基于STM32控制MPU6050

ID:370952 · 发表于 2018-7-25 08:34

一、硬件连接：
MPU6050       STM32
VCC ß-----à  VCC
GND ß-----à  GND
SDA ß-----à  PB9
SCL ß-----à  PB8                                                                                              INT ß-----à  不接
AD0 ß-----à  不接

二、重要的寄存器：
1、电源管理寄存器1

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CLKSEL[2:0]用于选择系统时钟源，选择关系如表

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

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

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

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

5、陀螺仪采样率分频寄存器

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

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表:

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

LP_WAKE_CTRL用于控制低功耗时的唤醒频率剩下的 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

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

9、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

10、    温度传感器数据输出寄存器
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

11、    中断使能寄存器

OT_EN该位置 1，该位使能运动检测（Motiondetection）产生中断。
FIFO_OFLOW_EN该位置1，该位使能FIFO缓冲区溢出产生中断。
I2C_MST_INT_EN该位置1，该位使能I2C主机所有中断源产生中断。
DATA_RDY_EN该位置 1，该位使能数据就绪中断（ Data Ready interrupt），所有的传感器寄存器写操作完成时都会产生关闭所有中断则给此寄存器赋值0X00
三、MPU6050传感器的使用步骤：
（1）    初始化IIC接口
（2）    复位 MPU6050
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，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
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
（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（ 0X6B）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。
四、陀螺仪、加速度、温度值读取：
陀螺仪数据输出寄存器，总共有 6 个寄存器组成，地址为：0X43~0X48，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。
加速度传感器数据输出寄存器，也有 6 个，地址为： 0X3B~0X40，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。
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

五、利用DMP进行姿态解算
欧拉角：航向角（ yaw）、横滚角（ roll）和俯仰角（ pitch）。
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 2^30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 2^30 ，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*(q1*q2+ q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * 57.3; //航向角
六、硬件电路
（1）D1指示灯
（2）K_UP按键
（3）串口1
（4）TFTLCD模块
（5）MPU6050
MPU6050与STM32F4的连接电路：

七、软件驱动
1、通过I2C对MPU6050寄存器进行读和写：

//IIC写一个字节
//reg:    寄存器地址
//data:    数据
//返回值: 0,正常
//其他,错误代码
u8 IIC_Write_Byte(u8reg,u8 data)
{
IIC_Start();
IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令
if(IIC_Wait_Ack())  //等待应答
{
      IIC_Stop();
      return 1;
}
IIC_Send_Byte(reg); //写寄存器地址
IIC_Wait_Ack();    //等待应答
      IIC_Send_Byte(data);//发送数据
if(IIC_Wait_Ack())  //等待ACK
{
      IIC_Stop();
      return 1;
}
IIC_Stop();
return 0;
}
//IIC读一个字节
//reg:寄存器地址
//返回值:读到的数据
u8 IIC_Read_Byte(u8reg)
{
u8 res;
IIC_Start();
IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令
IIC_Wait_Ack();//等待应答
IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址
IIC_Wait_Ack();//等待应答
IIC_Start();
IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|1);//发送期间地址+读命令
IIC_Wait_Ack();//等待应答
res=IIC_Read_Byte(0);//读取数据，发送nACK
IIC_Stop();//产生一个停止条件
return res
}
//IIC连续写
//addr:器件地址
//reg: 寄存器地址
//len: 写入长度
//buf: 数据区
//返回值: 0,正常
//其他，错误代码
u8 IIC_Write_Len(u8addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)
{
u8 i;
IIC_Start();
IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//发送器件地址+写命
if(IIC_Wait_Ack())//等待应答
{
      IIC_Stop();
      return 1;
}
IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址
IIC_Wait_Ack();//等待应答
for(i=0;i<len;i++)
{
      IIC_Send_Byte(buf[  i]);//发送数据
      if(IIC_Wait_Ack())//等待ACK
      {
         IIC_Stop();
         return 1;
      }
}
IIC_Stop();
return 0;
}

//IIC连续读
//addr:器件地址
//reg:要读取的寄存器地址
//len:要读取得长度
//buf:读取到的数据存储区
//返回值: 0,正常
//其他，错误代码
u8 IIC_Read_Len(u8addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)
{
IIC_Start();
IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//发送器件地址+写命令
if(IIC_Wait_Ack())//等待应答
{
      IIC_Stop();
      return 1;
}
IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址
IIC_Wait_Ack();//等待应答
IIC_Start();
IIC_Send_Byte((addr<<1)|1);//发送器件地址+读命令
IIC_Wait_Ack();//等待应答
while(len)
{
      if(len==1) *buf=IIC_Read_Byte(0);//读数据，发送nACK
      else *buf=IIC_Read_Byte(1);//读数据，发送ACK
      len--;
      buf++;
}
IIC_Stop();//产生一个停止条件
return 0;
}

2、MPU6050初始化

//初始化MPU6050
//返回值: 0,成功
//其他,错误代码
u8 MPU_Init(void)
{
u8 res;
IIC_Init();//初始化IIC总线
IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);//复位MPU6050
delay_ms(100);
IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);//唤醒MPU6050
MPU_Set_Gyro_Fsr(3); //陀螺仪传感器,±2000dps
MPU_Set_Accel_Fsr(0); //加速度传感器 ±2g
MPU_Set_Rate(50); //设置采样率50HZ
IIC_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00); //关闭所有中断
IIC_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);//I2C主模式关闭
IIC_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);//关闭FIFO
IIC_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80);//INT引脚低电平有效
res=IIC_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);
if(res==MPU_ADDR)//器件ID正确
{
      IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);//设置CLKSEL,PLL X 轴为参考
   IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);//加速度陀螺仪都工作
      MPU_Set_Rate(50); //设置采样率为50HZ
}else return 1;
return 0;
}

//设置MPU6050陀螺仪传感器满量程范围
//fsr:0,±250dps;1,±500dps;2,±1000dps;3,±2000dps
//返回值:0,设置成功
//其他,设置失败
u8 MPU_Set_Gyro_Fsr(u8fsr)
{
returnIIC_Write_Byte(MPU_GYRO_CFG_REG,fsr<<3);//设置陀螺仪满量程范围
}

//设置MPU6050加速度传感器满量程范围
//fsr:0,±2g;1,±4g;2,±8g;3,±16g
//返回值:0,设置成功
// 其他,设置失败
u8 MPU_Set_Accel_Fsr(u8fsr)
{
returnIIC_Write_Byte(MPU_ACCEL_CFG_REG,fsr<<3);//设置加速度传感器满量程范围
}

//设置MPU6050的数字低通滤波器
//lpf:数字低通滤波频率(Hz)
//返回值:0,设置成功
//其他,设置失败
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);//设置数字低通滤波器
}

//设置MPU6050的采样率(假定Fs=1KHz)
//rate:4~1000(Hz)
//返回值:0,设置成功
//其他,设置失败
u8 MPU_Set_Rate(u16rate)
{
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);  //设置数字低通滤波器
return MPU_Set_LPF(rate/2); //自动设置LPF为采样率的一半
}

3、读取MPU6050相关测得的原始数据

//得到温度值
//返回值:温度值(扩大了100倍)
shortMPU_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;;
}

//得到陀螺仪值(原始值)
//gx,gy,gz:陀螺仪x,y,z轴的原始读数(带符号)
//返回值:0,成功
//其他,错误代码
u8MPU_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:陀螺仪x,y,z轴的原始读数(带符号)
//返回值:0,成功
//其他,错误代码
u8MPU_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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