基于MPU6050與COF屏的航空姿態(tài)儀表

——來自迪文開發(fā)者論壇用戶

本方案使用COF屏的IO口模擬I2C信號與MPU6050通訊，實現(xiàn)航空姿態(tài)儀表可視化顯示。MPU6050采集數(shù)據(jù)，T5L0芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和濾波算法處理，計算出姿態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動COF屏進(jìn)行數(shù)據(jù)實時可視化顯示?？梢暬缑嫱ㄟ^迪文DGUS軟件設(shè)置，有效縮減工程開發(fā)時間。

方案框圖

資料下載

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方案簡介

硬件連接

COF屏轉(zhuǎn)接板HDL662S的P32腳連接MPU6050模塊的SDL腳，P33腳連接MPU6050的SDA腳，VCC和GND分別接電源和地。同時，轉(zhuǎn)接板的UART2連接上位機，其中P21~P26六個IO接入上位機6個LED燈上，方便輸出調(diào)試信息，通過LED顯示運行狀態(tài)向COF屏輸出命令。

1.1 COF屏與MPU6050模塊連接接線圖

1.2 COF屏與MPU6050模塊連接實物圖

數(shù)據(jù)讀取主要程序代碼

（1）I2C讀取MPU6050數(shù)據(jù)代碼

COF屏為用戶提供了可使用的IO口，我們可以直接使用IO口模擬I2C信號與MPU600通訊。C51 V6例程中有一個I2C RTC硬件的驅(qū)動代碼，基于這個代碼來修改，可以得到MPU6050使用的通訊函數(shù)。從I2C RTC硬件的驅(qū)動代碼中可移植的主要代碼函數(shù)：

編寫針對MPU6050的各個操作命令：

結(jié)合MPU6050寄存器定義設(shè)置，使T5L0成功讀取完整正確數(shù)據(jù)。MPU主要用到的寄存器如下所示：

對應(yīng)的硬件IO口連接定義端口代碼：

sbit IIC_SCL=P3^2;

sbit IIC_SDA=P3^3;

#define SDA_IN() P3MDOUT=P3MDOUT&0xF7;

#define SDA_OUT() P3MDOUT=P3MDOUT|0x08;

現(xiàn)在，將上述各個部分的代碼整合編譯調(diào)試上載到COF屏，就能成功讀取MPU6050的各個寄存器數(shù)值。調(diào)試中需注意：

• MPU6050的I2C主頻與原RTC設(shè)備的主頻有差別，需適當(dāng)調(diào)整I2C函數(shù)操作中的時序，使其適配；
• T5L處理器速度快，在兩次讀取間要做一定的等待，否則會出現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)為零的情況。經(jīng)反復(fù)測試，設(shè)置20ms間隔來讀取傳感器數(shù)據(jù)，此間隔對本實驗完全適用；
• I2C、SDA線接觸一定要良好，否則會造成通訊中斷，需要重新初始化才能得到正確數(shù)據(jù)。

（2）姿態(tài)解算編寫響應(yīng)的函數(shù)對MPU6050原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到可供幾何顯示和姿態(tài)判斷使用的數(shù)據(jù)。姿態(tài)解算通過三軸的重力加速度分量得到以地球切面為參照系的三軸夾角轉(zhuǎn)換為以設(shè)備自身坐標(biāo)下的飛行夾角。定義如下：橫滾角Roll(Ф)表示繞X軸的旋轉(zhuǎn)，仰俯角Pitch(θ)表示繞Y軸的旋轉(zhuǎn)，航向角Yaw (ψ)表示繞Z軸的旋轉(zhuǎn)，如圖所示。

計算代碼算法如下：

roll = atan2(2* Gy*Gz + 2*G*Gx, -2*Gx*Gx -2*Gy*Gy+ 1)

pitch = asin(-2*Gx*Gz + 2*G* Gy)

yaw = atan2(2*( Gx*Gy +G*Gz),G*G+Gx*Gx-Gy*Gy-Gz*Gz)

（3） DGUS界面設(shè)計

設(shè)計參考了航空飛機中常見的G530導(dǎo)航儀儀表面板。面板總體布局分左側(cè)姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示區(qū)、中右區(qū)為姿態(tài)主顯示區(qū)，以及下方的操作控制區(qū)。

1.4 姿態(tài)儀表顯示分區(qū)設(shè)計

1.5 姿態(tài)儀表DGUS 界面

（4） 可視化C51軟件開發(fā)

C51軟件開發(fā)主要有幾部分：

1. 通過I2C接口完成MPU6050的讀寫命令操作，從傳感器里獲得完整正確的數(shù)據(jù)；

2. 姿態(tài)解算：通過前面的算法，編寫響應(yīng)的函數(shù)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲得姿態(tài)顯示所需要的顯示數(shù)據(jù)；

3.數(shù)據(jù)可視化：將姿態(tài)的各個角度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成UI組件的控制數(shù)據(jù)，比如負(fù)數(shù)和小數(shù)的顯示問題、量程的問題等；

4.開發(fā)必要調(diào)試和跟蹤工具代碼，方便開發(fā)調(diào)試。

這里面通過數(shù)據(jù)顯示窗口主要顯示7個數(shù)據(jù)，分別為三向的姿態(tài)角度，三軸的加速度以及溫度。同時根據(jù)三項的姿態(tài)角度計算可視化的控制數(shù)據(jù)寫入顯示組件地址里：

1.6 姿態(tài)可視化C51軟件開發(fā)

COF屏的C51主代碼如下，重要部分已做了注釋。此項目使用T5L的C51操作I2C讀取MPU6050數(shù)據(jù)的代碼已附帶在文件附件中。 mpu6050_i2c.zip用戶開發(fā)體驗
“通過此實驗已經(jīng)完美的獲取了MPU6050六軸陀螺傳感器的數(shù)據(jù)讀取，姿態(tài)解算的方法，同時結(jié)合COF屏完美的展示了MPU6050姿態(tài)的可視化。在實驗測試中，COF屏在完成負(fù)載的儀表界面顯示時，依然完成了I2C數(shù)據(jù)讀取，復(fù)雜的浮點計算，以及內(nèi)存地址操作。在實際測試中讀取I2C速度可達(dá)8KBps，能夠在1ms內(nèi)讀取完整的MPU7項數(shù)據(jù)，并且在18ms內(nèi)完成了原始數(shù)據(jù)的三角函數(shù)計算工作，解算出飛航的各個姿態(tài)數(shù)據(jù)，并且更新到顯示屏上?！?/p>