MPU6050 6轴姿态传感器的分析与使用（一）

一、MPU6050简介

MPU6050是一个6轴姿态传感器（3轴加速度计和3轴陀螺仪传感器），可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角度参数，通过数据融合，可以得到姿态角。

二、简介分析

1.常见的姿态传感器以及它的组成部分：

2.姿态角（欧拉角）：

简单地描述以飞机为例，飞机机身对应三个轴的夹角，机头下倾或者上仰，这个轴的夹角叫俯仰（pitch）。飞机机身左翻滚或者右翻滚，这个轴的夹角叫做滚转（roll），飞机机身向左转向或者向右转向，这个轴的夹角叫做偏航（raw）。

所以欧拉角就是表述姿态的一个参数。为了保持飞机的姿态平稳，必须要得到一个精确且稳定的欧拉角。一种传感器不能获得精确且稳定的欧拉角，要获得精确稳定的欧拉角，需要多个传感器进行数据融合。常见的数据融合算法有互补滤波、卡尔曼滤波等。

3. X、Y、Z轴的定义：

横向的是x轴，纵向的是Y轴，垂直与芯片的是Z轴。

4.加速度计：

以下图为例，中间是一个具有一定质量，左右有弹簧的小滑块，小滑块移动时，滑块上的电位器也跟着移动，通过电位器的电压，就能够知道滑块的加速度值。
这个加速度计实际上是一个弹簧测力计，根据牛顿第二定律F=ma，想要测量加速度a，只需要找一个单位质量的物体，测量它所受的力F就行了。

在MPU6050中，X、Y、Z轴都具有一个加速度计，以下面的图为例，假设芯片里有6个测力的秤组成一个正方体，正方体内部放一个大小正好的单位质量小球，小球压在一个面上，就会产生对应轴的数据输出。如果压在上面为正值，压在下面为负值，6个面测的力就是3个轴的加速度值。

加速度计具有静态稳定性，不具有动态稳定性。假设芯片向左倾斜放置，底面和左面都受力，求一个三角函数，就能得到向左的倾角。但是这个倾角只有在静态时生效。因为加速度分重力加速度和运动加速度，如果此时芯片运动起来，这个三角函数的倾角就会受运动加速度的影响。（向前加速运动时，芯片的底面和左面也受力，无法判断芯片的状态是向左倾斜放置还是向前加速。）

5.陀螺仪传感器：

陀螺仪：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。

如图所示，中间是一个有一定质量的旋转轮，外面是3个轴的平衡环，当中间的旋转轮高速旋转时，根据角动量守恒原理，这个旋转轮具有保持它原有角动量的趋势。这个趋势可以保持旋转轴方向不变，当外部物体转动时，内部的旋转轴方向不会转动。这会在平衡环连接处产生角度偏差，如果在连接处放一个电位器，测量电位器的电压，就能得到角度了。
但是MPU6050陀螺仪，并不能直接测量角度。芯片内部的陀螺仪测量的时角速度，分别表示了此时芯片绕X、Y、Z轴旋转的角速度。对角速度进行积分，就可以得到角度。通过角速度积分得到的角度也有局限性，当物体静止时，角速度会因为噪声无法完全归零，经过积分的累积，噪声会导致计算出来的角速度产生缓慢的偏移。但是这个角度不会受物体运动的影响。
加速度计具有静态稳定性，陀螺仪具有动态稳定性，这两种传感器的特性正好互补。所以取长补短，进行互补滤波，就能获得稳定的姿态角了。

三、MPU6050参数

1. 16位ADC采集传感器的模拟信号，量化范围：-32768~32767。
2. 加速度计满量程范围选择：±2、±4、±8、±16(g) g表示重力加速度1g=9.8m/s²
3. 陀螺仪满量程选择：±250、±500、±1000、±2000(°/sec) 每秒钟旋转了多少度
   （如果测量的物体运动非常剧烈，可以把满量程选择大一些，如果运动比较平缓，可以选择更小的量程，这样分辨率会更大。）
4. 可配置的数字低通滤波器
   （在这个芯片可以配置寄存器来选择对输出的数据进行低通滤波）
5. 可配置的时钟源和可配置的采样分频
   （为AD转换和芯片内部其他电路提供时钟，控制分频系数，可以控制AD转化的快慢。）
6. I2C从机地址：当AD0=0时，地址为1101000，当AD0=1时，地址为1101001，AD0是板子引出来的引脚，可以调节I2C从机地址的最低位。
   （16位表示时，有两种方式，①是把1101000转成16进制0x68，但是因为还有一位读写位，一般使用（0x68<<1）|读写位。读1写0。②把0x68左移一位后的数据当作从机地址，也就是0xD0，再或上读写位。写就发送0xD0，读就发送0xD1。）两种方式本质上没有什么区别。

