一起玩轉樹莓派（18）——MPU6050陀螺儀加速度傳感器子產品應用
一. 引言
現在智能手機的功能已經非常強大，除了基礎的通信功能外，測位測速，空間角度等資料的測量也非常友善，這線上路導航，地圖，體感遊戲等應用中十分重要。不知你是否想過，智能裝置是如何擷取到其所在的空間狀态與加速度等資料的呢？MPU6050就是提供這類資料測量的一種傳感器子產品。
首先，通過樹莓派來讀取MPU6050傳感器子產品的資料并不複雜，MPU60X0是一款擴充性極強的數字運動處理器，我們本次實驗使用的是封裝好的功能子產品，如下圖所示：
MPU6050晶片本身有24個引腳，每邊有6個引腳，功能較多，引腳功能與定位如下圖所示：
關于MPU6050的進階用法，可以通過檢視晶片手冊擷取，本篇部落格我們着重與在樹莓派上對其進行應用。我們隻需要關注所使用的子產品的8個引腳即可。
二. 連線與準備工作
本次實驗我們使用的子產品有8個引腳，隻需要使用其中4個引腳即可實作功能。對于樹莓派I2C協定總線的應用，本系列部落格之前已經有非常多的實驗有過應用。首先連接配接傳感器子產品與樹莓派如下表：
| 傳感器子產品 | 樹莓派 |
|---|---|
| VCC | +5V |
| GND | |
| SCL | |
| SDA |
開始使用I2C總線前，莫忘了開啟樹莓派的I2C功能，對I2C總線用法如果不太了解，可以閱讀以下部落格：
https://my.oschina.net/u/2340880/blog/5142788連線完成後，在樹莓派的終端輸入如下指令可以檢視已經連接配接的I2C裝置：
sudo i2cdetect -y 1
如果連接配接無誤，終端輸出結果将如下圖所示：
可以看到，圖中顯示的68即為我們所連接配接的傳感器的位址。
下面，是時候了解下MPU6050傳感器該如何使用了，我們知道，通過I2C總線，我們可以友善的讀取裝置中某個寄存器的資料，也可以向裝置的某個寄存器寫入資料，是以，使用MPU6050傳感器的核心是了解其中寄存器的使用方法。我們将以使用到的幾個寄存器為例做介紹，完整的寄存器用法可以從晶片手冊上得到。
1. 電源管理寄存器
電源管理寄存器的位址為107，對應十六進制數0x6b，它是一個8位的寄存器，其中第4位為保留位不能使用，功能如下：
DECIVE_RESET: 這一位的作用是重置傳感器，将傳感器内部所有寄存器複位為初始狀态，複位完成後，這一位會清零。
SLEEP: 睡眠控制位，當此位為1時，傳感器将處于睡眠模式。需要注意，傳感器啟動時預設是睡眠模式，我們需要手動将其喚醒。
CYCLE:當裝置設定為非睡眠模式時，即SLEEP位不為1，此為如果設定為1，傳感器将處于循環模式，會按照寄存器108設定的速度進行資料循環采樣。
TEMP_DIS:是否禁用溫度傳感器，設定為1時，禁用溫度傳感器。
CLKSEL:3位無符号數值，用來指令時鐘源。
對于CLKSEL選項，其設定方式如下：
| CLKSEL值 | 意義 |
|---|---|
| 使用内部的8MHz的振蕩器 | |
| 1 | 使用陀螺儀X軸的頻率 |
| 2 | 使用陀螺儀Y軸的頻率 |
| 3 | |
| 4 | 使用外部的32.768kHz頻率 |
| 5 | 使用外部19.2MHz頻率 |
| 6 | 保留值 |
| 7 | 停止時鐘并使振蕩器保持複位狀态 |
2. 陀螺儀資料寄存器
陀螺儀資料寄存器的位址為67到72，共48個二進制位，如下：
這些寄存器都是隻讀的，不能寫入。
67和68寄存器存儲16位資料，為陀螺儀X軸的測量資料。其中68寄存器存儲低8位，67寄存器存儲高8位。
69和70寄存器存儲16位資料，為陀螺儀Y軸的測量資料。其中70寄存器存儲低8位，69寄存器存儲高8位。
71和72寄存器存儲16位資料，為陀螺儀Z軸的測量資料。其中72寄存器存儲低8位，71寄存器存儲高8位。
需要注意，從這些寄存器取出的資料都是原始資料，要得到真正的陀螺儀測量的旋轉角度，需要進行轉換，其轉換的機關與總量程有關，量程在寄存器27進行配置。
3. 陀螺儀配置寄存器
陀螺儀配置寄存器的位址為27，是一個可讀可寫的寄存器，如下：
XG\_ST，YG\_ST與ZG\_ST這3位用來設定陀螺儀執行自檢。FS\_SEL用來設定陀螺儀的量程範圍，低3位為保留位，無需使用。FS_SEL可設定的量程範圍如下：
| FS_SEL | 量程範圍 | 靈敏度參數 |
|---|---|---|
| ±250 °/s | 131 | |
| ±500 °/s | 65.5 | |
| ±1000 °/s | 32.8 | |
| ±2000 °/s | 16.4 |
對于不同的量程範圍，我們擷取到原始資料後，需要除以對應的靈敏度參數才能得到最終的陀螺儀資料。
4. 加速計資料寄存器
加速計資料寄存器的位址為59到64，共48個二進制位，如下：
