基于單片機(jī)的MPU6050六軸傳感器設(shè)計(jì)

一． 簡(jiǎn)介

MPU6050 是 InvenSense 公司推出的整合性 6 軸運(yùn)動(dòng)處理組件，其內(nèi)部整合了 3 軸陀螺儀和 3 軸加速度傳感器，并且含有一個(gè)IIC 接口， 可用于連接外部磁力傳感器，并利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP: Digital Motion Processor） 硬件加速引擎，通過主 IIC 接口，向應(yīng)用端輸出完整的 9 軸融合演算數(shù)據(jù)。

InvenSense 公司提供了一套基于DMP的運(yùn)動(dòng)處理驅(qū)動(dòng)庫，可大大降低單片機(jī)對(duì)動(dòng)處理運(yùn)算的負(fù)荷，同時(shí)也大大降低了編程難度。

MPU6050配合官方提供的運(yùn)動(dòng)處理驅(qū)動(dòng)庫，可以容易地獲取出飛控系統(tǒng)融合演算數(shù)據(jù)； 同時(shí)也可以計(jì)步傳感器，通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)庫相應(yīng)的函數(shù)，獲取運(yùn)動(dòng)步數(shù)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等數(shù)據(jù)。

二． MPU6050原理及參數(shù)

1.芯片內(nèi)部框圖

MPU內(nèi)部自帶有7路16bit的ADC轉(zhuǎn)換電路，其中3路為陀螺儀、3路為加速度計(jì)、1路為內(nèi)部溫度傳感器。 ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DMP處理后，存儲(chǔ)在FIFO里。 單片機(jī)通過對(duì)芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，完成對(duì)MPU的控制。

2.芯片引腳說明

MPU6050的接線比較簡(jiǎn)單，使用3.3V的工作電源，通過IIC接口（MPU6000還可用SPI接口）與MCU通信。

3.模塊電路圖

模塊原理圖如下，其中使用了SPX3810M穩(wěn)壓芯片，將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V電壓給MPU6050芯片供電，P-MOS管Q1、Q2作為電平轉(zhuǎn)換電路，將芯片的IIC電平轉(zhuǎn)化為5.0V電平，可兼容51單片機(jī)和STM32單片機(jī)的控制電平（注：STM32引腳需要配置為開漏狀態(tài)，且需要所用引腳能兼容5.0V電壓，引腳標(biāo)志為FT）。 采用3.3V的單片機(jī)控制，如果不想要或者無法兼容5V電壓，可將電平轉(zhuǎn)換電路去掉，將IIC接口直接接單片機(jī)IIC引腳。

4.單片機(jī)與模塊接線圖

單片機(jī)IIC接口采用模擬IIC通信。

三． MPU6050編程及控制

因?yàn)镸PU6050內(nèi)部帶有DMP處理單元，加上官方提供了比較完整的運(yùn)動(dòng)處理驅(qū)動(dòng)庫，大大降低了我們的編程和對(duì)數(shù)據(jù)的處理難度。 我們可以將各個(gè)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)計(jì)算，如旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)(quaternion)、歐拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算數(shù)據(jù)，通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)處理驅(qū)動(dòng)庫函數(shù)，直接讀取出數(shù)據(jù)來。 以下程序是基于正點(diǎn)原子ATK-MPU6050模塊的開發(fā)例程為例。 在完成標(biāo)準(zhǔn)的IIC驅(qū)動(dòng)程序后，先實(shí)現(xiàn)讀寄存器和寫寄存器操作；

(1）讀寄存器操作

//IIC讀一個(gè)字節(jié) 
//reg:寄存器地址 
//返回值:讀到的數(shù)據(jù)
u8 MPU_Read_Byte(u8 reg)
{
  u8 res;
    MPU_IIC_Start(); 
  MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//發(fā)送器件地址+寫命令  
  MPU_IIC_Wait_Ack();    //等待應(yīng)答 
    MPU_IIC_Send_Byte(reg);  //寫寄存器地址
    MPU_IIC_Wait_Ack();    //等待應(yīng)答
    MPU_IIC_Start();
  MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|1);//發(fā)送器件地址+讀命令  
    MPU_IIC_Wait_Ack();    //等待應(yīng)答 
  res=MPU_IIC_Read_Byte(0);//讀取數(shù)據(jù),發(fā)送nACK 
    MPU_IIC_Stop();      //產(chǎn)生一個(gè)停止條件 
  return res;    
}

(2)寫寄存器操作

//IIC寫一個(gè)字節(jié) 
//reg:寄存器地址
//data:數(shù)據(jù)
//返回值:0,正常
//    其他,錯(cuò)誤代碼
u8 MPU_Write_Byte(u8 reg,u8 data)          
{ 
    MPU_IIC_Start(); 
  MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//發(fā)送器件地址+寫命令  
  if(MPU_IIC_Wait_Ack())  //等待應(yīng)答
  {
    MPU_IIC_Stop();     
    return 1;    
  }
    MPU_IIC_Send_Byte(reg);  //寫寄存器地址
    MPU_IIC_Wait_Ack();    //等待應(yīng)答 
  MPU_IIC_Send_Byte(data);//發(fā)送數(shù)據(jù)
  if(MPU_IIC_Wait_Ack())  //等待ACK
  {
    MPU_IIC_Stop();   
    return 1;     
  }     
    MPU_IIC_Stop();   
  return 0;
}

