寫在最前面，這篇部落格寫到的姿态解算是由DMP硬體完成的，介紹了底層驅動，重點例舉了MPU6050的初始化函數，加速度計，陀螺儀原始資料的讀取函數，設定傳感器的量程範圍，采樣頻率函數。下一篇部落格，我會不采用DMP，直接用單片機實作姿态解算。
如上圖所示，SCL 和 SDA 是連接配接 MCU 的 IIC 接口，MCU 通過這個 IIC 接口來控制 MPU6050，另外還有一個 IIC 接口：AUX_CL 和 AUX_DA，這個接口可用來連接配接外部從裝置，比如磁傳感器，這樣就可以組成一個九軸傳感器。VLOGIC 是 IO 口電壓，該引腳最低可以到 1.8V，我們一般直接接 VDD 即可。AD0 是從 IIC 接口（接 MCU）的位址控制引腳，該引腳控制IIC 位址的最低位。如果接 GND，則 MPU6050 的 IIC 位址是：0X68，如果接 VDD，則是0X69，注意：這裡的位址是不包含資料傳輸的最低位的（最低位用來表示讀寫）！！接下來，我們介紹一下利用 STM32F1 讀取 MPU6050 的加速度和角度傳感器資料（非中斷方式），需要哪些初始化步驟：
1 ）初始化 IIC 接口
MPU6050 采用 IIC 與 STM32F1 通信，是以我們需要先初始化與 MPU6050 連接配接的 SDA和 SCL 資料線。
2 ）複位 MPU6050
這一步讓 MPU6050 内部所有寄存器恢複預設值，通過對電源管理寄存器 1（0X6B）的bit7 寫 1 實作。 複位後，電源管理寄存器 1 恢複預設值(0X40)，然後必須設定該寄存器為0X00，以喚醒 MPU6050，進入正常工作狀态。
3 ）設定角速度傳感器（陀螺儀）和加速度傳感器的滿量程範圍
這一步，我們設定兩個傳感器的滿量程範圍(FSR)，分别通過陀螺儀配置寄存器（0X1B）和加速度傳感器配置寄存器（0X1C）設定。我們一般設定陀螺儀的滿量程範圍為±2000dps，加速度傳感器的滿量程範圍為±2g。
4 ）設定其他參數
這裡，我們還需要配置的參數有：關閉中斷、關閉 AUX IIC 接口、禁止 FIFO、設定陀螺儀采樣率和設定數字低通濾波器（DLPF）等。本章我們不用中斷方式讀取資料，是以關閉中斷，然後也沒用到 AUX IIC 接口外接其他傳感器，是以也關閉這個接口。分别通過中斷使能寄存器（0X38）和使用者控制寄存器（0X6A）控制。MPU6050 可以使用 FIFO 存儲傳感器資料，不過本章我們沒有用到，是以關閉所有 FIFO 通道，這個通過 FIFO 使能寄存器（0X23）控制，預設都是 0（即禁止 FIFO），是以用預設值就可以了。陀螺儀采樣率通過采樣率分頻寄存器（0X19）控制，這個采樣率我們一般設定為 50 即可。數字低通濾波器(DLPF)則通過配置寄存器（0X1A）設定，一般設定 DLPF 為帶寬的 1/2 即可。
5 ）配置系統時鐘源并使能角速度傳感器和加速度傳感器
系統時鐘源同樣是通過電源管理寄存器 1（0X1B）來設定，該寄存器的最低三位用于設定系統時鐘源選擇，預設值是 0（内部 8M RC 震蕩），不過我們一般設定為 1，選擇 x 軸陀螺 PLL 作為時鐘源，以獲得更高精度的時鐘。同時，使能角速度傳感器和加速度傳感器，這兩個操作通過電源管理寄存器 2（0X6C）來設定，設定對應位為 0 即可開啟。
至此，MPU6050 的初始化就完成了，可以正常工作了（其他未設定的寄存器全部采用預設值即可），接下來，我們就可以讀取相關寄存器，得到加速度傳感器、角速度傳感器和溫度傳感器的資料了。
代碼如下：
//初始化MPU6050
#include "mpu6050.h"
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
//初始化MPU6050
//傳回值:0,成功
// 其他,錯誤代碼
u8 MPU_Init(void)
{
u8 res;
MPU_IIC_Init();//初始化IIC總線
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80); //複位MPU6050
delay_ms(100);
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00); //喚醒MPU6050
MPU_Set_Gyro_Fsr(3); //陀螺儀傳感器,±2000dps
MPU_Set_Accel_Fsr(0); //加速度傳感器,±2g
MPU_Set_Rate(50); //設定采樣率50Hz
MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00); //關閉所有中斷
MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00); //I2C主模式關閉
MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00); //關閉FIFO
MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80); //INT引腳低電平有效
res=MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);
if(res==MPU_ADDR)//器件ID正确
{
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01); //設定CLKSEL,PLL X軸為參考
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00); //加速度與陀螺儀都工作
MPU_Set_Rate(50); //設定采樣率為50Hz
}else return 1;
return 0;
}
//設定MPU6050陀螺儀傳感器滿量程範圍
//fsr:0,±250dps;1,±500dps;2,±1000dps;3,±2000dps
//傳回值:0,設定成功
// 其他,設定失敗
u8 MPU_Set_Gyro_Fsr(u8 fsr)
{
return MPU_Write_Byte(MPU_GYRO_CFG_REG,fsr<<3);//設定陀螺儀滿量程範圍
}
//設定MPU6050加速度傳感器滿量程範圍
