STM32 IO口模拟I2C+驱动MPU6050
2017-07-18 22:03
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一、MPU6050
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,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。
2. MPU6050特点
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)
3.MPU6050原理图
3.1 MPU6050引脚图
3.2 MPU6050 的内部框图
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)!!
3.3 MPU6050 传感器的检测轴及方向
二、I2C
1. I2C简介
IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线,用于连接微控制器及其外围设备。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线,可发送和接收数据。
在 CPU 与被控 IC 之间、 IC 与 IC 之间进行双向传送, 高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。
I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号, 它们分别是:开始信号、结束信号和应答
信号。
开始信号: SCL 为高电平时, SDA 由高电平向低电平跳变,开始传送数据。
结束信号: SCL 为高电平时, SDA 由低电平向高电平跳变,结束传送数据。
应答信号:接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后,向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲,
表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后,等待受控单元发出一个应答信号,CPU接收到应答信号后,根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号,判断为受控单元出现故障。
这些信号中,起始信号是必需的,结束信号和应答信号,都可以不要.
重要理解:只有当SCL为高时,IIC电路才会对SDA线上的电平采样,当SCL为低时,SDA线可以任意0、1变化
2.I2C驱动
2.1 开始信号
SCL为高,SDA由高—->低,IIC通信的开始信号。void IIC_Strart(void) { SDA_OUT(); IIC_SDA=1; IIC_SCL=1; delay_us(2); IIC_SDA=0; delay_us(2); IIC_SCL=0; }
最后拉低SCL目的是为了钳住总线,防止IIC对SDA线进行采样,SDA可以0、1变化传送数据
2.2 结束信号
SCL为高,SDA由低—->高,IIC通信的结束信号。void IIC_Stop(void) { SDA_OUT(); IIC_SCL=0; IIC_SDA=0; delay_us(2); IIC_SCL=1; IIC_SDA=1; delay_us(2); }
先将SCL拉低目的是允许SDA进行变化,把SDA拉低(为拉高做准备)
2.3 应答信号
接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后,向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。。若未收到应答信号,判断为受控单元出现故障。
//产生ACK应答信号 void IIC_Ack(void) { IIC_SCL=0; SDA_OUT(); IIC_SDA=0; delay_us(2); IIC_SCL=1; delay_us(2); IIC_SCL=0; } //不产生ACK应答信号 void IIC_NAck(void) { IIC_SCL=0; SDA_OUT(); IIC_SDA=1; delay_us(2); IIC_SCL=1; delay_us(2); IIC_SCL=0; }
先拉低时钟线,再拉低\拉高数据线,最后先拉高时钟线,告诉外设把数据线上的低\高电平采样进去。
2.4等待应答信号
u8 IIC_Wait_Ack(void) { u8 Time=0; SDA_IN(); IIC_SDA=1; delay_us(2); IIC_SCL=1; delay_us(2); while(IIC_SDA) { Time++; if(Time>250) { IIC_Stop(); return 1; } } IIC_SCL=0; return 0;
先拉高SDA,判断在一定时间内SDA是否变0,可以识别出外设有无应答信号
2.5 发送一个字节
void IIC_Send_Byte(u8 txd) { u8 t; SDA_OUT(); IIC_SCL=0; for(t=0;t<8;t++) { IIC_SDA=(txd&0x80)>>7; txd<<=1; delay_us(2); IIC_SCL=1; delay_us(2); IIC_SCL=0; delay_us(2); } }
字节由高到低一位一位发送
2.6 读一个字节
u8 IIC_Read_Byte(u8 ack) { u8 i,receive=0; SDA_IN(); for(i=0;i<8;i++) { IIC_SCL=0; delay_us(2); IIC_SCL=1; receive<<=1; if(READ_SDA)receive++; delay_us(2); } if(!ack) IIC_NAck(); else IIC_Ack(); return receive; }
确定接收完本字节后是否还继续接收字节,继续ACK=1,不继续ACK=0.
