传感器数据采集实验

作者:Songyimiao

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： MPU-6050，该传感器广泛用于四轴飞行器、平衡小车和空中鼠标等设计，具有非常广泛的应用范围。MWbalancedSTC15两轮自平衡小车自带了MPU-6050传感器。本章我们将使用STC15来驱动MPU-6050，读取其原始数据，并结合虚拟示波器Serial Digital Scope显示波形，教大家如何使用这款功能强大的六轴传感器。

MPU-6050基础介绍

MPU-6050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。

MPU-6050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所示：

MPU6050 的内部框图如图所示：

其中， SCL和 SDA 是连接 MCU 的 IIC 接口， MCU 通过这个 IIC 接口来控制 MPU-6050，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MWbalancedSTC15上， AD0 是接 GND 的，所以 MPU6050 的 IIC 地址是 0X68（不含最低位）。

1）初始化 IIC 接口

MPU-6050 采用 IIC 与 STC15 通信，所以我们需要先初始化与 MPU6050 连接的 SDA 和 SCL 数据线。不了解IIC的同学点击这里学习：传送门。

2）复位 MPU-6050

这一步让 MPU-6050 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。 MPU-6050 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，各位描述如图所示：

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，选择关系如表所示：

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，各位描述如图所示：

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，各位描述如图所示：

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，各位描述如图所示：

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，各位描述如图所示：

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，各位描述如图所示：

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。

接下来，我们看电源管理寄存器 2，寄存器地址为： 0X6C，各位描述如图所示：

该寄存器的 LP_WAKE_CTRL 用于控制低功耗时的唤醒频率，本章用不到。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。

接下来，我们看看陀螺仪数据输出寄存器，总共有 6 个寄存器组成，地址为： 0X43~0X48，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。

同样，加速度传感器数据输出寄存器，也有 8 个，地址为： 0X3B~0X40，通过读取这 8 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。

最后，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。

关于 MPU6050 的基础介绍，我们就介绍到这。

对上咱们的代码：

依次初始化，就这么简单。

我们可以将传感器的数值发送到上位机方便查看，这里我们用虚拟示波器Serial Digital Scope。

不知道怎么用虚拟示波器Serial Digital Scope，点这里：传送门