【四轴】基于IIC通信读写MPU6050寄存器

news2024/12/23 13:49:21

1. 基本原理

在这篇【四轴】软件IIC通信的实现 – Duki's Blog博客中，我介绍了软件IIC的实现方式。而MPU6050，正是一种通过IIC进行通信的传感器外设。

1.1 什么是MPU6050

MPU6050 是 InvenSense 公司推出的一款6 轴惯性传感器模块，广泛应用于姿态检测、运动追踪、导航等领域。它集成了3 轴陀螺仪和3 轴加速度计。

简单来说，MPU6050是一个外设，要想操作这个外设，我们可以使用IIC通信协议。

1.2 如何与MPU6050通信

在之前的博客中，我们介绍实现了软件模拟IIC，其中包含两个重要的应用层函数：读取寄存器数据和写入寄存器数据。通过查阅MPU6050的相关手册，是可以得到该设备的地址以及里面各个寄存器的地址的，因此，我们便可以轻松的读写MPU6050的寄存器。

2. 实现代码

2.1 源文件

#include "mpu6050.h"
#include "MyIIC.h" // 引入软件I2C库

/**
 * @brief 初始化MPU6050
 * @retval 0: 成功, 1: 失败
 */
uint8_t MPU6050_Init(void)
{
    I2C_Init(); // 初始化I2C
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x00) != 0) // 解除休眠模式
        return 1;
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x07) != 0) // 设置采样率
        return 1;
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06) != 0)     // 配置低通滤波器
        return 1;
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18) != 0) // 配置陀螺仪量程 ±2000°/s
        return 1;
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x01) != 0) // 配置加速度计量程 ±4g
        return 1;
    return 0;
}

/**
 * @brief 向MPU6050寄存器写数据
 * @param reg 寄存器地址
 * @param data 写入的数据
 * @retval 0: 成功, 1: 失败
 */
uint8_t MPU6050_WriteReg(uint8_t reg, uint8_t data)
{
    return I2C_WriteReg(MPU6050_I2C_ADDR, reg, data);
}

/**
 * @brief 从MPU6050寄存器读取数据
 * @param reg 寄存器地址
 * @param data 读取到的数据
 * @retval 0: 成功, 1: 失败
 */
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t reg, uint8_t *data)
{
    return I2C_ReadReg(MPU6050_I2C_ADDR, reg, data);
}

/**
 * @brief 从MPU6050批量读取数据
 * @param reg 起始寄存器地址
 * @param buf 存储读取数据的缓冲区
 * @param len 读取数据的长度
 * @retval 0: 成功, 1: 失败
 */
uint8_t MPU6050_ReadData(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint16_t len)
{
    I2C_Start();
    I2C_SendByte((MPU6050_I2C_ADDR << 1) | 0); // 发送设备地址+写指令
    if (I2C_WaitAck() != 0)
    {
        I2C_Stop();
        return 1;
    }

    I2C_SendByte(reg); // 发送起始寄存器地址
    if (I2C_WaitAck() != 0)
    {
        I2C_Stop();
        return 1;
    }

    I2C_Start();
    I2C_SendByte((MPU6050_I2C_ADDR << 1) | 1); // 发送设备地址+读指令
    if (I2C_WaitAck() != 0)
    {
        I2C_Stop();
        return 1;
    }

    for (uint16_t i = 0; i < len; i++)
    {
        buf[i] = I2C_ReceiveByte();
        if (i == (len - 1))
            I2C_SendNotAck(); // 最后一个字节发送NACK
        else
            I2C_SendAck();
    }
    I2C_Stop();
    return 0;
}

/**
 * @brief 获取并处理加速度数据，将原始ADC值转换为工程单位(g)
 * @param ax 指向X轴加速度数据的指针（浮点型，单位g）
 * @param ay 指向Y轴加速度数据的指针（浮点型，单位g）
 * @param az 指向Z轴加速度数据的指针（浮点型，单位g）
 */
void MPU6050_GetAccelData(float *ax, float *ay, float *az)
{
    uint8_t buf[6];
    int16_t raw_ax, raw_ay, raw_az;

