPF(u16 lpf)

{

u8 data=0;

if(lpf>=188) data=1;

else if(lpf>=98) data=2;

else if(lpf>=42) data=2;

else if(lpf>=42) data=3;

else if(lpf>=20) data=4;

else if(lpf>=10) data=5;

else data=6;

return IIC_Write_Byte(MPU_CFG_REG,data);//設置數字低通濾波器

}

//設置MPU6050的采樣率(假定Fs=1KHz)

//rate:4~1000(Hz)

//返回值:0,設置成功

// 其他,設置失敗

u8 MPU_Set_Rate(u16 rate)

{

u8 data;

if(rate>1000)rate=1000;

if(rate<4)rate=4;

data=1000/rate-1;

data=IIC_Write_Byte(MPU_SAMPLE_RATE_REG,data); //設置數字低通濾波器

return MPU_Set_LPF(rate/2); //自動設置LPF為采樣率的一半

}

3.3 讀取MPU6050相關測得原始數據

//得到溫度值

//返回值:溫度值(擴大了100倍)

short MPU_Get_Temperature(void)

{

u8 buf[2];

short raw;

float temp;

IIC_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_TEMP_OUTH_REG,2,buf);

raw=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];

temp=36.53+((double)raw)/340;

return temp*100;;

}

//得到陀螺儀值(原始值)

//gx,gy,gz:陀螺儀x,y,z軸的原始讀數(帶符號)

//返回值:0,成功

// 其他,錯誤代碼

u8 MPU_Get_Gyroscope(short *gx,short *gy,short *gz)

{

u8 buf[6],res;

res=IIC_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_GYRO_XOUTH_REG,6,buf);

if(res==0)

{

*gx=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];

*gy=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];

*gz=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];

}

return res;

}

//得到加速度值(原始值)

//ax,ay,az:陀螺儀x,y,z軸的原始讀數(帶符號)

//返回值:0,成功

// 其他,錯誤代碼

u8 MPU_Get_Accelerometer(short *ax,short *ay,short *az)

{

u8 buf[6],res;

res=IIC_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_ACCEL_XOUTH_REG,6,buf);

if(res==0)

{

*ax=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];

*ay=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];

*az=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];

}

return res;;

}

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