四、硬件电路

硬件电路包含3个部分，MPU-6050芯片，8针的排针，LDO低压差线性稳压器。

1. SDA/SCL已经内置了两个上拉电阻，在接线的时候，直接把SCL和SDA接在GPIO口就行了。SDA/SCL、XDA/XCL通讯引脚分别为两组I2C信号线。当模块与外部主机通讯时，使用SDA/SCL，如与STM32芯片通讯； 而XDA/XCL则用于MPU6050芯片与其它I2C传感器通讯时使用，例如使用它与磁场传感器连接，MPU6050模块可以把从主机SDA/SCL接收的数据或命令通过XDA/XCL引脚转发到磁场传感器中。 但实际上这种功能比较鸡肋，控制麻烦且效率低，一般会直接把磁场传感器之类的I2C传感器直接与MPU6050挂载在同一条总线上（即都连接到SDA/SCL），使用主机直接控制。
2. AD0引脚是从机地址的最低位，接低电平的话，7位的从机地址是1101000，接高电平的话，7位从机地址是1101001，有一个电阻默认下拉到低电平了，所以引脚悬空是接低电平，想接高电平，可以把AD0直接引到VCC，拉到高电平。
3. INT是中断信号输出引脚：可以配置芯片内部的一些事件，来触发中断输出，比如数据准备好了，I2C主机错误等。另外芯片内部还内置了一些小功能，比如自由落体检测、零运动检测、运动检测等，这些信号都可以触发INT引脚产生电平跳变。
4. LDO这部分是供电的逻辑，VDD供电是2.375-3.46V，不能直接接5V，为了扩大供电范围，加了3.3V的稳压器，输入端VCC-5V可以在3.3V到5V之间。

五、内部框图

1. 时钟：在硬件电路上，我们可以看到有时钟的接口。不过我们一般使用内部时钟。
2. 加速度计、陀螺仪、温度传感器，相当于可变电阻，通过分压后输出模拟电压，通过ADC进行模数转换，转换完成后，数据放到传感器寄存器中。每个ADC输出对应16位的数据寄存器，不存在数据覆盖的问题，配置好转换频率之后，每个数据会自动以我们设置的刷新频率刷新到数据寄存器。
3. 自测：每个传感器有一个自测单元，当启动自测后，芯片内部会模拟一个外力施加在传感器上。可以先使能自测，读取数据，再失能自测，读取数据，两个数据一相减，得到的数据叫自测响应。芯片手册有自测响应的范围，在范围内表示芯片无问题。
4. 充电泵：CPOUT引脚需要外接一个电容，电荷泵是一个升压电路。假设并联电路5V的电源给一个电容充电，充完后，接成串联电路，电路电压变成10V了。并联充电，串联放电，后续再加一个电源滤波，就能进行平稳升压了。由于陀螺仪内部需要高电压支持，所以设置了一个电荷泵升压。
5. 中断状态寄存器：控制内部的哪些事件到中断引脚的输出。
6. FIFO先入先出寄存器：可以对数据流进行缓存。
7. 配置寄存器：可以对内部的各个电路进行配置。
8. 传感器寄存器：也是数据寄存器，存储了传感器的数据。
9. 工厂校准：内部的寄存器都进行了工厂校准。
10. 数字运动处理器（DMP）：芯片内部自带的姿态解算的硬件算法，配合官方的DMP库可以进行姿态解算。
11. 通讯接口部分：上面的8、9、23、24就是从机的I2C和SPI通信接口，用于和STM32通讯，下面一部分7、6是主机的I2C通信接口，用于和MPU6050扩展设备进行通讯。接口旁路选择器，如果拨到上面，辅助的I2C通讯引脚就和正常的I2C接到一起，STM32就可以控制所有设备。如果拨到下面， 辅助的I2C引脚就由MPU6050控制，两条I2C总线独立分开。

