四轴飞行器1.3 MPU6050(大端)和M4的FPU开启方法

1万 · 2015-3-17 20:48

最近时间花在最多的地方就是STM32的I2C上了。之前就知道STM32的I2C并不好用，因为之前用过模拟的I2C，也写过AVR的I2C也就是TWI的硬件驱动，所以想试试写STM32的硬件I2C。。。为了避免库带来的麻烦，之前和特意将STM32F4的标准库升级到了1.3.0，但是貌似问题依旧。于是在网上找到了ST转为I2C写的CPAL的库，拿着它的英文手册和例子看了下，觉得很不错，功能相当的齐全，按照手册配置用起来应该不错，于是开始加载到自己的项目中。它需要一个定时器，用来管理超时，当通讯出现问题的时候，通过这个超时机制可以见得到，从而可以做一些简单的处理，它默认用的是systick中断，这个好办啊，用RTT的一个线程来替代systick或者用另外一个定时器就可以了，它还有一个要求，需要用到I2C相关的两个中断设置为最高优先级，虽然觉得优点不舒服哈，但是只能这样设置了，其实STM32中I2C的硬件缺陷就在这，需要第一时间响应I2C中断，否则就可能出现问题，就算自己写STM32的I2C，这两个中断优先级也需要设定的很高，可是之后发现了一个我认为可能接受不了的东西，就是在中断里面有一个宏，__CPAL_I2C_TIMEOUT ，定义如下

#define __CPAL_I2C_TIMEOUT_DETECT ((pDevInitStruct->wCPAL_Timeout == CPAL_I2C_TIMEOUT_MIN) ||\
(pDevInitStruct->wCPAL_Timeout == CPAL_I2C_TIMEOUT_DEFAULT))
#define __CPAL_I2C_TIMEOUT(cmd, timeout) pDevInitStruct->wCPAL_Timeout = CPAL_I2C_TIMEOUT_MIN + (timeout);\
while (((cmd) == 0) && (!__CPAL_I2C_TIMEOUT_DETECT));\
if (__CPAL_I2C_TIMEOUT_DETECT)\
{\
return CPAL_I2C_Timeout (pDevInitStruct); \
}\
pDevInitStruct->wCPAL_Timeout = CPAL_I2C_TIMEOUT_DEFAULT

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也就是说，这个CPAL库需要试用最高优先级的中断，而且在最高优先级的中断里面有个while，这可是最高优先级中断好么，我其他的中断还要不要响应了？RTT的线程调度还能不能愉快的调度了？积分还能不能在正确的时间内完成了，积分出来的数据会不会漂的更厉害？果断弃之。。
放弃CPAL库后，还有三个选择，买的板子是有写好的I2C的硬件库的，没有开源，为了快点做出来，就用他的库吧，当放进来编译好没错误后，下到板子里面运行，发现会卡死。。用不了。。当时不知道什么问题，后来想应该是没有用c99的原因，MDK默认是c89。还有两个选择，自己写硬件I2C或者用简单暴力的模拟I2C。。。折腾了好几天，进度太慢，我们首要任务是先飞起来，后面慢慢改，于是决定用模拟I2C，只要好点封装起来，后面把写好的更好的I2C放进去还是很容易的。
模拟I2C就不多说了，说下MPU6050吧。。。MPU6050网络上的资料那是非常的多，设置什么的都比较简单，我比较懒哈，没用FIFO，懒得设置，就打算从0x3B移植读到0X48，把所有数据读出来，简单的方法就是一个byte一个byte的读出来，然后强制转换成U16格式的再进行计算就可以了，可是这真的行得通吗？用union测试了下，STM32F4的是小端模式，也就是说数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中，可是看看MPU6050的手册，你会发现它是大端模式，数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中。如下图：

如果全部顺序读出来，LSB和MSB是反的，要转换一次。。于是又懒了，I2C连续读都已经写好了，但是不用算了，利用struct和union解决这个问题好了，用如下的方式定义一个struct和union的混合结构：

View Code

读数据的时候就容易了，一个字节一个字节的读，例如读ACCX的高字节，读到mpu6050_data_t->acce_x.b.data_H中，低字节读到mpu6050_data_t->acce_x.b.data_L中，而我们取数据的时候用mpu6050_data_t.acce_x.data就可以了，不需要进行LSB和MSB的数据转换了，哈，懒人用懒人的方法，不过这个方法毕竟效率不高，等飞机飞起来再改。。哈。。
读到的数据如下：

这些数值都是没有处理过的，裸数据，还要校正和根据我们选的量程来进行转换才行。。

加速读我们选的是+-4G，陀螺仪选的量程是+-2000度每秒，他们每个数值的寄存器都是16位的，对应的满量程数值为65536，65536/8 = 8192，计算出来的数值和手册上刚好是对应的哈，我们只要将读到的数据除以8192，再乘当地的重力加速度，就可以的到实际的加速度值了，总所周知，虽然M4带FPU，我们也开启了FPU，但是做乘法比做除法快，所以我们不除8192，而是乘以8192的倒数0.0001220703125，然后再乘9.81就好了。

