2021年12月06日 | 正点原子STM32学习笔记——MPU6050介绍

一、MPU6050简介

1.什么是MPU6050？

        MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件，内带3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个第二IIC接口，可用于连接外部磁力传感器，利用自带数字运动处理器（DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通过主IIC接口，可以向应用端输出完整的9轴姿态融合演算数据。

        有了DMP，我们可以使用InvenSense公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度 。

2.MUP6050特点。

MPU6050 的特点包括：

① 以数字形式输出 6 轴或 9 轴（需外接磁传感器）的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据（需 DMP 支持）。

② 具有 131 LSBs/°/sec 敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000 与±2000°/sec 的 3 轴角速度感测器(陀螺仪)。

③ 集成可程序控制，范围为±2g、±4g、±8g 和±16g 的 3 轴加速度传感器。

④ 移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。

⑤ 自带数字运动处理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可减少MCU复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。

⑥ 内建运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求。

⑦ 自带一个数字温度传感器。

⑧ 带数字输入同步引脚(Sync pin)支持视频电子影相稳定技术与 GPS。

⑨ 可程序控制的中断(interrupt)，支持姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、high-G 中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能。

⑩ VDD 供电电压为 2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%；VLOGIC 可低至 1.8V± 5%。

⑪ 陀螺仪工作电流：5mA，陀螺仪待。

⑫ 自带 1024 字节 FIFO，有助于降低系统功。

⑬ 高达 400Khz 的 IIC 通信接口。

⑭ 超小封装尺寸：4x4x0.9mm（QFN）。

3.MPU6050框图。

        其中，SCL 和 SDA 是连接 MCU 的 IIC 接口，MCU 通过这个 IIC 接口来控制 MPU6050，另外还有一个 IIC 接口：AUX_CL 和 AUX_DA，这个接口可用来连接外部从设备，比如磁传感器，这样就可以组成一个九轴传感器。VLOGIC 是 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 是从 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，如果接 VDD，则是0X69，注意：这里的地址是不包含数据传输的最低位的（最低位用来表示读写）！！

另：

①ATK-MPU6050 六轴传感器模块外观：

        模块自带了 3.3V 超低压差稳压芯片，给 MPU6050 供电，因此外部供电可以选择：3.3V / 5V 都可以。模块通过 P1 排针与外部连接，引出了 VCC、GND、IIC_SDA、IIC_SCL、MPU_INT 和 MPU_AD0 等信号，其中，IIC_SDA 和 IIC_SCL 带了 4.7K上拉电阻，外部可以不用再加上拉电阻了，另外 MPU_AD0 自带了 10K 下拉电阻，当 AD0悬空时，默认 IIC 地址为（0X68）。

②ATK-MPU6050 模块原理图：

4.MPU6050初始化。

1 ）初始化 IIC 接口

        MPU6050 采用 IIC 与 STM32F1 通信，所以我们需要先初始化与 MPU6050 连接的 SDA和 SCL 数据线。

2 ）复位 MPU6050

        这一步让 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bit7 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。

3 ）设置角速度传感器（陀螺仪）和加速度传感器的满量程范围

        这一步，我们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。

4 ）设置其他参数

        这里，我们还需要配置的参数有：关闭中断、关闭 AUX IIC 接口、禁止 FIFO、设置陀螺仪采样率和设置数字低通滤波器（DLPF）等。本章我们不用中断方式读取数据，所以关闭中断，然后也没用到 AUX IIC 接口外接其他传感器，所以也关闭这个接口。分别通过中断使能寄存器（0X38）和用户控制寄存器（0X6A）控制。MPU6050 可以使用 FIFO 存储传感器数据，不过本章我们没有用到，所以关闭所有 FIFO 通道，这个通过 FIFO 使能寄存器（0X23）控制，默认都是 0（即禁止 FIFO），所以用默认值就可以了。陀螺仪采样率通过采样率分频寄存器（0X19）控制，这个采样率我们一般设置为 50 即可。数字低通滤波器(DLPF)则通过配置寄存器（0X1A）设置，一般设置 DLPF 为带宽的 1/2 即可。

5 ）配置系统时钟源并使能角速度传感器和加速度传感器

        系统时钟源同样是通过电源管理寄存器 1（0X1B）来设置，该寄存器的最低三位用于设置系统时钟源选择，默认值是 0（内部 8M RC 震荡），不过我们一般设置为 1，选择 x 轴陀螺 PLL 作为时钟源，以获得更高精度的时钟。同时，使能角速度传感器和加速度传感器，这两个操作通过电源管理寄存器 2（0X6C）来设置，设置对应位为 0 即可开启。

