【自学嵌入式：stm32单片机】MPU6050

目录

• MPU6050
  • MPU6050简介
  • MPU6050参数
  • 硬件电路
  • MPU6050框图
    • 时钟和传感器
    • 传感器的自测单元
    • 电荷泵
    • 寄存器和通信接口
  • 常用寄存器
    • 采样频率分频器SMPRT_DIV
    • 配置寄存器CONFIG
    • 陀螺仪配置寄存器GYRO_CONFIG
    • 加速度计配置寄存器ACCEL_CONFIG
    • 加速度计数据寄存器
    • 温度传感器
    • 陀螺仪数据
    • 电源管理寄存器1
    • 电源管理寄存器2
    • ID号寄存器

MPU6050

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，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

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，重力加速度）

• 陀螺仪满量程选择： ±250、±500、±1000、±2000（°/sec，每秒旋转了多少度）

• 可配置的数字低通滤波器

• 可配置的时钟源

• 可配置的采样分频

• I2C从机地址：1101000（AD0=0），1101001（AD0=1）

硬件电路

引脚	功能
VCC、GND	电源
SCL、SDA	I2C通信引脚
XCL、XDA	主机I2C通信引脚
AD0	从机地址最低位
INT	中断信号输出

AD0引脚是从机地址的最低位

MPU6050框图

时钟和传感器

左上角是时钟系统，有时钟输入脚CLKIN和时钟输出脚CLKOUT，我们一般使用内部时钟，在刚才的硬件电路中，CLKIN直接接GND，CLKOUT没有引出，灰色的部分就是芯片内部的传感器，其中包括XYZ轴的加速度计，XYZ轴的陀螺仪，另外这个芯片还内置了一个温度传感器，这么多传感器，本质上相当于一个可变电阻，经过ADC模数转换，转换完成之后，这些传感器的数统一都放到数据寄存器中，我们读取数据寄存器就能得到传感器测量的值了，这个芯片内部的转换，都是全自动进行的，就类似我门之前学的AD连续转换+DMA转运，每个ADC输出，对应16位的数据寄存器，不存在数据覆盖的问题，我们配置好转换频率之后，每个数据就自动以我们设置的频率刷新到数据寄存器，我们需要数据的时候，直接来读就行了

传感器的自测单元

如上图，每个传感器都有自测单元，这部分是用来验证芯片好坏的，当启动自测后，芯片内部会模拟一个外力施加在传感器上，这个外力导致传感器数据会比平时大一些，如要自测，先使能自测，读出数据，再使能自测，读取数据，两个数据一相减，得到的数据叫自测相应，这个自测响应在芯片手册中给了一个范围，如果一个自测响应在这个范围内说明没问题，如果不在，就说明芯片可能坏了，使用的话就要小心点。

电荷泵

如上图，这个是电荷泵，或者叫充电泵，CPOUT引脚需要外接一个电容，电容在芯片手册中有说明，电荷泵是一种升压电路，OLED屏幕也是。

如上图，通过快速切换电源和电容的串并联（电容不断充放电），实现升压，然后再加一个电源滤波，就能进行平稳地升压，这就是电荷泵的升压原理。

在这里，由于陀螺仪内部是需要一个高电压支持的，所以设计了一个电荷泵进行升压，这个升压过程是自动的，不需要我们操作。

寄存器和通信接口

如上图，右边这一大部分就是寄存器和通信接口部分了，中断状态寄存器（Interrupt Status Register)，可以控制内部的哪些事件到中断引脚的输出；

先入先出寄存器（FIFO），可以对数据流进行缓存。

配置寄存器（Config Registers），可以对内部的各个电路进行配置。

传感器寄存器（Sensor Register），也就是数据寄存器，存储了各个传感器的数据。

工厂校准（Factory Calibration），这个意思就是内部的传感器都进行了校准

数字运动处理器（Digital Motion Processor，简称DMP）是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

帧同步（FSYNC），暂时用不到。

如上图，上面是通信接口部分，就是从机的I2C和SPI通信接口，用于和STM32通信。

如上图，是主机的I2通信接口，用于和MPU6050扩展的设备进行通信。

Serial Interface Bypass Mux是接口旁路选择器，就是一个开关，如果拨到上面，辅助的I2C引脚就和正常的I2C引脚接到一起，这样两路总线就合在一起了，STM32在此时可以控制所有设备，STM32就是“大哥”，MPU6050和这个扩展设备都是STM32的“小弟”；如果拨到下面，辅助的I2C引脚就由MPU6050控制，两条I2C总线独立分开，这时STM32是MPU6050的“大哥”，MPU6050又是扩展设备的大哥。

如上图，这里是供电的部分

这个芯片的I2C频率最大可达400KHz，如果发射的I2C通信信号超过这个频率，那这个芯片可能因为跟不上信号而无法通信

常用寄存器

采样频率分频器SMPLRT_DIV
配置寄存器CONFIG
陀螺仪配置寄存器GYRO_CONFIG
加速度计配置寄存器ACCEL_CONFIG
下面这一大块是数据寄存器

