文章目录
- I2C通信
- 使用I2C通信的硬件设备
- 硬件电路
- I2C时序基本单元
- 起始与终止
- 发送
- 接收
- 发送应答与接收应答
- I2C时序
- 指定地址写
- 当前地址读
- 指定地址读
- 连续读与写
- MPU6050简介
- MPU6050参数
- 硬件电路
- MPU6050框图
- 系统时钟
- MPU6050的中断源
- 寄存器映像
- 软件I2C读写MPU6050
- 电路设计
- 关键代码
I2C通信
- I2C总线(Inter IC BUS)是由Philips公司开发的一种通用数据总线
- 两根通信线:SCL(Serial Clock)、SDA(Serial Data)
- 同步【多一条时钟线,控制从机读写】,半双工【一根通信线】
- 带数据应答
- 支持总线挂载多设备(一主多从、多主多从)
- 控制原理和单片机cpu操作外设原理一样,单片机通过数据总线对寄存器进行读取和写入,而单片机需要通过协议来读写外部模块的寄存器,配置mpu6050的寄存器进而控制硬件电路。
- 异步通信对传输速率严格,且不能处理进入中断,必须完整发送一个字节,
非常依赖硬件外设的支持,必须USART电路才能使用
,同步时序比异步时序稳定性更加高,可以暂停传输(同时暂停时钟线) - 软件模拟I2C通信:通过软件手动翻转电平实现通信,对硬件的依赖程度低
使用I2C通信的硬件设备
硬件电路
-
所有I2C设备的SCL连在一起,SDA连在一起
-
主机对SCL线是完全控制,对SDA线不是,在从机发送数据和从机应答的时候,主机才会转交SDA控制器给从机,从机的SCL线只能被动读取。
-
为了防止总线没有协调好导致电源短路问题,I2C禁止所有设备输出强上拉高电平【不能是推挽输出,会输出高电平】,
采用外置弱上拉电阻+开漏输出的电路结构,可以同时兼具输入和输出功能
。输入的时候先输出1,再读取输入数据寄存器- 即设备的SCL和SDA均要配置成开漏输出模式【只有低电平和浮空两种状态】
- SCL和SDA各添加一个上拉电阻,阻值一般为4.7KΩ左右【
为了避免高电平造成的引脚浮空,加弱上拉电阻,类似于弹簧,配合开漏输出就是下拉的低电平或不拉的高电平
】 - CPU和外设内部的SCL和SDA设计如下图所示
- 有线与现象,一个从机是低电平,则SDA线就是低电平,只有所有设备输出高电平,SDA线才是高电平,利用这个特性可以实现多主机模式下的时钟同步和总线仲裁,这就是SCL也采用上拉电阻的原因。
I2C时序基本单元
总结:
在读写时,SCL低电平时,SDA写,SCL高电平时,SDA不变
在起始和结束时,SCL高电平,SDA变化
起始与终止
空闲状态,SCL和SDA由于外挂的上拉电阻拉高致高电平
起始和终止都是由主机产生的,从机始终不会去碰SCL和SDA线
-
起始条件:SCL高电平期间,SDA从高电平切换到低电平
-
终止条件:SCL高电平期间,SDA从低电平切换到高电平
发送
串口通信是低位先行,i2c是高位先行
- 发送一个字节:SCL低电平期间,主机将数据位依次放到SDA线上(高位先行),然后释放SCL,从机将在SCL高电平期间读取数据位,所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化,依次循环上述过程8次,即可发送一个字节【在发送时,SCL和SDA都由主机进行控制】
由于有时钟线的控制,主机可以进入中断,此时传输会暂停,时序不会发送变化
接收
- 接收一个字节:SCL低电平期间,从机将数据位依次放到SDA线上(高位先行),然后释放SCL,主机将在SCL高电平期间读取数据位,所以SCL高电平期间SDA不允许有数据变化,依次循环上述过程8次,即可接收一个字节(主机在接收之前,需要释放SDA)此时从机获得SDA控制权,释放SDA就是主机切换成输入模式,“释放”可以理解为主机原本就是输入模式,在下拉为低电平时是输出模式
发送应答与接收应答
发送应答和接收应答就是发送数据的一位和接收数据的一位
-
发送应答:主机在接收完一个字节之后,在下一个时钟发送一位数据,数据0表示应答,数据1表示非应答
- 发送应答逻辑:主机接收完一个字节数据后,主机会给从机发送一个发送应答,决定是否继续接收,不继续接收就会收回对SDA的控制权
-
接收应答:主机在发送完一个字节之后,在下一个时钟接收一位数据,判断从机是否应答,数据0表示应答,数据1表示非应答(主机在接收之前,需要释放SDA)
- 接收应答逻辑:主机发送完一个字节数据后,发送一个接收应答,释放SDA控制权,若有从机拿到控制权并拉低电平,表示某个从机接收完毕。
I2C时序
从机设备地址分为7位和10位,一般相同型号的芯片地址是一样的
当相同型号的芯片挂载在同一总线上时,可以通过最后几位区分,例如mpu6050的最后一位可以由AD0引脚控制,接低电平时地址是1101000,接高电平时地址是1101001
指定地址写
对于指定设备(Slave Address),在指定地址(Reg Address)下,写入指定数据(Data)
- 起始后,第一个字节内容必须是从机地址+读写位(0写1读)
- 接收应答:由于主机释放SDA之后立即就被从机拉低表示接收到该字节,根据线与的特性,此处就没有拉高的波形出现
- 在写操作时,第二个字节可以是指令控制字(如AD转换器)或寄存器地址(如MPU6050)
当前地址读
对于指定设备(Slave Address),在当前地址指针指示的地址下,读取从机数据(Data)
- 由于读写标志位为1时,主机还来不及发送要读寄存器的地址
- 从机哪个寄存器的数据呢?取决于之前写入的地址+1,该时序不常用
指定地址读
指定地址写+当前地址读(第三个字节不写入内容就直接开始读)
对于指定设备(Slave Address),在指定地址(Reg Address)下,读取从机数据(Data)