        至此，MPU6050 的初始化就完成了，可以正常工作了（其他未设置的寄存器全部采用默认值即可），接下来，我们就可以读取相关寄存器，得到加速度传感器、角速度传感器和温度传感器的数据了。不过，我们先简单介绍几个重要的寄存器。

5.寄存器介绍

①电源管理寄存器1（寄存器地址为 0X6B）

        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。最后 CLKSEL[2:0]用于选择系统时钟源，选择关系如下表所示：

        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陀螺仪配置寄存器（寄存器地址为0X1B）

        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)。

③加速度传感器配置寄存器（寄存器地址为0X1C）

        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。

④ FIFO 使能寄存器（寄存器地址为0X23）

        该寄存器用于控制 FIFO 使能，在简单读取传感器数据的时候，可以不用 FIFO，设置对应位为 0 即可禁止 FIFO，设置为 1，则使能 FIFO。注意加速度传感器的 3 个轴，全由 1个位（ACCEL_FIFO_EN）控制，只要该位置 1，则加速度传感器的三个通道都开启 FIFO了。

⑤陀螺仪采样率分频寄存器（寄存器地址为0X19）

        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。

⑥配置寄存器（寄存器地址为0X1A）

        这里，我们主要关心数字低通滤波器（DLPF）的设置位，即：DLPF_CFG[2:0]，加速度计和陀螺仪，都是根据这三个位的配置进行过滤的。DLPF_CFG 不同配置对应的过滤情况如下表所示：

        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。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 50Hz，那么带宽就应该设置为 25Hz，取近似值 20Hz，就应该设置 DLPF_CFG=100。

⑦电源管理寄存器2（0X6C）

        该寄存器的 LP_WAKE_CTRL 用于控制低功耗时的唤醒频率，本章用不到。剩下的 6位，分别控制加速度和陀螺仪的 x/y/z 轴是否进入待机模式，这里我们全部都不进入待机模式，所以全部设置为 0 即可。

⑧陀螺仪数据输出寄存器（共6个寄存器，地址为0X43~0X48）

        陀螺仪数据输出寄存器总共由6个寄存器组成，输出X/Y/Z三个轴的陀螺仪传感器数据，高字节在前，低字节在后。

⑨加速度传感器数据输出寄存器（6个，地址为0X3B~0X40）

        加速度传感器数据输出寄存器总共由6个寄存器组成，输出X/Y/Z三个轴的加速度传感器值，高字节在前，低字节在后。

⑩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，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。

二、DMP使用简介

        MPU6050 自带了数字运动处理器，即 DMP，并且，InvenSense 提供了一个 MPU6050 的嵌入式运动驱动库，结合 MPU6050 的 DMP，可以将我们的加速度传感器和角速度传感器的原始数据，直接转换成四元数输出，而得到四元数之后，就可以很方便的计算出欧拉角：航向角（yaw）、横滚角（roll）和俯仰角（pitch）。

        使用内置的 DMP，大大简化了四轴的代码设计，且 MCU 不用进行姿态解算过程，大大降低了 MCU 的负担，从而有更多的时间去处理其他事件，提高系统实时性。

        使用 MPU6050 的 DMP 输出的四元数是 q30 格式的，也就是浮点数放大了 2 的 30 次方倍。在换算成欧拉角之前，必须先将其转换为浮点数，也就是除以 2 的 30 次方，然后再进行计算，计算公式为：

        q0=quat[0] / q30; //q30 格式转换为浮点数

        q1=quat[1] / q30;

        q2=quat[2] / q30;

        q3=quat[3] / q30;

        //计算得到俯仰角/横滚角/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; //横滚角

        yaw=atan2(2*(q1q2 + q0q3),q0q0+q1q1-q2q2-q3q3) * 57.3; //航向角

        其中 quat[0]~ quat[3]是 MPU6050 的 DMP 解算后的四元数，q30 格式，所以要除以一个2 的 30 次方，其中 q30 是一个常量：1073741824，即 2 的 30 次方，然后带入公式，计算出欧拉角。上述计算公式的 57.3 是弧度转换为角度，即 180/π，这样得到的结果就是以度（°）为单位的。关于四元数与欧拉角的公式推导，这里不进行详细说明。