下面是加速度计XYZ轴的数据：

下面是温度传感器的数据：

下面是陀螺仪XYZ轴的数据：

上面这些寄存器，_L表示低8位，_H表示高8位

最后是：

电源管理寄存器PWR_MGMT_1，PWR_MGMT_2
器件ID号寄存器WHO_AM_I

采样频率分频器SMPRT_DIV

这个寄存器可以配置采样频率的分频系数，简单来说就是，分频越小，内部的AD转换就越快，数据寄存器刷新就越快，反之就越慢，采样频率公式：
Sample Rate = Gyroscope Output Rate / (1 + SMPLRT_DIV)
Sample Rate是采样频率，Gyroscope Output Rate是陀螺仪输出时钟频率（这里是以陀螺仪时钟为例子，也可以用外部时钟），SMPLRT_DIV是采样分频
不使用低通滤波器时，陀螺仪时钟为8KHz，使用滤波器，时钟就是1KHz

配置寄存器CONFIG

配置寄存器内部有两部分，EXT_SYNC_SET是外部同步设置，DLPF_CFG是低通滤波器配置。

上图表种是低通滤波器的参数，这个低通滤波器可以让输出数据更加平滑，配置滤波器参数越大，输出数据抖动就越小，0是不使用低通滤波器，陀螺仪时钟为8KHz，之后使用了低通滤波器，陀螺仪时钟就是1KHz，最后一行参数7是保留位，没有用到。

陀螺仪配置寄存器GYRO_CONFIG

该寄存器高3位XG-ST,YG_ST,ZG_ST是XYZ轴的自测使能位，中间2位FS_SEL是满量程选择位，后面3位没用到
自测公式：
Self-test response（自测响应） = Sensor output with self-test enabled（自测使能时的数据） – Sensor output without self test enabled（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，两者相减，得到自测响应。
在另一个讲电气特性的手册里找到自测响应的范围

如果在这个范围里，芯片就通过了自检，之后正常使用即可。
然后是满量程选择FS_SEL，如下图中的表格：

量程越大，分辨率越小，量程越小，分辨率越高

加速度计配置寄存器ACCEL_CONFIG

高3位XA_ST,YA_ST,ZA_ST是自测使能位，中间2位AFS_SEL是满量程选择，低3位ACCEL_HPF是配置高通滤波器。

加速度计数据寄存器

这些寄存器只读，想要读取对应轴的加速度，就需要读取这些寄存器的值，其中：

这些是二进制的有符号数，以二进制补码的方式存储，我们读出高8位和低8位，高位左移8次，或上低位数据，最后再存在一个int16_t的变量里。

温度传感器

陀螺仪数据

温度传感器和陀螺仪数据寄存器都是只读的，都是用和上面读数据一样的方法读数据

电源管理寄存器1

高1位BIT7，DEVICE_RESET设备复位，这一位写1，所有寄存器都恢复到默认值
BIT6，SLEEP睡眠模式，这一位写1，芯片睡眠，芯片不工作，进入低功耗
BIT5，CYCLE，这一位写1，设备进入低功耗，过一段时间，启动一次，并且唤醒的频率由电源管理寄存器2的高2位LP_WAKE_CTRL决定，这个模式比较省电

BIT3，TEMP_DIS温度传感器失能，写1之后，禁用内部的温度传感器
最后3位CLKSEL，用来选择系统时钟来源，如下表：

这个图中的表分别是1是内部晶振，2-3是XYZ轴陀螺仪晶振，4和5是外部引脚的两个方波，一般我们选择内部晶振或者陀螺仪晶振，手册推荐选择陀螺仪晶振，因为陀螺仪的晶振更加精确。

电源管理寄存器2

BIT5-BIT0可以分别控制6个轴进入待机模式，如果只需要部分轴的数据，可以让其他轴待机，这一比较省电

ID号寄存器

此寄存器是只读寄存器，ID号不可修改，ID号中间这6位（BIT5-BIT1），固定为110100，实际上这个ID号就是I2C通信的地址，它的最高位和最低为，其实都是0，那读出这个寄存器，值就固定为0x68，AD0引脚的值，并不反映在这个寄存器上，这个I2C地址，可以通过AD0引脚进行配置，但是，这里的ID号的最低位，是不随AD0引脚变化而变化的，读出ID号，始终都是0x68，当然这个ID号也不是非要和I2C地址一样，只是它这样设计了而已。

【注】一般来说，所有的寄存器，上电默认值都是0x00，只有下面这两个寄存器上电后不是默认0x00：

117号寄存器就是ID号寄存器，默认0x68，107号寄存器是电源管理寄存器1，默认0x40，也就是次高位为1，次高位是SLEEP，所以这个芯片上电默认就是睡眠模式，在操作这个芯片之前，要先记得解除睡眠，否则操作其他寄存器是无效的。