使用IIC驱动MPU6050获取六轴数据

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本文用到的资料手册，详见： data-manual/ 常见IC

1、MPU6050设备

1、MPU6050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，内带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，利用自带数字运动处理器（DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通过主IIC接口，可以向应用端输出完整的9轴姿态融合演算数据。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，我们常用的模块如下所示。
在这里插入图片描述

2、MPU6050的特点

目前市面上的加速度计从输出上区分为两种，一种是数字的，另一种是模拟的。miniAHRS 使用的是MPU6050三轴加速度计，是I2C接口的数字传感器。通过特定的命令可以配置加速度的量程，并将内部ADC的转换结果读出来。
MPU6050的读数，以LSB为单位的，不是我们的最常用的g（9.8米/秒^ 2），需要最后的转换，我们要知道加速度计灵敏度，通常表示为LSB /g。比方说当我们选择2g的量程时，对应的灵敏度= 16384 LSB/ G 。为了得到最终的力值，单位为g，我们用下面的公式：RX = ADCRx /灵敏度就可以进行计算了，也就是说当x轴的计数为ADCRx 时，那么对应的加速度值就是 (ADCRx/16384)g.
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。
自带一个数字温度传感器。

3、MPU6050陀螺仪的工作原理

加速度计的工作原理

如果我们把盒子形状的立方体放在一个没引力场的地方，球会保持在盒子的中间。可以想象，这个盒子是在外太空，远离任何天体，一切都是在失重状态下。那么六个壁面感受到的压力都是0，这样就是没有加速度的，所以我们要测加速度就是测六个壁面的压力，可以理解为六个壁面的都是压敏电阻，然后我们就是测ADC，其实实际情况也是测量ADC数据！
在这里插入图片描述
突然将立方体向左侧移动（我们加快加速，1G =9.8米/ S ^ 2），皮球打在了墙上X-。然后，我们测量球作用在X轴上的壁和输出-1g值的压力，这里要注意就是力的作用是相互的，说白了我们测量的其实是参考面的压力，不是真实的压力情况，所以我们这里真实值是实际值的相反数。
在这里插入图片描述
同样的我们也可以根据这个原理测量到多轴的数据情况

那么通过矢量合成的方法就可以获取到我们当前的一个角度情况了，下面图中展示了我们的一个新的坐标系，向量R是我们测量得到的矢量，他在XYZ三个轴上就会有对应的分量RX，RY，RZ。
在这里插入图片描述
他们的关系如下，这样我们就可以通过反推的方式获取到各个轴的加速度。

陀螺仪的工作原理

MPU6050 集成了三轴的陀螺仪，角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)。当选择量程为±250dps的时候，将会得到分辩率为131LSB/(º/s)。也就是当载体在X+轴转动1dps时，ADC将输出131。
在这里插入图片描述
陀螺仪就不再是检测加速度这样的对壁面的压力了，而是检测绕相应轴的转动速度，MPU6050带有三个陀螺仪，每个陀螺仪各自负责检测相应轴的转动速度，也就是检测围绕各个轴转动的速度。像三轴的陀螺仪将同时检测 X Y Z轴的旋转。

2、获取传感器数据

MPU6050的内部框图如下所示：

在这里插入图片描述
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），例 0x68：1101000 + 最低位表示读写，构成8位的IIC地址。

常见的MPU6050的原理图如下所示

基本上就是一个LDO，然后就是芯片电路加上一排引脚了，比较好移植，主要是注意屏蔽还有隔离上的设计
在这里插入图片描述
下面来介绍下MPU6050中一些重要的寄存器

电源管理寄存器

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，选择关系如下所示：

数据	时钟源
000	内部8MRC晶振
001	PLL，使用X轴陀螺作为参考
010	PLL，使用Y轴陀螺作为参考
011	PLL，使用Z轴陀螺作为参考
100	PLL，使用外部32.768Khz作为参考
101	PLL，使用外部19.2Mhz作为参考
110	保留
111	关闭时钟，保持时序产生电路复位伏态

一般我们选001，这样精度高点

陀螺仪配置寄存器

一般常用的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；一般设置为 3，即±2000°/S，灵敏度为：65536/4000=16.4LSB/(°/S)。
加速度传感器配置寄存器