    // 读取6字节的原始加速度数据
    MPU6050_ReadData(MPU6050_ACCEL_XOUT_H, buf, 6);

    // 合并高低字节为int16_t类型的原始数据
    raw_ax = (int16_t)((buf[0] << 8) | buf[1]);
    raw_ay = (int16_t)((buf[2] << 8) | buf[3]);
    raw_az = (int16_t)((buf[4] << 8) | buf[5]);

    // 转换为浮点数并存储到输出变量
    *ax = (float)raw_ax * ACC_Range / ADC_16;
    *ay = (float)raw_ay * ACC_Range / ADC_16;
    *az = (float)raw_az * ACC_Range / ADC_16;
	
		// 使用高斯牛顿计算得到的校准参数
    *ax = (*ax - P3) * P0;  // X轴校准：减去零偏误差，乘以比例误差
    *ay = (*ay - P4) * P1;  // Y轴校准
    *az = (*az - P5) * P2;  // Z轴校准
}

/**
 * @brief 获取并处理陀螺仪数据，将原始ADC值转换为工程单位(°/s)
 * @param gx 指向X轴角速度数据的指针（浮点型，单位°/s）
 * @param gy 指向Y轴角速度数据的指针（浮点型，单位°/s）
 * @param gz 指向Z轴角速度数据的指针（浮点型，单位°/s）
 */
void MPU6050_GetGyroData(float *gx, float *gy, float *gz)
{
    uint8_t buf[6];
    int16_t raw_gx, raw_gy, raw_gz;

    // 读取6字节的原始陀螺仪数据
    MPU6050_ReadData(MPU6050_GYRO_XOUT_H, buf, 6);

    // 合并高低字节为int16_t类型的原始数据
    raw_gx = (int16_t)((buf[0] << 8) | buf[1]);
    raw_gy = (int16_t)((buf[2] << 8) | buf[3]);
    raw_gz = (int16_t)((buf[4] << 8) | buf[5]);

    // 转换为浮点数并存储到输出变量
    *gx = (float)raw_gx * GRO_Range / ADC_16 * DEG_TO_RAD;
    *gy = (float)raw_gy * GRO_Range / ADC_16 * DEG_TO_RAD;
    *gz = (float)raw_gz * GRO_Range / ADC_16 * DEG_TO_RAD;
	
	  // 消去零偏误差
		*gx = (*gx) - GX_OFFSET;
		*gy = (*gy) - GY_OFFSET;
		*gz = (*gz) - GZ_OFFSET;
}

void MPU6050_GetGyroAveData(float *gx, float *gy, float *gz) {
		float tmp_gx, tmp_gy, tmp_gz;
		for(int i = 0;i < CYCLE_COUNT;i++) {
			MPU6050_GetGyroData(&tmp_gx, &tmp_gy, &tmp_gz);
			*gx += tmp_gx;
			*gy += tmp_gy;
			*gz += tmp_gz;
		}
		
		*gx = (*gx) / CYCLE_COUNT;
		*gy = (*gy) / CYCLE_COUNT;
		*gz = (*gz) / CYCLE_COUNT;
}

2.2 头文件

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H

#include "main.h"
//倍率说明
#define DEG_TO_RAD (3.14159265358979323846 / 180.0)
#define ADC_16 65536
#define ACC_Range 4
#define GRO_Range 4000

//高斯牛顿迭代矫正参数
#define P0      1.001004
#define P1      1.006896
#define P2      0.987984
#define P3      0.038779
#define P4      -0.012867
#define P5      0.509085