- sr表示重复起始条件,在后面可以加停止时序,地址指针不会消失
连续读与写
- 可以连续写入多个字节或读取多个字节,只需要在最后的时序写入多个字节,因为地址指针会在读写后自动加一,所以可以连续操作。读取时,还打算继续读就需要给应答,在结束的字节后给非应答,从机交出SDA控制权,也就是说从机的控制权从读写操作位1到发送应答位为1
- 连续地址写
- 连续地址读
MPU6050简介
- MPU6050是一个6轴姿态传感器,可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角速度参数,
通过数据融合,可进一步得到姿态角(欧拉角)
,常应用于平衡车、飞行器等需要检测自身姿态的场景 - 3轴加速度计(Accelerometer):测量X、Y、Z轴的加速度
- 3轴陀螺仪传感器(Gyroscope):测量X、Y、Z轴的角速度
- 9轴是多了3轴磁场强度,10轴是多了气压强度
- 常见的数据融合算法有卡尔曼滤波,互补滤波
加速度计(可以看做测力计,根据牛顿第二定律F=ma可以计算加速度),加速度计具有静态稳定性,不具有动态稳定性
MPU6050的陀螺仪测量的是角速度,角速度积分就可以得到角度,具有动态稳定性,不具有静态稳定性
MPU6050参数
-
16位ADC采集传感器的
模拟信号,量化
范围:-32768~32767 -
加速度计满量程选择:±2、±4、±8、±16(g)【量化范围对应加速度计的量程范围,变化大则选大量程,测量范围越广,变化小则选小量程,精度更高】
-
陀螺仪满量程选择: ±250、±500、±1000、±2000(°/sec)
-
可配置的数字低通滤波器(平缓信号抖动)
-
可配置的时钟源
-
可配置的采样分频
-
I2C从机地址:
- 1101000(AD0=0)
- 关于从机地址的十六进制,有两种表示方法
- 将二进制转十六进制是0x68当做从机地址,在I2C通信时需要左移一位,按位或上读写位,读1写0
- 将左移1位的数0xD0作为从机地址,此时在I2C通信时0xD0是写地址,0xD1是读地址
- 关于从机地址的十六进制,有两种表示方法
- 1101001(AD0=1)
- 1101000(AD0=0)
硬件电路
- SCL和SDA在硬件电路中已经接上拉电阻
- XCL和XDA是为了扩展芯片功能,通常是用于外接磁力计(偏航角)和气压计(高度),MPU6050的主机接口可以直接访问扩展芯片的数据,在芯片内部的DMP单元进行数据融合和姿态解算
- INT引脚可以设置电平跳变,用于输出芯片内部的中断事件
- 引脚功能图
MPU6050框图
- 灰色部分为传感器,本质上是可变电阻,通过串联分压后输出模拟电压,经过ADC转换后输出数据保存在寄存器中,不存在数据覆盖,每个传感器都有2个字节的寄存器,整个过程是硬件自动化完成
- 每个传感器都有自测单元self test,通过比较使能和失能后该寄存器的数据差是否在合理范围,进而判断传感器是否有问题
- Charge Pump电荷泵,用于升压,电源与电容并联时充电,串联时放电,放电时电压就是放大2倍,由于电容的电压会放完,所以不断的充电放电就能升压,在MPU6050中陀螺仪需要高电压支持所以设计该升压电路
- DMP:数字运动处理器是芯片内部自带的姿态解算的硬件算法
- 通信接口部分,上半部分显示MPU6050作为从机时,可以采用SPI通信,此时引脚的功能发送改变,也可以采用I2C通信。下半部分显示MPU6050作为主机时通过I2C协议与从机进行通信。Bypass Mux为开关,用于控制两路I2C是否为同一个通路,如果为同一个通路,则stm32既可以控制MPU6050又可以控制MPU6050的从设备。
系统时钟
- 可以使用内部晶振
- 内部陀螺仪的晶振
- 外部时钟
MPU6050的中断源
- 分别是自由落体,运动,零运动等
- 会通过INT引脚输出电平跳变,若该引脚接入stm32可以通过外部中断来接受这个中断信号,通过CPU进行处理
寄存器映像
- DMPLRT:采样频率分频器
- 分频越小,内部AD转换越快,数据寄存器刷新越快
- CONFIG:配置寄存器
- 主要配置低通滤波,配置参数越大,输出数据抖动越小
- GYRO:陀螺仪配置寄存器
- 配置自测和满量程
- ACCEL:加速度计配置寄存器
- 配置自测、满量程、高通滤波(运动检查)
- ACCEL:加速度计数据寄存器,分为高八位和低八位
- TEMP:温度寄存器,分为高八位和低八位
- GYRO:陀螺仪数据寄存器,分为高八位和低八位
十六位的有符号数以二进制补码的形式存储,读出高八位左移八位,或上低八位
- PWR:电源管理寄存器1和2
- 电源管理寄存器1:设备复位、睡眠模式(上电时默认是睡眠模式,需要关闭)、循环模式、温度传感器使能与失能、选择系统时钟来源
- 电源管理寄存器1:后六位可以控制六个轴进入待机模式
- WHO:器件ID号
- 中间六位是ID号,最高位是0,上电默认是0x68
软件I2C读写MPU6050
电路设计
关键代码
MyI2C.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
/*
封装三个函数操作相应的IO口便于移植
MyI2C_W_SCL
MyI2C_W_SDA
MyI2C_R_SDA
*/
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{
GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);
Delay_us(10);
}
void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{
GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);