//fsr:0,±2g;1,±4g;2,±8g;3,±16g
//傳回值:0,設定成功
// 其他,設定失敗
u8 MPU_Set_Accel_Fsr(u8 fsr)
{
return MPU_Write_Byte(MPU_ACCEL_CFG_REG,fsr<<3);//設定加速度傳感器滿量程範圍
}
//設定MPU6050的數字低通濾波器
//lpf:數字低通濾波頻率(Hz)
//傳回值:0,設定成功
// 其他,設定失敗
u8 MPU_Set_LPF(u16 lpf)
{
u8 data=0;
if(lpf>=188)data=1;
else if(lpf>=98)data=2;
else if(lpf>=42)data=3;
else if(lpf>=20)data=4;
else if(lpf>=10)data=5;
else data=6;
return MPU_Write_Byte(MPU_CFG_REG,data);//設定數字低通濾波器
}
//設定MPU6050的采樣率(假定Fs=1KHz)
//rate:4~1000(Hz)
//傳回值:0,設定成功
// 其他,設定失敗
u8 MPU_Set_Rate(u16 rate)//設定MPU6050的采樣率(假定Fs=1KHz)
{
u8 data;
if(rate>1000)rate=1000;
if(rate<4)rate=4;
data=1000/rate-1;
data=MPU_Write_Byte(MPU_SAMPLE_RATE_REG,data); //設定數字低通濾波器
return MPU_Set_LPF(rate/2); //自動設定LPF為采樣率的一半
}
//得到陀螺儀值(原始值)
//gx,gy,gz:陀螺儀x,y,z軸的原始讀數(帶符号)
//傳回值:0,成功
// 其他,錯誤代碼
u8 MPU_Get_Gyroscope(short *gx,short *gy,short *gz)/得到陀螺儀值(原始值)
{
u8 buf[6],res;
res=MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_GYRO_XOUTH_REG,6,buf);
if(res==0)
{
*gx=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];
*gy=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];
*gz=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];
}
return res;;
}
//得到加速度值(原始值)
//gx,gy,gz:陀螺儀x,y,z軸的原始讀數(帶符号)
//傳回值:0,成功
// 其他,錯誤代碼
u8 MPU_Get_Accelerometer(short *ax,short *ay,short *az)//得到加速度值(原始值)
{
u8 buf[6],res;
res=MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_ACCEL_XOUTH_REG,6,buf);
if(res==0)
{
*ax=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];
*ay=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];
*az=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];
}
return res;;
}
//IIC連續寫
//addr:器件位址
//reg:寄存器位址
//len:寫入長度
//buf:資料區
//傳回值:0,正常
// 其他,錯誤代碼
u8 MPU_Write_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)
{
u8 i;
MPU_IIC_Start();
MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//發送器件位址+寫指令
if(MPU_IIC_Wait_Ack()) //等待應答
{
MPU_IIC_Stop();
return 1;
}
MPU_IIC_Send_Byte(reg); //寫寄存器位址
MPU_IIC_Wait_Ack(); //等待應答
for(i=0;i<len;i++)
{
MPU_IIC_Send_Byte(buf[i]); //發送資料
if(MPU_IIC_Wait_Ack()) //等待ACK
{
MPU_IIC_Stop();
return 1;
}
}
MPU_IIC_Stop();
return 0;
}
u8 MPU_Read_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)/IIC連續讀
u8 MPU_Write_Byte(u8 reg,u8 data) //IIC寫一個位元組
u8 MPU_Read_Byte(u8 reg)//IIC讀一個位元組
得到原始資料後，我們需要對原始資料進行處理，得到我們所需要的物體所處姿态，即姿态解算，由于MPU6050 内部整合了數字運動處理器（DMP: Digital Motion Processor）硬體加速引擎，通過主 IIC 接口，向應用端輸出完整的 9 軸融合演算資料。有了 DMP，我們可以使用 InvenSense 公司提供的運動處理資料庫，非常友善的實作姿态解算，降低了運動處理運算對作業系統的負荷，同時大大降低了開發難度。
接下來是硬體mpu6050dmp的初始化代碼實作：
//mpu6050dmp的初始化函數。
//傳回值:0,正常
// 其他,失敗
u8 mpu_dmp_init(void)
{
u8 res=0;
MPU_IIC_Init(); //初始化IIC總線
if(mpu_init()==0) //初始化MPU6050
{
res=mpu_set_sensors(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL);//設定所需要的傳感器