//陀螺仪偏置矫正
#define GX_OFFSET -0.05
#define GY_OFFSET -0.01
#define GZ_OFFSET 0.03

//陀螺仪采样循环次数
#define CYCLE_COUNT 10


// MPU6050 I2C地址
#define MPU6050_I2C_ADDR      0x68  // 默认地址（7位地址），实际写操作时需要左移1位

// MPU6050 寄存器地址
#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

// MPU6050功能函数声明
uint8_t MPU6050_Init(void);                         // 初始化MPU6050
uint8_t MPU6050_WriteReg(uint8_t reg, uint8_t data); // 写寄存器
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t reg, uint8_t *data); // 读寄存器
uint8_t MPU6050_ReadData(uint8_t reg, uint8_t *buf, uint16_t len); // 批量读取数据
void MPU6050_GetAccelData(float *ax, float *ay, float *az);  // 读取加速度
void MPU6050_GetGyroData(float *gx, float *gy, float *gz);   // 读取陀螺仪
void MPU6050_GetGyroAveData(float *gx, float *gy, float *gz); //读取取均值的陀螺仪示数
void MPU6050_GetTemp(float *temp);                   // 读取温度

#endif

2.3 一些解释

2.3.1 MPU6050_Init

关于MPU6050的初始化，有很多文章可以参考：

stm32的陀螺仪芯片MPU6050的初始化寄存器配置 - 爱吃炸鸡的小猪 - 博客园

简单来说，需要配置的有以下几个核心寄存器：

1.MPU6050_PWR_MGMT_1：电源寄存器

2. MPU6050_SMPLRT_DIV：分频寄存器

3.MPU6050_CONFIG：低通滤波器配置

4.MPU6050_GYRO_CONFIG：陀螺仪配置

5.MPU6050_ACCEL_CONFIG：加速度计配置

 

uint8_t MPU6050_Init(void)
{
    I2C_Init(); // 初始化I2C
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x00) != 0) // 解除休眠模式
        return 1;
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x07) != 0) // 设置采样率
        return 1;
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06) != 0)     // 配置低通滤波器
        return 1;
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18) != 0) // 配置陀螺仪量程 ±2000°/s
        return 1;
    if (MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x01) != 0) // 配置加速度计量程 ±4g
        return 1;
    return 0;
}

对于我的初始化取值，解释如下：

  1. 电源寄存器取1，以x轴PLL做时钟源，更精准
  2. 采样分屏器取7，实际为8分频，所以陀螺仪的采样频率为1000 / 8 = 125hz，加速度计采样率为1000hz。
  3. 低通滤波器取6，选择的5hz频率，这里本想按说明那样设定为陀螺仪频率的一半，即该寄存器取3，但实际发现这样设定以后陀螺仪取值不够准确。
  4. 陀螺仪配置寄存器取0x18，量程取最大
  5. 加速度计配置寄存器取0x01，量程最小

2.3.2 读取值的处理

1.首先要知道，不论是加速度计和陀螺仪，其读出的原始值都是16位ADC读出的值，所以，需要根据其量程进行相应的转换。

// 转换为浮点数并存储到输出变量
    *ax = (float)raw_ax * ACC_Range / ADC_16;
    *ay = (float)raw_ay * ACC_Range / ADC_16;
    *az = (float)raw_az * ACC_Range / ADC_16;

// 转换为浮点数并存储到输出变量
    *gx = (float)raw_gx * GRO_Range / ADC_16 * DEG_TO_RAD;
    *gy = (float)raw_gy * GRO_Range / ADC_16 * DEG_TO_RAD;
    *gz = (float)raw_gz * GRO_Range / ADC_16 * DEG_TO_RAD;

2.对于陀螺仪数据，需要进行零偏误差矫正；对于加速度计，需要进行高斯牛顿迭代矫正。这样处理之后，观察到的效果是在正放状态下，加速度计只有z轴值为1，其余全为0；陀螺仪三个轴都为0。

如此之后的数据才可进一步拿去做姿态解算。当然，其实本阶段只要能读出和写入MPU6050寄存器数据即可，数据处理这一部分的内容不应放在这一部分讲，而是应放在第三阶段的姿态计算部分，详情可见下面这篇博客：

【四轴】MPU6050数据滤波处理记录 – Duki's Blog

参考链接

关于MPU6050学习的一些总结之一MPU6050芯片手册的整理_mpu6050中文数据手册-CSDN博客

stm32的陀螺仪芯片MPU6050的初始化寄存器配置 - 爱吃炸鸡的小猪 - 博客园

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