六、寄存器操作

1.采样频率分频器

这个寄存器可以配置采样频率的分频系数，分频越小，内部的AD转换就越快。数据寄存器刷新就越快。陀螺仪输出率就是陀螺仪时钟。陀螺仪时钟/这个寄存器指定的分频系数=采样频率。

2.配置寄存器

配置寄存器主要分为两个部分：外部同步设置和低通滤波设置：
外部同步设置主要是配置外部帧同步(FSYNC)引脚采样和数字，这里不做配置。
低通滤波器可以让输出数据更加平滑，配置滤波器参数越大，输出的抖动越小。

3.陀螺仪配置寄存器

高3位是XYZ轴的自测使能位，中间2位是满量程选择位，后面3位没用到。

自测响应=自测使能时的数据-自测使能时的数据。
MPU6050的自测响应的范围如下图所示，在此范围内表示通过自测。
满量程选择：量程越大范围越广，量程越小分辨率越高。在上面的参数介绍中已经有所说明。

4.加速度计配置寄存器

加速度寄存器的配置与陀螺仪寄存器配置基本上是一个逻辑。

5.加速度计测量寄存器

只读，可以通过这些数据寄存器读取最新的加速度计测量值。
想读取哪个参数，只需要读取对应的数据寄存器即可。XYZ轴的加速度值都是16位的有符号数，以二进制补码的方式存储。读出高8位和低8位，使用int16类型，高位左移8位，或上低位数据，就可以得到数据了。

6. 温度测量寄存器

温度传感器的使用与加速度计寄存器基本相同，可以通过读取寄存器值来获取温度。

7.陀螺仪测量寄存器

陀螺仪数据寄存器和加速度计测量寄存器也是同样的用法，只需要读取相应的寄存器就可以获得相应的测量数值。数据的存储方式还是16位的有符号数，以二进制补码的方式存储。

8.电源管理寄存器1

Bit7设备复位，这一位写1，所有寄存器都恢复到默认值。
Bit6睡眠模式，这一位写1，芯片睡眠，进入低功耗。
Bit5循环模式，这一位写1，芯片进入低功耗，过一段时间，启动一次，唤醒的频率由下面电源管理寄存器的Bit7和Bit6决定。
Bit3温度传感器失能，写1之后，禁用内部的温度传感器。
Bit2-0，选择系统的时钟来源。可选择：内部晶振、X/Y/Z轴陀螺仪晶振，外部引脚的两个方波，一般选择内部晶振或者陀螺仪晶振。建议使用陀螺仪晶振，更加精确。

9.电源管理寄存器2

Bit5-Bit0，可以分别控制6个轴进入待机模式，如果只需要部分轴的数据，可以让其他轴待机，这样比较省电。
Bit7-Bit6，是上面电源管理寄存器1的循环模式的唤醒频率。

注意：可以使用此寄存器将单个加速度计和陀螺仪轴置于待机模式。如果设备使用陀螺仪轴作为时钟源，并且该轴处于待机状态，时钟源将自动更改为内部8MHz振荡器。

10.ID号寄存器

ID号不可修改，中间6位固定为110100，最高位和最低为都是0，读出寄存器，值固定为0x68。
实际上ID号就是I2C的地址，但是有区别的是，I2C地址可以通过AD0引脚进行配置，这里的AD号最低位是不随AD0引脚的变化而变化的。

注意

所有的寄存器上电默认值都是0x00，除了107号（电源管理寄存器1），上电默认0x40，117号寄存器（ID号），上电默认0x68。
电源管理寄存器1默认0x40，表示睡眠模式，所以在操作MPU6050之前，要先解除睡眠，否则操作其他寄存器是无效的。

参考

1. 参考手册：MPU6050的产品规格和寄存器手册
   网盘链接：MPU6050的产品规格和寄存器手册 提取码：qscd
2. 参考视频：江协科技 MPU6050简介