一般常用 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；一般设置为 0，即±2g，灵敏度为：65536/4=16384LSB/g。
FIFO使能寄存器

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。
陀螺仪采样率分频寄存器

用于设置MPU6050的陀螺仪采样频率，计算为：采样频率 = 陀螺仪输出频率/(1+SMPLRT_DIV)，输出频率和数字低通滤波器的设置有关，一般是8khz或者1khz，而且一般数字低通滤波器的频率一般设置为采样率的一半，假设采样率设置为50hz，那么SMPLRT_DIV=1000/50 - 1（这里数字低通滤波器设置为1khz）
配置寄存器

这里就只要是数字低通滤波器（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下表所示：

这里的加速度传感器，输出速率（Fs）固定是 1Khz，而角速度传感器的输出速率（Fs），则根据 DLPF_CFG 的配置有所不同。一般我们设置角速度传感器的带宽为其采样率的一半，如前面所说的，如果设置采样率为 50Hz，那么带宽就应该设置为 25Hz，取近似值 20Hz，就应该设置 DLPF_CFG=100。
电源管理寄存器二

该寄存器的 LP_WAKE_CTRL 用于控制低功耗时的唤醒频率，基本我们不太用得到。
陀螺仪数据输出寄存器

高字节在前，低字节在后，分别是XYZ这样的顺序。
加速度数据输出寄存器

高字节在前，低字节在后，分别是XYZ这样的顺序。
温度传感器数据输出寄存器

通过读取0X41（高8位）和0X42（低8位）寄存器得到，温度换算公式为： Temp = 36.53 + regval/340，regval为从传感器读取到的数据。

这里附上数据手册里面的完整寄存器列表：

在这里插入图片描述

下面是根据寄存器手册里的一些比较常用的寄存器地址

#define MPU_SELF_TESTX_REG		0X0D	//自检寄存器X
#define MPU_SELF_TESTY_REG		0X0E	//自检寄存器Y
#define MPU_SELF_TESTZ_REG		0X0F	//自检寄存器Z
#define MPU_SELF_TESTA_REG		0X10	//自检寄存器A
#define MPU_SAMPLE_RATE_REG		0X19	//采样频率分频器
#define MPU_CFG_REG				0X1A	//配置寄存器
#define MPU_GYRO_CFG_REG		0X1B	//陀螺仪配置寄存器
#define MPU_ACCEL_CFG_REG		0X1C	//加速度计配置寄存器
#define MPU_MOTION_DET_REG		0X1F	//运动检测阀值设置寄存器
#define MPU_FIFO_EN_REG			0X23	//FIFO使能寄存器
#define MPU_I2CMST_CTRL_REG		0X24	//IIC主机控制寄存器
#define MPU_I2CSLV0_ADDR_REG	0X25	//IIC从机0器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV0_REG			0X26	//IIC从机0数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV0_CTRL_REG	0X27	//IIC从机0控制寄存器
#define MPU_I2CSLV1_ADDR_REG	0X28	//IIC从机1器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV1_REG			0X29	//IIC从机1数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV1_CTRL_REG	0X2A	//IIC从机1控制寄存器
#define MPU_I2CSLV2_ADDR_REG	0X2B	//IIC从机2器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV2_REG			0X2C	//IIC从机2数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV2_CTRL_REG	0X2D	//IIC从机2控制寄存器
#define MPU_I2CSLV3_ADDR_REG	0X2E	//IIC从机3器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV3_REG			0X2F	//IIC从机3数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV3_CTRL_REG	0X30	//IIC从机3控制寄存器
#define MPU_I2CSLV4_ADDR_REG	0X31	//IIC从机4器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV4_REG			0X32	//IIC从机4数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV4_DO_REG		0X33	//IIC从机4写数据寄存器
#define MPU_I2CSLV4_CTRL_REG	0X34	//IIC从机4控制寄存器
#define MPU_I2CSLV4_DI_REG		0X35	//IIC从机4读数据寄存器

#define MPU_I2CMST_STA_REG		0X36	//IIC主机状态寄存器
#define MPU_INTBP_CFG_REG		0X37	//中断/旁路设置寄存器
#define MPU_INT_EN_REG			0X38	//中断使能寄存器
#define MPU_INT_STA_REG			0X3A	//中断状态寄存器