實(shí)現(xiàn)這個(gè)兩個(gè)函數(shù)后，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)MPU6050的各種操作了； 但是無法調(diào)用官方自帶的運(yùn)動(dòng)處理驅(qū)動(dòng)庫。 首先我們?cè)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/keil/" target="_blank">Keil工程里面增入文件“inv_mpu_dmp_motion_driver.h”、“inv_mpu_dmp_motion_driver.c”、“inv_mpu.h”、“inv_mpu.c”、“dmpKey.h”、“dmpmap.h"。

然后將在兩個(gè)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)庫里兩個(gè)基本操作函數(shù)，最后映射到驅(qū)動(dòng)庫的inv_mpu.h文件里面后，便可直接調(diào)用運(yùn)動(dòng)處理庫的API了。

（3）首先實(shí)現(xiàn)IIC連續(xù)讀取數(shù)據(jù)函數(shù)

/IIC連續(xù)讀
//addr:器件地址
//reg:要讀取的寄存器地址
//len:要讀取的長(zhǎng)度
//buf:讀取到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)
//返回值:0,正常
//    其他,錯(cuò)誤代碼
u8 MPU_Read_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)
{ 
   MPU_IIC_Start(); 
  MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//發(fā)送器件地址+寫命令  
  if(MPU_IIC_Wait_Ack())  //等待應(yīng)答
  {
    MPU_IIC_Stop();     
    return 1;    
  }
    MPU_IIC_Send_Byte(reg);  //寫寄存器地址
    MPU_IIC_Wait_Ack();    //等待應(yīng)答
    MPU_IIC_Start();
  MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|1);//發(fā)送器件地址+讀命令  
    MPU_IIC_Wait_Ack();    //等待應(yīng)答 
  while(len)
  {
    if(len==1)*buf=MPU_IIC_Read_Byte(0);//讀數(shù)據(jù),發(fā)送nACK 
    else *buf=MPU_IIC_Read_Byte(1);    //讀數(shù)據(jù),發(fā)送ACK  
    len--;
    buf++; 
  }    
    MPU_IIC_Stop();  //產(chǎn)生一個(gè)停止條件 
  return 0;  
}

（4）實(shí)現(xiàn)IIC連續(xù)寫數(shù)據(jù)函數(shù)

//IIC連續(xù)寫
//addr:器件地址 
//reg:寄存器地址
//len:寫入長(zhǎng)度
//buf:數(shù)據(jù)區(qū)
//返回值:0,正常
//    其他,錯(cuò)誤代碼
u8 MPU_Write_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)
{
  u8 i; 
    MPU_IIC_Start(); 
  MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//發(fā)送器件地址+寫命令  
  if(MPU_IIC_Wait_Ack())  //等待應(yīng)答
  {
    MPU_IIC_Stop();     
    return 1;    
  }
    MPU_IIC_Send_Byte(reg);  //寫寄存器地址
    MPU_IIC_Wait_Ack();    //等待應(yīng)答
  for(i=0;i<len;i++)
  {
    MPU_IIC_Send_Byte(buf[i]);  //發(fā)送數(shù)據(jù)
    if(MPU_IIC_Wait_Ack())    //等待ACK
    {
      MPU_IIC_Stop();   
      return 1;     
    }    
  }    
    MPU_IIC_Stop();   
  return 0;  
}

完成這兩個(gè)函數(shù)后，將這兩個(gè)函數(shù)映射到ipv_mpu.h里面，如圖。

設(shè)置完成后，便可使用官方的運(yùn)動(dòng)處理驅(qū)動(dòng)庫。 其他功能性函數(shù)就不一一列出；

(5)最后實(shí)現(xiàn)MPU6050的初始化。

//初始化MPU6050
//返回值:0,成功
//    其他,錯(cuò)誤代碼
u8 MPU_Init(void)
{ 
  u8 res; 
  MPU_IIC_Init();//初始化IIC總線
  MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);  //復(fù)位MPU6050
    delay_ms(100);
  MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);  //喚醒MPU6050 
  MPU_Set_Gyro_Fsr(3);          //陀螺儀傳感器,±2000dps
  MPU_Set_Accel_Fsr(0);          //加速度傳感器,±2g
  MPU_Set_Rate(50);            //設(shè)置采樣率50Hz
  MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00);  //關(guān)閉所有中斷
  MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);  //I2C主模式關(guān)閉
  MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);  //關(guān)閉FIFO
  MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80);  //INT引腳低電平有效
  res=MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG); 
  if(res==MPU_ADDR)//器件ID正確
  {
    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);  //設(shè)置CLKSEL,PLL X軸為參考
    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);  //加速度與陀螺儀都工作
    MPU_Set_Rate(50);            //設(shè)置采樣率為50Hz
   }else return 1;
  return 0;
}

四． MPU6050的控制及數(shù)據(jù)采集

在單片機(jī)進(jìn)行初始化時(shí)，先需要調(diào)用MPU_Init函數(shù)初始化后，還要調(diào)用mpu_dmp_init函數(shù)對(duì)模塊進(jìn)行初始化。 代碼如下:

int main(void)
 { 
  float pitch,roll,yaw;     //歐拉角
  short aacx,aacy,aacz;    //加速度傳感器原始數(shù)據(jù)
  short gyrox,gyroy,gyroz;  //陀螺儀原始數(shù)據(jù)
  short temp;          //溫度      
  MPU_Init();          //初始化MPU6050


  while(mpu_dmp_init()); 
   while(1)
  {


    if(mpu_dmp_get_data(&pitch,&roll,&yaw)==0)
    { 
      temp=MPU_Get_Temperature();  //得到溫度值
      MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz);  //得到加速度傳感器數(shù)據(jù)
      MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz);  //得到陀螺儀數(shù)據(jù)
    }
  }   
}