if(res)return 1;
res=mpu_configure_fifo(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL);//設定FIFO
if(res)return 2;
res=mpu_set_sample_rate(DEFAULT_MPU_HZ); //設定采樣率
if(res)return 3;
res=dmp_load_motion_driver_firmware(); //加載dmp固件
if(res)return 4;
res=dmp_set_orientation(inv_orientation_matrix_to_scalar(gyro_orientation));//設定陀螺儀方向
if(res)return 5;
res=dmp_enable_feature(DMP_FEATURE_6X_LP_QUAT|DMP_FEATURE_TAP| //設定dmp功能
DMP_FEATURE_ANDROID_ORIENT|DMP_FEATURE_SEND_RAW_ACCEL|DMP_FEATURE_SEND_CAL_GYRO|
DMP_FEATURE_GYRO_CAL);
if(res)return 6;
res=dmp_set_fifo_rate(DEFAULT_MPU_HZ); //設定DMP輸出速率(最大不超過200Hz)
if(res)return 7;
res=run_self_test(); //自檢
if(res)return 8;
res=mpu_set_dmp_state(1); //使能DMP
if(res)return 9;
}else return 10;
return 0;
}
此函數首先通過 IIC_Init(需外部提供)初始化與 MPU6050 連接配接的 IIC 接口，然後調用
mpu_init 函數，初始化 MPU6050，之後就是設定 DMP 所用傳感器、FIFO、采樣率和加載
固件等一系列操作，在所有操作都正常之後，最後通過 mpu_set_dmp_state(1)使能 DMP 功
能，在使能成功以後，我們便可以通過 mpu_dmp_get_data 來讀取姿态解算後的資料了。
使用 MPU6050 的 DMP 輸出的四元數是 q30 格式的，也就是浮點數放大了 2 的 30 次方
倍。在換算成歐拉角之前，必須先将其轉換為浮點數，也就是除以 2 的 30 次方，然後再進
行計算，計算公式為：
q0=quat[0] / q30; //q30 格式轉換為浮點數
q1=quat[1] / q30;
q2=quat[2] / q30;
q3=quat[3] / q30;
//計算得到俯仰角/橫滾角/航向角pitch=asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3; //俯仰角
roll=atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3; //橫滾角
yaw=atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * 57.3; //航向角
quat[0]~ quat[3]是 MPU6050 的 DMP 解算後的四元數，q30 格式，是以要除以一個
2 的 30 次方，其中 q30 是一個常量：1073741824，即 2 的 30 次方，然後帶入公式，計算出
歐拉角。
代碼如下：得到dmp處理後的資料
//pitch:俯仰角 精度:0.1° 範圍:-90.0° <---> +90.0°
//roll:橫滾角 精度:0.1° 範圍:-180.0°<---> +180.0°
//yaw:航向角 精度:0.1° 範圍:-180.0°<---> +180.0°
//傳回值:0,正常
// 其他,失敗
u8 mpu_dmp_get_data(float *pitch,float *roll,float *yaw)
{
float q0=1.0f,q1=0.0f,q2=0.0f,q3=0.0f;
unsigned long sensor_timestamp;
short gyro[3], accel[3], sensors;
unsigned char more;
long quat[4];
if(dmp_read_fifo(gyro, accel, quat, &sensor_timestamp, &sensors,&more))return 1;
if (sensors & INV_XYZ_GYRO )
send_packet(PACKET_TYPE_GYRO, gyro);
if (sensors & INV_XYZ_ACCEL)
send_packet(PACKET_TYPE_ACCEL, accel);
if(sensors&INV_WXYZ_QUAT)
{
q0 = quat[0] / q30; //q30格式轉換為浮點數
q1 = quat[1] / q30;
q2 = quat[2] / q30;
q3 = quat[3] / q30;
//計算得到俯仰角/橫滾角/航向角
*pitch = asin(-2 * q1 * q3 + 2 * q0* q2)* 57.3; // pitch
*roll = atan2(2 * q2 * q3 + 2 * q0 * q1, -2 * q1 * q1 - 2 * q2* q2 + 1)* 57.3; // roll
*yaw = atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * 57.3; //yaw
}else return 2;
return 0;
}
此函數用于得到 DMP 姿态解算後的俯仰角、橫滾角和航向角。這裡就用到了我們前面
介紹的四元數轉歐拉角公式，将 dmp_read_fifo 函數讀到的 q30 格式四元數轉換成歐拉角。
主函數：
int main(void)
{
u8 t=0,report=1; //預設開啟上報
u8 key;
float pitch,roll,yaw; //歐拉角
short aacx,aacy,aacz; //加速度傳感器原始資料
short gyrox,gyroy,gyroz; //陀螺儀原始資料
