STM32-MPU6050+DAM库源码（江协笔记）

目录

1、MPU6050简介

2、MPU6050参数

3、MPU6050硬件电路

4、MPU6050结构

5、MPU6000和MPU6050的区别

6、MPU6050应用场景

7、MPU6050电气参数

8、MPU6050时钟源选择

9、MPU6050中断源

10、MPU6050的I2C读写操作

11、DMP库移植

1、MPU6050简介

10轴传感器：3轴加速度传感器+3轴陀螺仪传感器+3轴磁场传感器+气压传感器

欧拉角：以飞机为例，欧拉角便是飞机机身相对于初始3个轴的夹角，用于表达飞机的姿态。飞机机头上倾或者上仰，与z轴的夹角称为俯仰（Pitch）；飞机机身左翻滚或者右翻滚，与x轴的夹角称为滚转（Roll）；飞机机身保持水平，机头向左转向或者向右转向，这个轴的夹角称为偏航（Yaw）。

3轴加速度传感器：陀螺仪内部x/y/z轴方向分别放置了一个加速度计（原理与压力计相似），可以想象一个内置小球的方框模型，正方体六个面所测到的力就是3个轴的加速度值。如果把芯片水平放置在地球上，便只有底面测力计受到小球的压力，此时XY轴输出为0，z轴输出一个向下的加速度值；如果在自由落体，则xyz输出均为0。需要注意的是，加速度计具有静态稳定性，不具有动态稳定性，用加速度求角度只能在物体静止时使用，当物体运动时，这个角度会受加速度的影响而变得不准确。

3轴陀螺仪传感器：上图模型中，中间是一个有一定质量的旋转轮，外面是3个轴的平衡环。当中间的旋转轮高速旋转时，根据动量守恒的原理，该旋转轮具有保持其原有角动量的趋势，这个趋势可以保持旋转轴方向不变，当外部物体转动时，内部的旋转轴方向并不会转动，这就会在平衡环连接处产生角度偏差，如果在连接处放置一个旋转的电位器，通过测量电位器的电压便可得到旋转的角度。理论是MPU6050是可以直接测量角度的，可能是结构的差异或者工艺的限制，芯片内部的陀螺仪测量的是角速度。陀螺仪测量的xyz轴的角速度值，分别表示此时芯片绕x轴、y轴和z轴旋转的角速度。可以想象一下游乐园的飞轮，中间的轴转的越快，椅子飞的越远，测量椅子飞起的距离或者夹角，便可得到中间值的角度，对角速度进行积分便可得到角度。需要注意的是，陀螺仪具有动态稳定性，不具有静态稳定性，因为角速度积分得到的角度的误差会随着时间而变大，当物体静止时，角速度会因为噪声无法完全归零，然后经过积分的不断累积，这个小噪声就会导致计算出来的角度产生缓慢的漂移。但是该角度不受物体运动的影响。

2、MPU6050参数

ADC：MPU6050需要通过内部ADC将读取到达电压信号转化为数字信号；

加速度满量程：g=9.8m/s^2；

陀螺仪满量程：。/sec（角速度单位），表示每秒旋转的度数。

（如果所测量的物体运动非常剧烈，可将满量程设置大一些，防止加速度或者角速度超出量程；如果所测量的问题运动非常平缓，可将满量程设置小一下，以提高分辨率。）

数字低通滤波器：使输出数据变得平缓；

时钟源和时钟采样分频：时钟源结果分频，可以为AD转换和内部其他电路提供时钟，控制分频系数便可控制AD转换的快慢。

I2C从机地址：在程序在可以直接用二进制表示，如果要用16进制表示，有2种表示方式：1、认为0x68为从机地址，1101000-》0x68，但在I2C通信的时序中，第一个字节的高7位才是从机地址，最低位是读写位，所以发送地址要表示为(0x68<<1)|(读写位)；2、认为0xD0为从机地址，即0x68左移一位后的数据，所以发送地址要表示为(0xD0)|(读写位)。

3、MPU6050硬件电路

XCL、XDA：用于外接磁力计或气压计，MPU6050的主机接口可以直接访问这些扩展芯片的数据，把这些扩展芯片数据读取到MPU6050中去，MPU6050的DMP单元对这些数据进行数据融合和姿态解算。但如果不需要MPU6050的解算功能的话，也可以直接挂载到SDA、SCL上，因为I2C可以同时挂载多个设备；