Delay_us(10);
}
uint8_t MyI2C_R_SDA(void)
{
uint8_t BitValue;
BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);
Delay_us(10);
return BitValue;
}
void MyI2C_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);
}
void MyI2C_Start(void)
{
MyI2C_W_SDA(1);//为了兼容sr重复起始条件,先释放sda后释放scl
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SDA(0);
MyI2C_W_SCL(0);
}
void MyI2C_Stop(void)
{
MyI2C_W_SDA(0);//为了确保释放sda是高电平,先拉低sda
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SDA(1);
}
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < 8; i ++)
{
MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));//高位先行,按位与取出相应位数,右移得到相应的位
MyI2C_W_SCL(1);//高位读取sda数据
MyI2C_W_SCL(0);
}
}
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
uint8_t i, Byte = 0x00;//定义一个字节的数据
MyI2C_W_SDA(1);//主机释放sda
for (i = 0; i < 8; i ++)
{
MyI2C_W_SCL(1);//scl高电平时放入数据
if (MyI2C_R_SDA() == 1){
Byte |= (0x80 >> i);//输出寄存器为1则在该字节的相应位置写入1
}
MyI2C_W_SCL(0);
}
return Byte;
}
//发送用应答
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
MyI2C_W_SDA(AckBit);
MyI2C_W_SCL(1);
MyI2C_W_SCL(0);
}
//接收应答
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
uint8_t AckBit;
MyI2C_W_SDA(1);//释放sda,而不是输出1
MyI2C_W_SCL(1);
AckBit = MyI2C_R_SDA();//读到0则表示从机应答
MyI2C_W_SCL(0);
return AckBit;
}
MyI2C.h
#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_H
void MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);
#endif
MPU6050.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050_Reg.h"
#define MPU6050_ADDRESS 0xD0
//指定地址写
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
MyI2C_Start();
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);
MyI2C_ReceiveAck();
MyI2C_SendByte(RegAddress);
MyI2C_ReceiveAck();
MyI2C_SendByte(Data);
MyI2C_ReceiveAck();
MyI2C_Stop();
}
//指定地址读
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
uint8_t Data;
MyI2C_Start();
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);
MyI2C_ReceiveAck();
MyI2C_SendByte(RegAddress);
MyI2C_ReceiveAck();
//重复起始条件
MyI2C_Start();
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01);//指定地址写,修改最低位为1
MyI2C_ReceiveAck();
Data = MyI2C_ReceiveByte();
MyI2C_SendAck(1);//主机收回控制权
MyI2C_Stop();
return Data;
}
//指定地址写之前需要取消睡眠模式
void MPU6050_Init(void)
{
MyI2C_Init();
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);//最后三位选择时钟,0x01选择陀螺仪x轴的时钟
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);//不需要待机
MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);//10分频
MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);//后三位给110,低通滤波器
MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);//中间2位是满量程,给11是最大量程
MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);//中间2位是满量程,给11是最大量程
}
uint8_t MPU6050_GetID(void)
{
return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);//指定地址读
}
//获取数据寄存器函数,参数为指针,指向各个数据寄存器的地址
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
uint8_t DataH, DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);
*AccX = (DataH << 8) | DataL;//该变量为16位,有指针指向该地址
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);
*AccY = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);
*AccZ = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);
*GyroX = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);
*GyroY = (DataH << 8) | DataL;
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);
*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;
}
/*
多返回值设计:
1. 在该文件中定义全局变量,extern暴露出去,在main文件中使用
2. 用指针
3. 使用结构体打包
*/
MPU6050.h
#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);
void MPU6050_Init(void);
uint8_t MPU6050_GetID(void);
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);
#endif
MPU6050_Reg.h
使用宏定义,将寄存器地址用一个字符串表示
#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H
#define MPU6050_SMPLRT_DIV 0x19
#define MPU6050_CONFIG 0x1A
#define MPU6050_GYRO_CONFIG 0x1B
#define MPU6050_ACCEL_CONFIG 0x1C
#define MPU6050_ACCEL_XOUT_H 0x3B
#define MPU6050_ACCEL_XOUT_L 0x3C
#define MPU6050_ACCEL_YOUT_H 0x3D
#define MPU6050_ACCEL_YOUT_L 0x3E
#define MPU6050_ACCEL_ZOUT_H 0x3F
#define MPU6050_ACCEL_ZOUT_L 0x40
#define MPU6050_TEMP_OUT_H 0x41
#define MPU6050_TEMP_OUT_L 0x42
#define MPU6050_GYRO_XOUT_H 0x43
#define MPU6050_GYRO_XOUT_L 0x44
#define MPU6050_GYRO_YOUT_H 0x45
#define MPU6050_GYRO_YOUT_L 0x46
#define MPU6050_GYRO_ZOUT_H 0x47
#define MPU6050_GYRO_ZOUT_L 0x48
#define MPU6050_PWR_MGMT_1 0x6B
#define MPU6050_PWR_MGMT_2 0x6C
#define MPU6050_WHO_AM_I 0x75
#endif
main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"
uint8_t ID;
int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;
int main(void)
{
OLED_Init();
MPU6050_Init();
OLED_ShowString(1, 1, "ID:");
ID = MPU6050_GetID();
OLED_ShowHexNum(1, 4, ID, 2);
while (1)
{
MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);//参数指针,指向各个寄存器地址
OLED_ShowSignedNum(2, 1, AX, 5);
OLED_ShowSignedNum(3, 1, AY, 5);
OLED_ShowSignedNum(4, 1, AZ, 5);
OLED_ShowSignedNum(2, 8, GX, 5);
OLED_ShowSignedNum(3, 8, GY, 5);
OLED_ShowSignedNum(4, 8, GZ, 5);
}
}
参考视频:江科大自化协