short temp; //溫度
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
delay_init(); //延時函數初始化
uart_init(500000); //序列槽初始化為500 000
usmart_dev.init(72); //初始化USMART
LED_Init(); //初始化與LED連接配接的硬體接口
KEY_Init(); //初始化按鍵
LCD_Init(); //初始化LCD
MPU_Init(); //初始化MPU6050
POINT_COLOR=RED; //設定字型為紅色
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"MPU6050 TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"chenhaojiezhishiyan");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2018/4/18");
while(mpu_dmp_init())
{
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"MPU6050 Error");
delay_ms(200);
LCD_Fill(30,130,239,130+16,WHITE);
delay_ms(200);
}
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"MPU6050 OK");
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"KEY0:UPLOAD ON/OFF");
POINT_COLOR=BLUE;//設定字型為藍色
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"UPLOAD ON ");
LCD_ShowString(30,200,200,16,16," Temp: . C");
LCD_ShowString(30,220,200,16,16,"Pitch: . C");
LCD_ShowString(30,240,200,16,16," Roll: . C");
LCD_ShowString(30,260,200,16,16," Yaw : . C");
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==KEY0_PRES)
{
report=!report;
if(report)LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"UPLOAD ON ");
else LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"UPLOAD OFF");
}
if(mpu_dmp_get_data(&pitch,&roll,&yaw)==0)
{
temp=MPU_Get_Temperature(); //得到溫度值
MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz); //得到加速度傳感器原始資料
MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz); //得到陀螺儀資料
if(report)mpu6050_send_data(aacx,aacy,aacz,gyrox,gyroy,gyroz);//用自定義幀發送加速度和陀螺儀原始資料
if(report)usart1_report_imu(aacx,aacy,aacz,gyrox,gyroy,gyroz,(int)(roll*100),(int)(pitch*100),(int)(yaw*10));
if((t%10)==0)
{
if(temp<0)
{
LCD_ShowChar(30+48,200,'-',16,0); //顯示負号
temp=-temp; //轉為正數
}else LCD_ShowChar(30+48,200,' ',16,0); //去掉負号
LCD_ShowNum(30+48+8,200,temp/100,3,16); //顯示整數部分
LCD_ShowNum(30+48+40,200,temp%10,1,16); //顯示小數部分
temp=pitch*10;
if(temp<0)
{
LCD_ShowChar(30+48,220,'-',16,0); //顯示負号
temp=-temp; //轉為正數
}else LCD_ShowChar(30+48,220,' ',16,0); //去掉負号
LCD_ShowNum(30+48+8,220,temp/10,3,16); //顯示整數部分
LCD_ShowNum(30+48+40,220,temp%10,1,16); //顯示小數部分
temp=roll*10;
if(temp<0)
{
LCD_ShowChar(30+48,240,'-',16,0); //顯示負号
temp=-temp; //轉為正數
}else LCD_ShowChar(30+48,240,' ',16,0); //去掉負号
LCD_ShowNum(30+48+8,240,temp/10,3,16); //顯示整數部分
LCD_ShowNum(30+48+40,240,temp%10,1,16); //顯示小數部分
temp=yaw*10;
if(temp<0)
{
LCD_ShowChar(30+48,260,'-',16,0); //顯示負号
temp=-temp; //轉為正數
}else LCD_ShowChar(30+48,260,' ',16,0); //去掉負号
LCD_ShowNum(30+48+8,260,temp/10,3,16); //顯示整數部分
LCD_ShowNum(30+48+40,260,temp%10,1,16); //顯示小數部分
t=0;
LED0=!LED0;//LED閃爍
}
}
t++;
}
}
最終結果，如下所示：