一位一位接收从外设传来的数据,函数返回一个字节
三、STM32控制MPU6050
1.硬件连接
实验采用正点原子公司的 AN1507 ATK-MPU6050 六轴传感器模块MPU6050 STM32 VCC <---> VCC GND <---> GND SDA <---> PB9 SCL <---> PB8 INT <---> 不接 AD0 <---> 不接
2. 重要寄存器
2.1 电源管理寄存器 1
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
CLKSEL[2:0]用于选择系统时钟源,选择关系如表
CLKSEL[2:0] | 时钟源 |
---|---|
000 | 内部 8M RC 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状态 |
的 PLL 作为时钟源,一般设置 CLKSEL=001 即可**
2.2 陀螺仪配置寄存器
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)
2.3 加速度传感器配置寄存器
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
2.4 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
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
2.5 陀螺仪采样率分频寄存器
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
2.6 配置寄存器
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:
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
10490
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
2.7 电源管理寄存器 2
LP_WAKE_CTRL 用于控制低功耗时的唤醒频率
剩下的 6 位,分别控制加速度和陀螺仪的x/y/z轴是否进入待机模式,这里我们全部都不进入待机模式,所以全部设置为 0 即可
2.8 陀螺仪数据输出寄存器
通过读取这6个寄存器,就可以读到陀螺仪 x/y/z 轴的值,比如 x 轴的数据,可以通过读取
0X43(高 8 位)和 0X44(低 8 位)寄存器得到,其他轴以此类推
2.9 加速度传感器数据输出寄存器
通过读取这6个寄存器,就可以读到加速度传感器 x/y/z 轴的值,比如读 x 轴的数据,可以通过读取 0X3B(高 8 位)和0X3C(低8位)寄存器得到,其他轴以此类推
2.10 温度传感器数据输出寄存器
温度传感器的值,可以通过读取 0X41(高 8 位)和 0X42(低 8 位)寄存器得到,温度换算公式为:
Temperature = 36.53 + regval/340
其中, Temperature 为计算得到的温度值,单位为℃, regval 为从 0X41 和 0X42 读到的
温度传感器值
2.11 中断使能寄存器
OT_EN 该位置 1,该位使能运动检测(Motiondetection)产生中断。
FIFO_OFLOW_EN该位置1,该位使能FIFO缓冲区溢出产生中断。
I2C_MST_INT_EN该位置1,该位使能I2C主机所有中断源产生中断。
DATA_RDY_EN 该位置 1,该位使能数据就绪中断( Data Ready interrupt),所有的传感器寄存器写操作完成时都会产生
关闭所有中断则给此寄存器赋值0X00
3. 软件驱动
3.1 通过IIC对MPU6050寄存器进行读写
//IIC写一个字节 //reg: 寄存器地址 //data: 数据 //返回值: 0,正常 // 其他,错误代码 u8 IIC_Write_Byte(u8 reg,u8 data) { IIC_Start(); IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令 if(IIC_Wait_Ack()) //等待应答 { IIC_Stop(); return 1; } IIC_Send_Byte(reg); //写寄存器地址 IIC_Wait_Ack(); //等待应答 IIC_Send_Byte(data);//发送数据 if(IIC_Wait_Ack()) //等待ACK { IIC_Stop(); return 1; } IIC_Stop(); return 0; } //IIC读一个字节 //reg:寄存器地址 //返回值:读到的数据 u8 IIC_Read_Byte(u8 reg) { u8 res; IIC_Start(); IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令 IIC_Wait_Ack();//等待应答 IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址 IIC_Wait_Ack();//等待应答 IIC_Start(); IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|1);//发送期间地址+读命令 IIC_Wait_Ack();//等待应答 res=IIC_Read_Byte(0);//读取数据,发送nACK IIC_Stop();//产生一个停止条件 return res; } //IIC连续写 //addr:器件地址 //reg: 寄存器地址 //len: 写入长度 //buf: 数据区 //返回值: 0,正常 // 其他,错误代码 u8 IIC_Write_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf) { u8 i; IIC_Start(); IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//发送器件地址+写命令 if(IIC_Wait_Ack())//等待应答 { IIC_Stop(); return 1; } IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址 IIC_Wait_Ack();//等待应答 for(i=0;i<len;i++) { IIC_Send_Byte(buf[i]);//发送数据 if(IIC_Wait_Ack())//等待ACK { IIC_Stop(); return 1; } } IIC_Stop(); return 0; } //IIC连续读 //addr:器件地址 //reg:要读取的寄存器地址 //len:要读取得长度 //buf:读取到的数据存储区 //返回值: 0,正常 // 其他,错误代码 u8 IIC_Read_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf) { IIC_Start(); IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//发送器件地址+写命令 if(IIC_Wait_Ack())//等待应答 { IIC_Stop(); return 1; } IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址 IIC_Wait_Ack();//等待应答 IIC_Start(); IIC_Send_Byte((addr<<1)|1);//发送器件地址+读命令 IIC_Wait_Ack();//等待应答 while(len) { if(len==1) *buf=IIC_Read_Byte(0);//读数据,发送nACK else *buf=IIC_Read_Byte(1);//读数据,发送ACK len--; buf++; } IIC_Stop();//产生一个停止条件 return 0; }