#define MPU_ACCEL_XOUTH_REG		0X3B	//加速度值,X轴高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_XOUTL_REG		0X3C	//加速度值,X轴低8位寄存器
#define MPU_ACCEL_YOUTH_REG		0X3D	//加速度值,Y轴高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_YOUTL_REG		0X3E	//加速度值,Y轴低8位寄存器
#define MPU_ACCEL_ZOUTH_REG		0X3F	//加速度值,Z轴高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_ZOUTL_REG		0X40	//加速度值,Z轴低8位寄存器

#define MPU_TEMP_OUTH_REG		0X41	//温度值高八位寄存器
#define MPU_TEMP_OUTL_REG		0X42	//温度值低8位寄存器

#define MPU_GYRO_XOUTH_REG		0X43	//陀螺仪值,X轴高8位寄存器
#define MPU_GYRO_XOUTL_REG		0X44	//陀螺仪值,X轴低8位寄存器
#define MPU_GYRO_YOUTH_REG		0X45	//陀螺仪值,Y轴高8位寄存器
#define MPU_GYRO_YOUTL_REG		0X46	//陀螺仪值,Y轴低8位寄存器
#define MPU_GYRO_ZOUTH_REG		0X47	//陀螺仪值,Z轴高8位寄存器
#define MPU_GYRO_ZOUTL_REG		0X48	//陀螺仪值,Z轴低8位寄存器

#define MPU_I2CSLV0_DO_REG		0X63	//IIC从机0数据寄存器
#define MPU_I2CSLV1_DO_REG		0X64	//IIC从机1数据寄存器
#define MPU_I2CSLV2_DO_REG		0X65	//IIC从机2数据寄存器
#define MPU_I2CSLV3_DO_REG		0X66	//IIC从机3数据寄存器

#define MPU_I2CMST_DELAY_REG	0X67	//IIC主机延时管理寄存器
#define MPU_SIGPATH_RST_REG		0X68	//信号通道复位寄存器
#define MPU_MDETECT_CTRL_REG	0X69	//运动检测控制寄存器
#define MPU_USER_CTRL_REG		0X6A	//用户控制寄存器
#define MPU_PWR_MGMT1_REG		0X6B	//电源管理寄存器1
#define MPU_PWR_MGMT2_REG		0X6C	//电源管理寄存器2 
#define MPU_FIFO_CNTH_REG		0X72	//FIFO计数寄存器高八位
#define MPU_FIFO_CNTL_REG		0X73	//FIFO计数寄存器低八位
#define MPU_FIFO_RW_REG			0X74	//FIFO读写寄存器
#define MPU_DEVICE_ID_REG		0X75	//器件ID寄存器

3、读取设备

下面我们开始用stm32来读取MPU6050的数据

1、查看设备是否存在

开启iic，设置成标准或者快速模式都可以的
在这里插入图片描述
初始化iic后来寻找设备

源代码如下：

  for(uint8_t i=0;i<255;i++)
  {
    
    
	  if(HAL_I2C_IsDeviceReady (&hi2c1 ,i ,1 ,1000)== HAL_OK )
  	  {
    
    
  		  printf("发现iic设备 %d\r\n",i);
  		  break;
  	  }
  }

将程序下载到开发板后，可以看到数据如下所示
在这里插入图片描述
这里我们前面提到过，只有前七位是设备地址，最后一位有AD0来决定，所以我们将208（0XD0）进行移位操作，就可以获取到我们的设备地址了，这里读取到的是0X68完全正确

2、读取加速度，角速度和温度

这里就是先定义一个结构体，这样我们后面看数据方便
在这里插入图片描述
初始化mpu6050

获取数据，因为他的数据，加速度，角加速度，温度正好是在一起的连续地址，所以我们就可以连续读取数据，读取数据的函数如下所示：

最后在主函数中调用就行了

将程序下载到开发板，可以看书数据如下所示
在这里插入图片描述

3、源代码

mpu6050.c

/*
 * mpu6050.c
 *
 *  Created on: Mar 5, 2022
 *      Author: LX
 */

#include "mpu6050.h"

extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;
IMU_Parameter IMU_Data;

