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​第三十七章 MPU6050六轴传感器实验

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本章，我们介绍当下最流行的一款六轴（三轴加速度+三轴角速度(陀螺仪)）传感器：MPU6050，该传感器广泛用于四轴、平衡车和空中鼠标等设计，具有非常广泛的应用范围。ALIENTEK探索者STM32F4开发板自带了MPU6050传感器。本章我们将使用STM32F4来驱动MPU6050，读取其原始数据，并利用其自带的DMP实现姿态解算，结合匿名四轴上位机软件和LCD显示，教大家如何使用这款功能强大的六轴传感器。本章分为如下几个部分：

37.1 MPU6050简介

37.2 硬件设计

37.3 软件设计

37.4 下载验证

37.1 MPU6050简介

本节，我们将分2个部分介绍：1，MPU6050基础介绍。2，DMP使用简介。

37.1.1 MPU6050基础介绍

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。

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。

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）

MPU6050传感器的检测轴如图37.1.1.1所示：

图37.1.1.1 MPU6050检测轴及其方向

MPU6050的内部框图如图37.1.1.2所示：

图37.1.1.2 MPU6050框图

       其中，SCL和SDA是连接MCU的IIC接口，MCU通过这个IIC接口来控制MPU6050，另外还有一个IIC接口：AUX_CL和AUX_DA，这个接口可用来连接外部从设备，比如磁传感器，这样就可以组成一个九轴传感器。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。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）！！

       在探索者STM32F4开发板上，AD0是接GND的，所以MPU6050的IIC地址是0X68（不含最低位），IIC通信的时序我们在之前已经介绍过（第二十九章，IIC实验），这里就不再细说了。

       接下来，我们介绍一下利用STM32F4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STM32F4通信，所以我们需要先初始化与MPU6050连接的SDA和SCL数据线。这个在前面的IIC实验章节已经介绍过了，这里MPU6050与24C02共用一个IIC，所以初始化IIC完全一模一样。

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

       这一步，我们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器（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（0X1B）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。

       至此，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），接下来，我们就可以读取相关寄存器，得到加速度传感器、角速度传感器和温度传感器的数据了。不过，我们先简单介绍几个重要的寄存器。      

       首先，我们介绍电源管理寄存器1，该寄存器地址为0X6B，各位描述如图37.1.1.3所示：

图37.1.1.3 电源管理寄存器1各位描述

       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，选择关系如表37.1.1.1所示：

图37.1.1.1 CLKSEL选择列表

       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。

       接着，我们看陀螺仪配置寄存器，该寄存器地址为：0X1B，各位描述如图37.1.4所示：

图37.1.1.4 陀螺仪配置寄存器各位描述

       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)。

       接下来，我们看加速度传感器配置寄存器，寄存器地址为：0X1C，各位描述如图37.1.1.5所示：

图37.1.1.5 加速度传感器配置寄存器各位描述

       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。

       接下来，我看看FIFO使能寄存器，寄存器地址为：0X1C，各位描述如图37.1.1.6所示：

图37.1.1.6 FIFO使能寄存器各位描述

       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。

       接下来，我们看陀螺仪采样率分频寄存器，寄存器地址为：0X19，各位描述如图37.1.1.7所示：

图37.1.1.7 陀螺仪采样率分频寄存器各位描述

       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。

       接下来，我们看配置寄存器，寄存器地址为：0X1A，各位描述如图37.1.1.8所示：

图37.1.1.8 配置寄存器各位描述

       这里，我们主要关心数字低通滤波器（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37.1. 1. 2所示：

37.4 下载验证

在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK探索者STM32F4开发板上，可以看到LCD显示如图37.4.1所示的内容：

图37.4.1 程序运行时LCD显示内容

屏幕显示了MPU6050的温度、俯仰角（pitch）、横滚角（roll）和航向角（yaw）的数值。然后，我们可以晃动开发板，看看各角度的变化。

另外，通过按KEY0可以开启或关闭数据上报，开启状态下，我们可以打开：ANO_Tech匿名四轴上位机_V2.6.exe（该软件双击后，会弹出一个蓝色的小界面，直接关闭即可。然后才会进入主界面），这个软件，接收STM32F4上传的数据，从而图形化显示传感器数据以及飞行姿态，如图37.4.2和图37.4.3所示：

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