SDA、SCL：MPU6050的该引脚已内置上拉电阻；

AD0：接高电平，7位从机地址为1101001；接低电平，7位从机地址为1101000；悬空默认低电平；

INT：可以配置芯片内部的一些事件，来触发中断引脚的输出，比如数据准备好了、I2C主机错误等；另外，芯片内部还内置了一些实用的小功能，比如自由落体检测、运动检测、零运动检测等，这些信号都可以触发INT引脚产生电平跳变，需要时进行中断配置即可。

4、MPU6050结构

传感器自测单元：用于验证芯片好坏。外力施加到传感器上，这个外力使传感器数据会比平时大一些。先使能自测，读取数据，再失能自测，读取数据，两个数据的差值称为自测响应，如果自测响应在芯片手册规定的范围内，说明芯片没有问题，反之则可能损坏。

电荷泵：一种升压、降压电路，由于陀螺仪内部需要一个高低压支持，所以需要电荷泵进行升压，这在OLED中也有应用。因为电容比较小，所以切换速度要快，再在电压输出端接电源滤波，便可进行平稳升压。

  • 阶段1：输入电压Vin个fly电容充电，Vfly = Vin。

  • 阶段2：改变如图改变电容的接入方式，由于阶段1中电容已经充电，fly电容上端的电压 = Vin + Vfly = 2 * Vin = Vout，实现倍压。

中断状态寄存器：控制内部事件到中断引脚的输出；

先入先出寄存器：对数据流进行缓存；

配置寄存器：对内部各个电路进行配置；

传感器寄存器（数据寄存器）：存储各个传感器的数据；

工厂校准：用于内部传感器校准；

数字运动处理器（DMP）：芯片内部自带的一个姿态解算的硬件算法，配合官方的DMP库，可以进行姿态解算；

接口旁路选择器：开关接上时，MPU6050和扩展设备均由STM32控制；接下，MPU6050由STM32控制，扩展设备由MPU6050控制。

5、MPU6000和MPU6050的区别

两种型号的陀螺仪功能差不多，仅有些许差异：

  • MPU6050有一个独立的逻辑电源引脚VLOGIC，可以支持供电和IO口不一样的电平等级，而MPU6000没有

  • MPU6000同时支持I2C和SPI通信接口，而MPU6050仅支持I2C通信

6、MPU6050应用场景

  • BlurFreeTM技术(用于视频/静止图像稳定)

  • AirSignTM技术(用于安全/认证)

  • TouchAnywhereTM技术(用于“无触控”UI应用控制/导航)

  • MotionCommandTM技术(用于手势快捷键)

  • 支持动作的游戏和应用框架

  • InstantGesture TMiGTM手势识别

  • 基于位置的服务，兴趣点和航位推算

  • 手机和便携式游戏

  • 基于动作的游戏控制器

  • 用于联网的数字电视和机顶盒的3D遥控器，3D鼠标

  • 用于健康、健身和运动的可穿戴传感器

  • 玩具

7、MPU6050电气参数

（1）绝对最大参数

如果超过绝对最大参数芯片便有可能损坏。

（2）I2C时序表征

MPU6050的I2C的SCL时钟频率最大可达400KHz，如果STM32的I2C时钟频率超过则芯片可能跟不上，当然，I2C是同步时序，对时间的要求不是非常严格，所以400KHz只是一个最大参数，实际速率可以慢一些。

虽然供电绝对最大参数为5~6V，但其电气特性的供电范围为2.375~3.46V，若超过芯片可能无法正常工作，所以使用3.3V供电即可。

8、MPU6050时钟源选择

  • MPU6050内部晶振。

  • X、Z、Y轴陀螺仪。因为陀螺仪内部需要高精度时钟的支持，所以陀螺仪内部也有独立的时钟，这3个时钟可以输出作为内部时钟。

  • 通过外部的CLKIN引脚，输入32.768Hz或者19.2MHz的方波作为系统时钟。

一般使用前2种。

9、MPU6050中断源

以自由落体检测为例：自由落体时，3个加速度值均为0，当加速度值低于预设的阈值时，开始计数，当计数足够多时，发生自由落体事件，可以配置这个事件去触发中断引脚的电平跳变。

运动检测和零运动检测也是类似的逻辑。需要注意的是，运动检测会有一个高通滤波器，用来滤除重力造成的稳定数据偏置，即滤除加速度计静置时那1gd的重力加速度，不需要时可不理会。

