STM32之MPU6050第一部分

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一、MPU6050基础介绍

  1. MPU6050 是 InvenSense 公司推出的全球首款整合性 6 轴运动处理组件,相较于多组件方案,免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题,减少了安装空间。
  2. MPU6050 内部整合了 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,并利用自带的数字运动处理器(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎,通过主 IIC 接口,向应用端输出完整的 9 轴融合演算数据。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。

二、 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,陀螺仪待机电流:5uA;加速器工作电流:500uA,加速器省电模式电流:40uA@10Hz
⑫ 自带 1024 字节 FIFO,有助于降低系统功耗
⑬ 高达 400Khz 的 IIC 通信接口
⑭ 超小封装尺寸:4x4x0.9mm(QFN)
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  1. SCL和SDA是连接MCU的IIC接口MCU 通过这个 IIC 接口来控MPU6050,另外还有一个 IIC 接口:AUX_CLAUX_DA(用来连接外部设备,比如磁传感器,这样就可以组成一个九轴传感器。
  2. 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。
  3. 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)!!

在精英 STM32F1 开发板上,我们通过 PA15 控制 ATK-MPU6050 模块 AD0 接 GND,因而选择 MPU6050 的 IIC 地址是 0X68(不含最低位)

三、接下来,我们介绍一下利用 STM32F1 读取 MPU6050 的加速度和角度传感器数据(非中断方式),需要哪些初始化步骤:

  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。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
    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(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(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)

四、接下来我们就可以通过读取相关寄存器,得到加速度传感器,角速度传感器的数据了。下面我们先简单介绍下几种相关寄存器

  1. 电源管理寄存器 1,该寄存器地址为 0X6B

在这里插入图片描述
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。
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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CLKSEL=001 即可。

  1. 陀螺仪配置寄存器,该寄存器地址为:0X1B
    在这里插入图片描述
    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)。
  2. 加速度传感器配置寄存器,寄存器地址为:0X1C
    在这里插入图片描述
    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。
  3. FIFO 使能寄存器,寄存器地址为:0X23
    在这里插入图片描述
    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
  4. 陀螺仪采样率分频寄存器,寄存器地址为:0X19
    在这里插入图片描述
    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。
  5. 配置寄存器,寄存器地址为:0X1A
    在这里插入图片描述
    这里,我们主要关心数字低通滤波器(DLPF)的设置位,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
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    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。
  6. 电源管理寄存器 2,寄存器地址为:0X6C
    在这里插入图片描述
    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。接下来,我们看看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。同样,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。最后,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。

五、DMP 使用简介
我们可以读出 MPU6050 的加速度传感器和角速度传感器的原始数据。不过这些原始数据,对想搞四轴之类的初学者来说,用处不大,我们期望得到的是姿态数据,也就是欧拉角:航向角(yaw)、横滚角(roll)和俯仰角(pitch)。有了这三个角,我们就可以得到当前四轴的姿态,这才是我们想要的结果。要得到欧拉角数据,就得利用我们的原始数据,进行姿态融合解算,这个比较复杂,知识点比较多,初学者 不易掌握。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,从而得到 yaw、roll 和 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*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * 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,这里我们不进行讲解,感兴趣的朋友,可以自行查阅相关资料学习。

该驱动库,重点就是两个 c 文件:inv_mpu.c 和 inv_mpu_dmp_motion_driver.c。其中我们在inv_mpu.c添加了几个函数,方便我们使用,重点是两个函数mpu_dmp_initmpu_dmp_get_data
这两个函数,这里我们简单介绍下这两个函数。mpu_dmp_init,是 MPU6050 DMP 初始化函数,该函数代码如下:

//mpu6050,dmp 初始化
//返回值:0,正常
// 其他,失败
u8 mpu_dmp_init(void)
{
u8 res=0;
IIC_Init(); //初始化 IIC 总线
if(mpu_init()==0) //初始化 MPU6050
{ 
res=mpu_set_sensors(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL);//设置需要的传感器
if(res)return 1;
res=mpu_configure_fifo(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL);//设置 FIFO
if(res)return 2;
res=mpu_set_sample_rate(DEFAULT_MPU_HZ);  //设置采样率
if(res)return 3;
res=dmp_load_motion_driver_firmware(); //加载 dmp 固件
if(res)return 4;
res=dmp_set_orientation(inv_orientation_matrix_to_scalar(gyro_orientation));
//设置陀螺仪方向
if(res)return 5;
res=dmp_enable_feature(DMP_FEATURE_6X_LP_QUAT|DMP_FEATURE_TAP|
DMP_FEATURE_ANDROID_ORIENT|DMP_FEATURE_SEND_RAW_ACCEL|
DMP_FEATURE_SEND_CAL_GYRO|DMP_FEATURE_GYRO_CAL);
//设置 dmp 功能
if(res)return 6;
res=dmp_set_fifo_rate(DEFAULT_MPU_HZ);//设置 DMP 输出速率(最大 200Hz)
if(res)return 7;
res=run_self_test(); //自检
if(res)return 8;
res=mpu_set_dmp_state(1); //使能 DMP
if(res)return 9;
}
return 0;
}

此函数首先通过 IIC_Init(需外部提供)初始化与 MPU6050 连接的 IIC 接口,然后调用mpu_init 函数,初始化 MPU6050,之后就是设置 DMP 所用传感器、FIFO、采样率和加载固件等一系列操作,在所有操作都正常之后,最后通过 mpu_set_dmp_state(1)使能 DMP 功能,在使能成功以后,我们便可以通过 mpu_dmp_get_data 来读取姿态解算后的数据了。
mpu_dmp_get_data 函数代码如下:

//得到 dmp 处理后的数据(注意,本函数需要比较多堆栈,局部变量有点多)
//pitch:俯仰角 精度:0.1° 范围:-90.0° <---> +90.0°
//roll:横滚角 精度:0.1° 范围:-180.0°<---> +180.0°
//yaw:航向角 精度:0.1° 范围:-180.0°<---> +180.0°
//返回值:0,正常
// 其他,失败
u8 mpu_dmp_get_data(float *pitch,float *roll,float *yaw)
{
float q0=1.0f,q1=0.0f,q2=0.0f,q3=0.0f;
unsigned long sensor_timestamp;
short gyro[3], accel[3], sensors;
unsigned char more;
long quat[4];
if(dmp_read_fifo(gyro, accel, quat, &sensor_timestamp, &sensors,&more))return 1;
if(sensors&INV_WXYZ_QUAT)
{
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;  // pitch
*roll = atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3;  // roll
*yaw= atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * 57.3;  //yaw
}else return 2;
return 0;
}

此函数用于得到 DMP 姿态解算后的俯仰角、横滚角和航向角。不过本函数局部变量有点多,大家在使用的时候,如果死机,那么请设置堆栈大一点(在 startup_stm32f10x_hd.s 里面设置,默认是 400)。这里就用到了我们前面介绍的四元数转欧拉角公式,将 dmp_read_fifo 函数读到的 q30 格式四元数转换成欧拉角。利用这两个函数,我们就可以读取到姿态解算后的欧拉角,使用非常方便。DMP 部分,我们就介绍到这。

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