陀螺仪是一样的哈，+-2000度每秒对应的LSB Sensitivity是16.4，16.4的倒数是0.0609756097560976，读出来的值乘这个数，不过我们只取了小数点的后八位。
温度的话手册上有个公式，除以340+36.5就得出实际温度了。转换后的图如下：

其实我们上面有偷懒，漏了两个步骤哈。。其一是加速度传感器的标定，我们还没错，不过影响不会太大，还有就是陀螺的0偏校正，这个是要做的。

以前用过lsm303dlh算出过姿态数据的哈，就是反三角函数算，用的场合不一样，数据也没有滤波什么的，就这样算了。。这里终点是我们要用到反三角函数，M4可是带FPU的，不用白不用。。用了速度快很多。。哈。。开启FPU。。需要下面几个步骤：
在SystemIni 中有如下一句话

/* FPU settings ------------------------------------------------------------*/
#if (__FPU_PRESENT == 1) && (__FPU_USED == 1)
SCB->CPACR |= ((3UL << 10*2)|(3UL << 11*2)); /* set CP10 and CP11 Full Access */
#endif

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所以第一步需要设置这两个宏，__FPU_PRESENT，__FPU_USED，寻找一番，发现在STM32F4XX.h中

#define __MPU_PRESENT 1 /*!< STM32F4XX provides an MPU
#define __FPU_PRESENT 1 /*!< FPU present 已经定义好了

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如果我们需要用到FPU，我们需要使用ARM为我们提供的数学函数，我们需要包涵arm_math.h头文件，
还需要添加arm_cortexMxx_math.lib到工程文件中，位于\Libraries\CMSIS\Lib\ARM中。

* The library installer contains prebuilt versions of the libraries in the <code>Lib</code> folder.
* - arm_cortexM4lf_math.lib (Little endian and Floating Point Unit on Cortex-M4)
* - arm_cortexM4bf_math.lib (Big endian and Floating Point Unit on Cortex-M4)
* - arm_cortexM4l_math.lib (Little endian on Cortex-M4)
* - arm_cortexM4b_math.lib (Big endian on Cortex-M4)
* - arm_cortexM3l_math.lib (Little endian on Cortex-M3)
* - arm_cortexM3b_math.lib (Big endian on Cortex-M3)
* - arm_cortexM0l_math.lib (Little endian on Cortex-M0)
* - arm_cortexM0b_math.lib (Big endian on Cortex-M3)

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STM32F407我们用的是小端模式，并且带FPU，支持浮点运算的，所以我们要添加的库是 arm_cortexM4lf_math.lib ，编译后会发现有错误，需要添加 ARM_MATH_CM4宏，好了，一切准备就绪，可以使用M4的FPU了。。哈。。
看一下stm32f40x\Libraries\CMSIS\DSP_Lib\Source目录，发现有不少文件，如下图：

解释看个名字也能直到大概哈，草靠网上的解释，矩阵计算，滤波函数说不定后面可以用到。。瞬间感觉高大上。。
BasicMathFunctions
提供浮点数的各种基本运算函数，如加减乘除等运算。
CommonTables
arm_common_tables.c文件提供位翻转或相关参数表。
ComplexMathFunctions
复述数学功能，如向量处理，求模运算的。
ControllerFunctions
控制功能，主要为PID控制函数。arm_sin_cos_f32/-q31.c函数提供360点正余弦函数表和任意角度的正余弦函数值计算功能。
FastMathFunctions
快速数学功能函数，提供256点正余弦函数表和任意任意角度的正余弦函数值计算功能，和Q值开平方运算：
Arm_cos_f32/_q15/_q31.c：提供256点余弦函数表和任意角度余弦值计算功能。
Arm_sin_f32/_q15/_q31.c：提供256点正弦函数表和任意角度正弦值计算功能。
Arm_sqrt_q15/q31.c：提供迭代法计算平方根的函数。对于M4F的平方根运算，通过执行VSQRT指令完成。
FilteringFunctions
滤波函数功能，主要为FIR和LMS（最小均方根）滤波函数。
MatrixFunctions
矩阵处理函数。
StatisticsFunctions
统计功能函数，如求平均值、计算RMS、计算方差/标准差等。
SupportFunctions
支持功能函数，如数据拷贝，Q格式和浮点格式相互转换，Q任意格式相互转换。
TransformFunctions
变换功能。包括复数FFT（CFFT）/复数FFT逆运算（CIFFT）、实数FFT（RFFT）/实数FFT逆运算（RIFFT）、和DCT（离散余弦变换）和配套的初始化函数。

接下来要做的就是把MPU6050裸数据处理下，传到matlab进行数据处理了。。要写matlab的串口咯。。。。

通讯协议也可能开始需要简单的策划下了，因为后面准备自己通过2401做遥控器的，通讯协议也应该开始考虑了。。

转自：博客园