HaaS EDU场景式应用学习 - 陀螺仪小球
HaaS EDU场景式应用整体介绍
1、实验介绍
手机上的“重力感应”想必大家都不陌生，基于重力感应可以实现飞车、辅助瞄准等各种体感非常强的交互功能。所谓的“重力感应”，其实就可以使用“加速度计及陀螺仪传感器”来实现。
本节实验中，我们将会基于 MPU-6050 实现一个根据开发板姿态滚动的小球。当我们倾斜 HaaS EDU K1 时，会看见小球根据我们的倾斜方向发生相对应的偏移。
2、涉及知识点
- MPU-6050 的驱动和使用
- OLED绘图
3、软硬件环境准备
3.1、硬件
开发用电脑一台
HAAS EDU K1 开发板一块 （开发板内置 MPU-6050 传感器）
USB2TypeC 数据线一根
3.2、软件
"陀螺仪小球"功能已经包含在edu_demo应用中，并且包含在发布版本中。
3.2.1、固件版本
固件版本：V1.0.0
3.2.2、代码路径
git clone https://gitee.com/alios-things/AliOS-Things.git -b dev_3.1.0_haas
cd AliOS-Things/application/example/edu_demo/k1_apps/gyroscope3.2.3、编译
进入代码的顶层目录如AliOS-Things进行编译。直接编译application/example/目录下的edu_demo应用。
两种方法进行编译
命令行方式
aos make distclean
aos make edu_demo@haaseduk1 -c config
aos makeAliOS Studio IDE方式
3.2.4、烧录
见开发环境章节
4、硬件介绍 - MPU-6050
4.1、硬件规格
MPU-60X0是世界上第一款集成 6 轴MotionTracking设备。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP（ DigitalMotion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。
MPU-6050具有三个用于将陀螺仪输出数字化的16位模数转换器（ADC）和三个用于将加速度计输出数字化的16位ADC。 为了精确跟踪快速和慢速运动，这些部件具有用户可编程的陀螺仪满量程范围，范围为±250，±500，±1000和±2000°/ sec（dps），以及用户可编程的加速度计满量程范围 范围为±2g，±4g，±8g和±16g。使用400kHz的I2C与设备的所有寄存器进行通信。其他功能包括嵌入式温度传感器和片上振荡器，在整个工作温度范围内误差±1％。
更多硬件规格请参考 DataSheet。
4.2、传感原理
陀螺仪由1850年法国物理学家莱昂·傅科在研究地球自传中获得灵感而发明出来的，类似像是把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上，靠陀螺的方向来计算角速度，和现在小巧的芯片造型大相径庭。
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| 早期的机械陀螺仪[1] |
目前常见的电子陀螺仪 |
那么如何将这么庞大的机械设备，塞进小小的芯片当中呢？以目前广泛使用的MPU-6050为例，它属于传感MEMS分支。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。感兴趣的同学可以来这里学习亚德诺半导体的公开课 —— MEMS传感器2：加速，旋转——陀螺仪工作原理。
我们使用的MPU-6050是一款经典的MEMS陀螺仪，即硅微机电陀螺仪。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。在MPU-6050内部，存在一质量块，当器件上电后，会触发质量块以固定频率横向运动。当器件遭受外力具备加速度时，就会触发质量块的纵向运动，从而改变四周梳齿之间的距离，改变输出的电容，进而通过ADC将模拟信号转换为数字信号，输出给外部[2]。
4.3、原理图
在原理图中我们可以看出，器件使用I2C通讯接口。并且，器件支持使用过INT引脚，当数据到来时可以在该引脚上触发中断。需要注意的是，AD0引脚决定了器件地址的第 0 bit。当AD0连接高电平，即AD0 = 1，此时器件地址为0x69。
4.4、驱动方式
4.4.1、通讯接口
由DataSheet可知，MPU-6050采用的通讯方式为I2C。默认7bit设备地址：0x69 (DataSheet P33 9.2)
在 AliOS Things 中，开发者只需要关心器件的设备地址即可，因为只要知道了设备地址，读写地址也可以计算出，AliOS Things 会自动处理这些计算。如果我们需要为了 MPU-6050 初始化I2C接口，那么对应的代码为：
// components\peripherals\sensor\drv\drv_mag_honeywell_qmc5883l.c
static i2c_dev_t i2c_dev;
i2c_dev.port = 1; // HaaS EDK 默认使用I2C 1
i2c_dev.config.address_width = I2C_HAL_ADDRESS_WIDTH_7BIT;
i2c_dev.config.freq = I2C_BUS_BIT_RATES_400K;
i2c_dev.config.mode = I2C_MODE_MASTER;
i2c_dev.config.dev_addr = MPU_ADDR; // MPU_ADDR 0X69
hal_i2c_init(&i2c_dev);4.4.2、寄存器
一般，使用I2C通讯的器件，都是通过读写寄存器的方式来完成对设备的读取和配置，因此了解寄存器的分布就非常重要。由于 MPU-6050 的寄存器数量较多，建议读者们查阅 Regsiter Map 文档来获取这些信息。我们进列出部分较为关键的寄存器。
0x3B-0x40 三轴加速度寄存器 每轴数据2Byte
0x41-0x42 温度寄存器 2Byte
0x43-0x48 三轴陀螺仪寄存器 每轴数据2Byte
4.4.3、驱动实现
uint8_t MPU_Init(void)
器件初始化。
// components/peripherals/sensor/drv/drv_acc_gyro_inv_mpu6050.c
uint8_t MPU_Init(void)
{
uint8_t device_id = 0;
// 初始化I2C
i2c_dev.port = 1;
i2c_dev.config.address_width = I2C_HAL_ADDRESS_WIDTH_7BIT;