#define MPU6050_ADDR 0xD0

float gyrox, gyroy, gyroz, accelx, accely, accelz, temp;

void MPU6050_Init(void)
{
    
    
	uint8_t check,data;
	HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1 ,MPU6050_ADDR,MPU_DEVICE_ID_REG,1,&check ,1,0xff); //读设备

	if(check == 104)//如果是0x68
	{
    
    
		data = 0x00;
		HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,MPU6050_ADDR,MPU_PWR_MGMT1_REG,1,&data,1,0xff);
		data = 0x07;
		HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,MPU6050_ADDR,MPU_SAMPLE_RATE_REG,1,&data,1,0xff);
		data = 0x00;
		HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,MPU6050_ADDR,MPU_CFG_REG,1,&data,1,0xff);
		data = 0x00;
		HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,MPU6050_ADDR,MPU_GYRO_CFG_REG,1,&data,1,0xff);
	}
}


void MPU6050_GET_Data(void)
{
    
    
	uint8_t buf[14]={
    
    0};

	HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1,MPU6050_ADDR,MPU_ACCEL_XOUTH_REG,1,buf,14,1000);

	accelx = (float) (((int16_t) (buf[0] << 8) + buf[1])/16384.0f);
	accely = (float) (((int16_t) (buf[2] << 8) + buf[3])/16384.0f);
	accelz = (float) (((int16_t) (buf[4] << 8) + buf[5])/16384.0f);
	temp = (float) (((int16_t) (buf[6] << 8) + buf[7])/340 + 36.53f);
	gyrox = (float) (((int16_t) (buf[8] << 8) + buf[9])/131.0f);
	gyroy = (float) (((int16_t) (buf[10] << 8) + buf[11])/131.0f);
	gyroz = (float) (((int16_t) (buf[12] << 8) + buf[13])/131.0f);

	IMU_Data.Accel_X = accelx - IMU_Data.offset_Accel_X;
	IMU_Data.Accel_Y = accely - IMU_Data.offset_Accel_Y;
	IMU_Data.Accel_Z = accelz - IMU_Data.offset_Accel_Z;
	IMU_Data.Temp = temp;
	IMU_Data.Gyro_X = gyrox - IMU_Data.offset_Gyro_X;
	IMU_Data.Gyro_Y = gyroy - IMU_Data.offset_Gyro_Y;
	IMU_Data.Gyro_Z = gyroz - IMU_Data.offset_Gyro_Z;
}

mpu6050.h

/*
 * mpu6050.h
 *
 *  Created on: Mar 5, 2022
 *      Author: LX
 */

#ifndef MPU6050_H_
#define MPU6050_H_

#include "main.h"

#define MPU_SELF_TESTX_REG		0X0D	//自检寄存器X
#define MPU_SELF_TESTY_REG		0X0E	//自检寄存器Y
#define MPU_SELF_TESTZ_REG		0X0F	//自检寄存器Z
#define MPU_SELF_TESTA_REG		0X10	//自检寄存器A
#define MPU_SAMPLE_RATE_REG		0X19	//采样频率分频器
#define MPU_CFG_REG				0X1A	//配置寄存器
#define MPU_GYRO_CFG_REG		0X1B	//陀螺仪配置寄存器
#define MPU_ACCEL_CFG_REG		0X1C	//加速度计配置寄存器
#define MPU_MOTION_DET_REG		0X1F	//运动检测阀值设置寄存器
#define MPU_FIFO_EN_REG			0X23	//FIFO使能寄存器
#define MPU_I2CMST_CTRL_REG		0X24	//IIC主机控制寄存器
#define MPU_I2CSLV0_ADDR_REG	0X25	//IIC从机0器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV0_REG			0X26	//IIC从机0数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV0_CTRL_REG	0X27	//IIC从机0控制寄存器
#define MPU_I2CSLV1_ADDR_REG	0X28	//IIC从机1器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV1_REG			0X29	//IIC从机1数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV1_CTRL_REG	0X2A	//IIC从机1控制寄存器
#define MPU_I2CSLV2_ADDR_REG	0X2B	//IIC从机2器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV2_REG			0X2C	//IIC从机2数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV2_CTRL_REG	0X2D	//IIC从机2控制寄存器
#define MPU_I2CSLV3_ADDR_REG	0X2E	//IIC从机3器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV3_REG			0X2F	//IIC从机3数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV3_CTRL_REG	0X30	//IIC从机3控制寄存器
#define MPU_I2CSLV4_ADDR_REG	0X31	//IIC从机4器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV4_REG			0X32	//IIC从机4数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV4_DO_REG		0X33	//IIC从机4写数据寄存器
#define MPU_I2CSLV4_CTRL_REG	0X34	//IIC从机4控制寄存器
#define MPU_I2CSLV4_DI_REG		0X35	//IIC从机4读数据寄存器