10、MPU6050的I2C读写操作

11、MPU6050的I寄存器

寄存器上电后默认为0x00，除了ID号寄存器（0x68）和电源管理寄存器1（0x40，即上电后默认为睡眠模式，所以操作时要注意解除睡眠，否则操作其他寄存器无效）。

（1）采样频率寄存器

8位为一个整体作为分频值，可以配置采样频率的分频系数。分频越小，内部的AD转换越快，数据寄存器刷新就越快，反之越慢。以陀螺仪时钟源为例，

采样频率（数据刷新率）=陀螺仪输出时钟频率/（1+分频值），注意，不使用低通滤波器时，陀螺仪时钟频率为8KHz，使用则频率为1KHz。

（2）配置寄存器

由外部同步设置和低通滤波器配置组成，外部同步一般不使用。

低通滤波器可以使输出数据变得平滑，配置滤波器参数越大，输出数据抖动越小。

设为0时，即不使用低通滤波器，陀螺仪时钟频率为8KHz；使用则频率为1KHz。设为7时，是保留位，一般不使用。

（3）陀螺仪寄存器

高3位：X、Y、Z轴的自测使能位；

  • 自测响应=自测使能时的数据-自测失能时的数据，上电后，先使能自测，读取数据，再失能自测，读取数据，自动进行求差。自测响应规定范围如下：

中间两位：满量程选择位；

（4）加速度计配置寄存器

高3位：X、Y、Z轴的自测使能位；

中间两位：满量程选择位；

低3位：配置高通滤波器。内置小功能如运动检测所用到的，对数据输出无影响。

读取数据的话直接读取数据寄存器即可，寄存器中的数据是一个16进制的有符号数，以二进制补码的方式存储。读出高8位和低8位，高位左移8次或上低位数据并存在一个int16_t的变量里，便可得到数据。温度传感器数据和陀螺仪传感器数据同理。

（5）电源管理寄存器1

Bit7：设备复位，写1，则所有寄存器恢复到默认值；

Bit6：睡眠模式，写1，芯片随眠，不工作，进入低功耗模式，省电；

Bit5：循环模式，写1，设备进入低功耗模式，每过一段时间启动一次，唤醒的频率由电源管理寄存器2决定；

Bit3：温度传感器失能，写1，禁用内部温度传感器；

Bit2~0：选择系统时钟来源。

最好选择陀螺仪晶振，因为其更为精确

（6）电源管理寄存器2

Bit7/6：设置唤醒电源管理寄存器1的唤醒频率；

Bit5~0：可以分别控制6个轴进入待机模式，如果只需要部分数据，可以让其他轴待机，省电；

（7）ID号寄存器

该寄存器为只读寄存器，ID号不可修改，表示该芯片的I2C地址。

Bit7：为0；

Bit6~1：固定为110100；

Bit0：为0；

所以该寄存器的值为0x68；

需要注意的是，AD0引脚的值并不反映在这个寄存器上，所以虽然I2C的地址可以通过AD0引脚进行配置，但是ID号寄存器的最低位并不随AD0引脚的变化而变化，读出的ID号始终为0x68，当然ID号并不是非要与I2C地址一致；

11、DMP库移植

MPU6050是一款集成了陀螺仪和加速度计的6轴运动处理组件，能够提供丰富的运动数据。然而，要从这些原始数据中准确解算出姿态角（如滚转角、俯仰角、偏航角），需要进行复杂的数学运算和数据融合。而DMP（Digital Motion Processor）库是Invensense公司针对其产品推出的软件包，它内部实现了复杂的滤波和数据融合算法，能够直接输出四元数或欧拉角等姿态信息。这大大简化了外围微处理器的工作负担，使得开发者无需深入了解底层的数学运算和数据融合原理，即可快速获取准确的姿态信息。

MPU6050的DMP库原本是针对特定处理器（如MSP430）设计的，我们要直接将官方的DMP库移植到STM32还需要进行一系列的修改，这里就不讲了，因为网上已经有许多开源，参考：

MPU6050获取欧拉角—超详细DMP移植教程_mpu6050移植dmp详细步骤-CSDN博客

STM32平台下官方DMP库6.12超详细移植教程_mpu motion driver下载-CSDN博客

百度网盘

链接：https://pan.baidu.com/s/1bBqZZIv48LP_2kcbqCE4Dg?pwd=0obc 
提取码：0obc

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