i2c_dev.config.freq = I2C_BUS_BIT_RATES_100K;
i2c_dev.config.mode = I2C_MODE_MASTER;
i2c_dev.config.dev_addr = MPU_ADDR;
hal_i2c_init(&i2c_dev);
// 复位MPU6050
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X80);
aos_msleep(100);
// 唤醒MPU6050
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X00);
// 设置陀螺仪传感器量程,±2000dps
MPU_Set_Gyro_Fsr(3);
// 设置加速度传感器量程,±2g
MPU_Set_Accel_Fsr(0);
// 关闭所有中断
MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG, 0X00);
// I2C主模式关闭
MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG, 0X00);
// 关闭FIFO
MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG, 0X00);
// 读取器件ID
device_id = MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);
// 如果读取的器件ID与预期一致
if (device_id == MPU_DEV_ID)
{
LOGI("APP", "MPU init OK\n");
//设置CLKSEL,PLL X轴为参考
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X01);
//加速度与陀螺仪都工作
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG, 0X00);
//设置采样率为50Hz
MPU_Set_Rate(50);
}
else
{
LOGI("APP", "MPU init Error -- %x\n", device_id);
return 1;
}
return 0;
}
void MPU_Get_Gyroscope(short *gx, short *gy, short *gz)
读取三轴陀螺仪数据。由Register Map得知，只需要从GYRO_XOUTH向后依次读出6个寄存器内容即可。
// components/peripherals/sensor/drv/drv_acc_gyro_inv_mpu6050.c
void MPU_Get_Gyroscope(short *gx, short *gy, short *gz)
{
uint8_t buf[6];
MPU_Read_Len(MPU_GYRO_XOUTH_REG, 6, buf);
*gx = ((u16)buf[0] << 8) | buf[1];
*gy = ((u16)buf[2] << 8) | buf[3];
*gz = ((u16)buf[4] << 8) | buf[5];
}void MPU_Get_Accelerometer(short *ax, short *ay, short *az)
读取三轴加速度数据。由Register Map得知，只需要从ACCEL_XOUTH向后依次读出6个寄存器内容即可。
// components/peripherals/sensor/drv/drv_acc_gyro_inv_mpu6050.c
void MPU_Get_Accelerometer(short *ax, short *ay, short *az)
{
uint8_t buf[6];
MPU_Read_Len(MPU_ACCEL_XOUTH_REG, 6, buf);
*ax = ((u16)buf[0] << 8) | buf[1];
*ay = ((u16)buf[2] << 8) | buf[3];
*az = ((u16)buf[4] << 8) | buf[5];
}5、应用开发
本实验的应用较为简单，只需要读出加速度数据，并显示在屏幕上即可。OLED的相关接口中已经给出了丰富的绘图函数。具体实现如下。
void gyroscope_task(void)
{
while (1)
{
// 清除屏幕memory
OLED_Clear();
// 获取三轴加速度信息
MPU_Get_Accelerometer(&r_ax, &r_ay, &r_az);
// 画出固定的圆形边框
OLED_DrawCircle(66, 32, 10, 1, 1);
// 画出填充的圆
OLED_FillCircle(66 - r_ax / 250, 32 + r_ay / 500, 8, 1);
// 将屏幕memory显示出来
OLED_Refresh_GRAM();
// 暂停20ms
aos_msleep(20);
}
}6、更多应用
本实验展示的仅是六轴传感器的一个非常简单的应用。随着类似传感器的体积越来越小，精度越来越高，它们也被应用在各种消费类电子产品，如穿戴设备、手机上。
使用它们可以进行一些非常有趣的应用，例如，手环中经常会使用到的计步算法，运动状态检测算法，都是基于其中的六轴传感器数据。近年来，还有很多学术界的工作，使用手环中的六轴传感器来实现空中写字的识别。
除此之外，它也广泛应用于辅助定位、飞行设备的姿态检测，摄像机云台的水平保持等等。期待读者们能够发掘出更多有价值的使用场景。
7、引用
[1] Gyroscope invented by Léon Foucault in 1852. Replica built by Dumoulin-Froment for the Exposition universelle in 1867. National Conservatory of Arts and Crafts museum, Paris.
By Stéphane Magnenat - Own work by uploader, subject public domain, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4302903
[2] 图片来自 https://www.analog.com/cn/education/education-library/videos/5996766351001.html
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