3.2 MPU6050初始化
//初始化MPU6050 //返回值: 0,成功 // 其他,错误代码 u8 MPU_Init(void) { u8 res; IIC_Init();//初始化IIC总线 IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);//复位MPU6050 delay_ms(100); IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);//唤醒MPU6050 MPU_Set_Gyro_Fsr(3); //陀螺仪传感器,±2000dps MPU_Set_Accel_Fsr(0); //加速度传感器 ±2g MPU_Set_Rate(50); //设置采样率50HZ IIC_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00); //关闭所有中断 IIC_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);//I2C主模式关闭 IIC_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);//关闭FIFO IIC_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80);//INT引脚低电平有效 res=IIC_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG); if(res==MPU_ADDR)//器件ID正确 { IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);//设置CLKSEL,PLL X 轴为参考 IIC_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);//加速度陀螺仪都工作 MPU_Set_Rate(50); //设置采样率为50HZ }else return 1; return 0; } //设置MPU6050陀螺仪传感器满量程范围 //fsr:0,±250dps;1,±500dps;2,±1000dps;3,±2000dps //返回值:0,设置成功 // 其他,设置失败 u8 MPU_Set_Gyro_Fsr(u8 fsr) { return IIC_Write_Byte(MPU_GYRO_CFG_REG,fsr<<3);//设置陀螺仪满量程范围 } //设置MPU6050加速度传感器满量程范围 //fsr:0,±2g;1,±4g;2,±8g;3,±16g //返回值:0,设置成功 // 其他,设置失败 u8 MPU_Set_Accel_Fsr(u8 fsr) { return IIC_Write_Byte(MPU_ACCEL_CFG_REG,fsr<<3);//设置加速度传感器满量程范围 } //设置MPU6050的数字低通滤波器 //lpf:数字低通滤波频率(Hz) //返回值:0,设置成功 // 其他,设置失败 u8 MPU_Set_LPF(u16 lpf) { u8 data=0; if(lpf>=188) data=1; else if(lpf>=98) data=2; else if(lpf>=42) data=2; else if(lpf>=42) data=3; else if(lpf>=20) data=4; else if(lpf>=10) data=5; else data=6; return IIC_Write_Byte(MPU_CFG_REG,data);//设置数字低通滤波器 } //设置MPU6050的采样率(假定Fs=1KHz) //rate:4~1000(Hz) //返回值:0,设置成功 // 其他,设置失败 u8 MPU_Set_Rate(u16 rate) { u8 data; if(rate>1000)rate=1000; if(rate<4)rate=4; data=1000/rate-1; data=IIC_Write_Byte(MPU_SAMPLE_RATE_REG,data); //设置数字低通滤波器 return MPU_Set_LPF(rate/2); //自动设置LPF为采样率的一半 }
3.3 读取MPU6050相关测得原始数据
//得到温度值 //返回值:温度值(扩大了100倍) short MPU_Get_Temperature(void) { u8 buf[2]; short raw; float temp; IIC_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_TEMP_OUTH_REG,2,buf); raw=((u16)buf[0]<<8)|buf[1]; temp=36.53+((double)raw)/340; return temp*100;; } //得到陀螺仪值(原始值) //gx,gy,gz:陀螺仪x,y,z轴的原始读数(带符号) //返回值:0,成功 // 其他,错误代码 u8 MPU_Get_Gyroscope(short *gx,short *gy,short *gz) { u8 buf[6],res; res=IIC_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_GYRO_XOUTH_REG,6,buf); if(res==0) { *gx=((u16)buf[0]<<8)|buf[1]; *gy=((u16)buf[2]<<8)|buf[3]; *gz=((u16)buf[4]<<8)|buf[5]; } return res; } //得到加速度值(原始值) //ax,ay,az:陀螺仪x,y,z轴的原始读数(带符号) //返回值:0,成功 // 其他,错误代码 u8 MPU_Get_Accelerometer(short *ax,short *ay,short *az) { u8 buf[6],res; res=IIC_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_ACCEL_XOUTH_REG,6,buf); if(res==0) { *ax=((u16)buf[0]<<8)|buf[1]; *ay=((u16)buf[2]<<8)|buf[3]; *az=((u16)buf[4]<<8)|buf[5]; } return res;; }
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