#define MPU_I2CMST_STA_REG		0X36	//IIC主机状态寄存器
#define MPU_INTBP_CFG_REG		0X37	//中断/旁路设置寄存器
#define MPU_INT_EN_REG			0X38	//中断使能寄存器
#define MPU_INT_STA_REG			0X3A	//中断状态寄存器

#define MPU_ACCEL_XOUTH_REG		0X3B	//加速度值,X轴高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_XOUTL_REG		0X3C	//加速度值,X轴低8位寄存器
#define MPU_ACCEL_YOUTH_REG		0X3D	//加速度值,Y轴高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_YOUTL_REG		0X3E	//加速度值,Y轴低8位寄存器
#define MPU_ACCEL_ZOUTH_REG		0X3F	//加速度值,Z轴高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_ZOUTL_REG		0X40	//加速度值,Z轴低8位寄存器

#define MPU_TEMP_OUTH_REG		0X41	//温度值高八位寄存器
#define MPU_TEMP_OUTL_REG		0X42	//温度值低8位寄存器

#define MPU_GYRO_XOUTH_REG		0X43	//陀螺仪值,X轴高8位寄存器
#define MPU_GYRO_XOUTL_REG		0X44	//陀螺仪值,X轴低8位寄存器
#define MPU_GYRO_YOUTH_REG		0X45	//陀螺仪值,Y轴高8位寄存器
#define MPU_GYRO_YOUTL_REG		0X46	//陀螺仪值,Y轴低8位寄存器
#define MPU_GYRO_ZOUTH_REG		0X47	//陀螺仪值,Z轴高8位寄存器
#define MPU_GYRO_ZOUTL_REG		0X48	//陀螺仪值,Z轴低8位寄存器

#define MPU_I2CSLV0_DO_REG		0X63	//IIC从机0数据寄存器
#define MPU_I2CSLV1_DO_REG		0X64	//IIC从机1数据寄存器
#define MPU_I2CSLV2_DO_REG		0X65	//IIC从机2数据寄存器
#define MPU_I2CSLV3_DO_REG		0X66	//IIC从机3数据寄存器

#define MPU_I2CMST_DELAY_REG	0X67	//IIC主机延时管理寄存器
#define MPU_SIGPATH_RST_REG		0X68	//信号通道复位寄存器
#define MPU_MDETECT_CTRL_REG	0X69	//运动检测控制寄存器
#define MPU_USER_CTRL_REG		0X6A	//用户控制寄存器
#define MPU_PWR_MGMT1_REG		0X6B	//电源管理寄存器1
#define MPU_PWR_MGMT2_REG		0X6C	//电源管理寄存器2
#define MPU_FIFO_CNTH_REG		0X72	//FIFO计数寄存器高八位
#define MPU_FIFO_CNTL_REG		0X73	//FIFO计数寄存器低八位
#define MPU_FIFO_RW_REG			0X74	//FIFO读写寄存器
#define MPU_DEVICE_ID_REG		0X75	//器件ID寄存器

typedef struct
{
    
    
    float Accel_X;
    float Accel_Y;
    float Accel_Z;
    float offset_Accel_X;
    float offset_Accel_Y;
    float offset_Accel_Z;

    float Gyro_X;
    float Gyro_Y;
    float Gyro_Z;
    float offset_Gyro_X;
    float offset_Gyro_Y;
    float offset_Gyro_Z;

    float Angle_X;
    float Angle_Y;
    float Angle_Z;

    float Temp;

}IMU_Parameter;



void MPU6050_Init(void);
void MPU6050_GET_Data(void);

#endif /* MPU6050_H_ */