其使用方法與陀螺儀資料寄存器類似，同樣需要在寄存器28來對加速計進行配置與設定量程，通過量程對應的靈敏度來計算得到真實的加速度值。
5. 加速計配置寄存器
陀螺儀配置寄存器的位址為28，是一個可讀可寫的寄存器，如下：
XA\_ST，YA\_ST，ZA\_ST都是自檢執行控制位，AFS\_SEL用來設定量程，其與靈敏度對應關系如下：
| AFS_SEL | ||
|---|---|---|
| ±2 | 16384 | |
| ±4g | 8192 | |
| ±8g | 4096 | |
| ±16g | 2048 |
6. 溫度資料寄存器
溫度資料寄存器的位址為65到66，共16個二進制位，如下：
對于測量到的溫度資料為有符号數，需要采用如下的計算公式得到真實的攝氏度資料：
攝氏溫度 = TEMP_OUT / 340 + 36.53
除此之外，還有許多功能傳感器，如采樣率配置等，有需要可以從晶片手冊查到。
三. 編寫代碼
完成了前面的基礎準備工作，編寫代碼擷取傳感器子產品的資料則非常容易，示例代碼如下：
#coding:utf-8
import smbus
import math
import time
# 電源控制寄存器位址
power_regist = 0x6b
# I2C子產品初始化
bus = smbus.SMBus(1)
# 外接I2C裝置的位址
address = 0x68
# 封裝一些讀取資料的功能函數
# 讀取一個字長度的資料(16位)
def readWord(adr):
high = bus.read_byte_data(address, adr)
low = bus.read_byte_data(address, adr+1)
val = (high << 8) + low
return val
# 将讀取到的資料轉換為原碼 (有符号數本身是采用補碼方式存儲的)
def readWordReal(adr):
val = readWord(adr)
x = 0xffff
# 首位為1 表示是負數
if (val >= 0x8000):
# 求原碼
return -((x - val)+1)
else:
return val
# 已知加速度求角度值
def dist(a, b):
return math.sqrt((a*a)+(b*b))
def getRotationX(x, y, z):
radians = math.atan2(y, dist(x,z))
return math.degrees(radians)
def getRotationY(x, y, z):
radians = math.atan2(x, dist(y,z))
return math.degrees(radians)
# 設定電源模式
bus.write_byte_data(address, power_regist, 0)
while True:
time.sleep(0.5)
print("螺旋儀資料-----------")
gyroX = readWordReal(0x43)
gyroY = readWordReal(0x45)
gyroZ = readWordReal(0x47)
print("X軸陀螺儀原始資料：", gyroX, "X軸每秒旋轉度數：", gyroX/131)
print("Y軸陀螺儀原始資料：", gyroY, "Y軸每秒旋轉度數：", gyroY/131)
print("Z軸陀螺儀原始資料：", gyroZ, "Z軸每秒旋轉度數：", gyroZ/131)
print("加速度資料----------")
accelX = readWordReal(0x3b)
accelY = readWordReal(0x3d)
accelZ = readWordReal(0x3f)
print("X軸加速度原始資料：", accelX, "X軸加速度：", accelX/16384)
print("Y軸加速度原始資料：", accelY, "Y軸加速度：", accelY/16384)
print("Z軸加速度原始資料：", accelZ, "Z軸加速度：", accelZ/16384)
print("攝氏溫度資料--------")
temp = readWordReal(0x41)
print("溫度原始資料：", temp, "攝氏度：", temp/340 + 36.53)
print("旋轉家角度資料-------")
print("X軸旋轉度數：", getRotationX(accelX/16384, accelY/16384, accelZ/16384))
print("Y軸旋轉度數：", getRotationX(accelX/16384, accelY/16384, accelZ/16384))
在樹莓派上運作上面代碼，效果如下圖所示：
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