STC8H开发(七): I2C驱动MPU6050三轴加速度+三轴角速度检测模块

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MPU-6050

MPU-6050是InvenSense生产的六轴运动跟踪芯片, 芯片尺寸4×4×0.9mm, QFN封装. 整合了三轴陀螺仪, 三轴加速度计, 片内温度传感器和数字运动处理器(DMP), 可以使用I2C接口外接三轴电子罗盘的输入，提供完整的九轴运动融合输出.

MPU-6050包含6个16位ADC, 3个用于陀螺仪输出, 3个用于加速度计输出. 用户可以设置的陀螺仪满量程范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps), 可设置的加速度计满量程范围为±2g, ±4g, ±8g和±16g. 通信使用 400kHz的 I2C接口或 1MHz的 SPI接口(SPI仅MPU-6000可用).

模块与STC8H的接线

市面上的模块, 一般是8个pin脚, 如果只是获取6轴采样和温度, 与STC8H只需要连接4根线

    P32   -> SCL
    P33   -> SDA
    GND   -> GND
    3.3V  -> VCC

未连接的其它4个pin分别是

  • XDA和XCL: I2C主设备接口, 用于外接I2C从设备,
  • AD0: I2C从设备地址LSB
  • INT: 中断输出

模块与STC8H的通信

I2C频率最高为400KHz, STC8H的设置如下, 其中I2C功能复用选择的是P32/P33, 如果换到其它复用脚需要相应调整

void I2C_Init(void)
{
    // 主节点模式
    I2C_SetWorkMode(I2C_WorkMode_Master);
    /**
     * I2C 时钟 = SYSCLK / 2 / (__prescaler__ * 2 + 4)
     * MPU6050 works with i2c clock up to 400KHz
     * 
     * 44.2368 / 2 / (26 * 2 + 4) = 0.39 MHz
    */
    I2C_SetClockPrescaler(0x1A);
    // 复用口选择
    I2C_SetPort(I2C_AlterPort_P32_P33);
    // 启动 I2C
    I2C_SetEnabled(HAL_State_ON);
}

与MPU6050的通信可以直接使用SDK中的I2C读写方法, 需要注意的几点

  1. 一次性读出的双字节结果, 如果直接转uint16_t, 其高字节和低字节位置是相反的, 需要调换后再转换
  2. 可以一次性读出6轴+温度数据
uint16_t swap(uint16_t num)
{
    return (num >> 8) | (num << 8);
}

void MPU6050_Write(uint8_t addr, uint8_t dat)
{
    I2C_Write(MPU6050_ADDR, addr, &dat, 1);
}

uint8_t MPU6050_Read(uint8_t addr)
{
    uint8_t ret;
    I2C_Read(MPU6050_ADDR, addr, &ret, 1);
    return ret;
}

// 读取16位数据
uint16_t MPU6050_ReadInt(uint8_t addr)
{
    uint16_t ret;
    I2C_Read(MPU6050_ADDR, addr, (uint8_t *)&ret, 2);
    return swap(ret); // swap high/low bits for correct order
}

// 一次性读取7个16位数据
void MPU6050_ReadAll(uint16_t *buf)
{
    uint8_t i;
    I2C_Read(MPU6050_ADDR, MPU6050_REG_ACCEL_XOUT_H, (uint8_t *)buf, 14);
    for (i = 0; i < 7; i++)
    {
        *(buf + i) = swap(*(buf + i));
    }
}

主要的寄存器设置

几个可能会用到的寄存器说明

电源管理寄存器 0x6B 和 0x6C

这两个寄存器控制了MPU6050的工作模式: 睡眠模式(Sleep), 节电模式(Cycle)和正常工作模式

  • 睡眠模式: 0x6B 的第六位置1开启, 睡眠模式下可以通信, 但是所有的检测转换都是停止的, 结果读取的值都是0
  • 节电模式: 是一种睡眠和正常交替的模式, MPU6050每隔一段时间做一次检测转换, 其余时间都处在睡眠状态
    • 进入节电模式, 需要将sleep位置0, cycle位置1, 禁止温度采样位置1, STBY_XG, STBY_YG, STBY_ZG置1
    • 节点模式下的采样频率可以设置为 1.25Hz, 5Hz, 20Hz, 40Hz
  • 正常模式: 正常模式按设置进行正常的检测和转换

在 0x6C 中, 还可以指定六个检测轴中的哪些轴暂停检测

采样速率寄存器 0x19

这个寄存器用于设置陀螺仪输出速率分频系数, 采样速率通过陀螺仪输出速率除以此寄存器的值产生:

采样速率 = 陀螺仪输出速率 / (1 + SMPLRT_DIV)

其中, 禁用DLPF(低通过滤)时陀螺仪输出速率为8KHz(DLPF_CFG = 0 or 7), 当启用DLPF时为1KHz.

配置寄存器 0x1A

这个寄存器用于设置外部帧同步(FSYNC)引脚采样和数字陀螺仪和加速度计的低通滤波器(DLPF). 连接到FSYNC引脚的外部信号可以通过配置EXT_SYNC_SET来采样, FSYNC引脚的信号变化被锁存, 以便捕捉信号, FSYNC信号将以寄存器0x19中定义的采样速率进行采样。采样后锁存器将复位到当前的FSYNC信号状态.

  • 位3,4,5: 设置FSYNC位的位置
  • 位0,1,2: 取值0 – 6, 设置DLPF, 数字越大延迟越大.

角速度检测(陀螺仪)配置寄存器 0x1B

这个寄存器用于设置角速度三轴的自检和满刻度范围

加速度检测配置寄存器 0x1C

这个寄存器用于设置加速度三轴的自检和满刻度范围

模块的中断类型及设置

中断功能通过中断配置寄存器进行配置。 可配置的项目包括INT引脚配置，中断锁存和清除方法以及中断触发器。 可触发中断的项目有：

  1. 时钟发生器锁定到新的参考振荡器(用于切换时钟源)
  2. 可以读取新数据(来自FIFO和数据寄存器)
  3. 加速度计事件中断
  4. MPU-6050 没有收到辅助传感器的确认I2C总线

中断状态可以从中断状态寄存器读取。

检测数据

MPU6050在检测过程中, 根据采样速率不断输出六轴加温度的检测值, 如果设置的满刻度范围较大, 则测量输出的数字较小, 灵敏度较低, 要增加灵敏度可以调小满刻度范围. 相比较 ADXL345, MPU6050更适合运动中的物体检测, 能检测到更准确的运动中物体姿态变化, 同样的, 如果没有接入电子罗盘(磁强计), 只能得到俯仰角和横滚角数据, 不能得到航向角数据.

演示代码

演示代码以100ms的时间间隔, 不断读取7个检测数据并通过UART1串口输出, 接线正确的话, 可以通过串口软件观察到模块运动带来的检测值变化

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