RT-Thread实战笔记|MPU6050使用详解及DMP姿态解算

RTThread物联网操作系统 2022-06-16 18:47

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的能源设施应用方案 如何增强电动汽车的实时控制能力？

小伙伴们大家好，好久不更新RT-Thread实战笔记啦，今天来搞一搞MPU6050，话不多说，淦！

本章源码获取

欢迎在“小飞哥嵌入式”公众号后台回复“MPU6050”即可获取本教程源码

MPU6050简介

某宝买的，吃灰许久了...

有钱，不想受那鸟气的，看这个，自己画一个，对比价格，我劝你买个吧，知道自己行就行了...

典型用法：

可在官网下载最新的芯片手册和寄存器映射和描述，参看：MPU6050 官网

基本功能：

MPU-60X0是世界上第一款集成 6 轴MotionTracking设备。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP（ DigitalMotion Processor），可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其 I2C或SPI接口输出一个9轴的信号（ SPI接口仅在MPU-6000可用）。MPU-60X0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。

MPU-60X0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250， ±500， ±1000， ±2000°/秒（ dps），加速度计可测范围为±2， ±4，±8， ±16g。

一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。和所有设备寄存器之间的通信采用 400kHz的 I2C接口或 1MHz的 SPI接口（ SPI仅MPU-6000可用）。对于需要高速传输的应用，对寄存器的读取和中断可用 20MHz的SPI。另外，片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有±1%变动的振荡器。芯片尺寸4×4×0.9mm，采用QFN封装（无引线方形封装），可承受最大 10000g的冲击，并有可编程的低通滤波器。

关于电源， MPU-60X0可支持 VDD范围 2.5V±5%， 3.0V±5%，或 3.3V±5%。另外MPU-6050还有一个 VLOGIC引脚，用来为 I2C输出提供逻辑电平。VLOGIC电压可取1.8±5%或者VDD。

系统结构图：

通信接口：

MPU-60X0使用 SPI（仅MPU-6000）或 I2C 串行通信至系统处理器接口。与系统处理器通信时，MPU-60X0始终充当从属设备。LSB的 I2C 从地址的地址由引脚9（AD0）设置（一般接地），本次采用的是IIC的通讯方式，顺便学习一下rt-thread的IIC设备驱动。

六轴，代表的是它内置了一个三轴 MEMS 陀螺仪、一个三轴 MEMS 加速度计，一个数字运动处理引擎（DMP）。它还有用于第三方的数字传感器接口的辅助 I2C 串行接口，比如当辅助 I2C 串行接口连接到一个三轴磁力计，MPU6050 能提供一个完整的九轴融合输出到其主 I2C 端口。

下图标明了传感器的参考坐标系（ XYZ组成右手系）以及 3个测量轴和旋转方向。

旋转的正向可用右手螺旋定则判断

数字运动处理器（DMP）：

DMP就是MPU6050内部的运动引擎，全称Digital Motion Processor，直接输出四元数，可以减轻外围微处理器的工作负担且避免了繁琐的滤波和数据融合。Motion Driver是Invensense针对其运动传感器的软件包，并非全部开源，核心的算法部分是针对ARM处理器和MSP430处理器编译成了静态链接库，适用于MPU6050、MPU6500、MPU9150、MPU9250等传感器。

FIFO

MPU-60X0包含一个可通过串行接口访问的1024字节FIFO寄存器。FIFO配置寄存器决定哪个数据写入FIFO。可能的选择包括陀螺仪数据，加速计数据，温度读数，辅助传感器读数和 FSYNC 输入。FIFO 计数器跟踪 FIFO 中包含的有效数据字节数。FIFO寄存器支持突发读取。中断功能可用于确定新数据何时可用。

MPU6050的涉及的东西还是很多的，小飞哥也只是简单了解了一些，小伙伴们可以查看手册或者百度，很多优秀的介绍，就不再啰嗦啦

rt-thread软件包使用

硬件连接

小飞哥使用的是ART-PI及ART-PI扩展板（12月份即将开源发布）

使用到的引脚为：

MCU	MPU6050
3.3V	VCC
GND	GND
PI2	SDA
PI1	SCL

小伙伴们可以还根据自己的MCU及使用到的引脚，模拟的IIC，自己看着选就可以啦

硬件连接OK

软件编写

介绍2两种方式，一种是使用rt-thread平台软件包获取MPU6050的数据，自己解算，另一种就是移植DMP库进行解算，小飞哥用的是移植的DMP库来解算的。

rtt软件包使用

选择MPU6050软件包

然后选择模拟IIC，可以使用IIC3，也可以使用其他的，和软件包选用的统一就OK了

设置完成之后，ctrl+S保存即可，软件包自动就下载添加进来了

接下来编写读取函数，直接调用已经封装好的接口即可

先注册设备，初始化

    i2c_bus = (struct mpu6xxx_device *)mpu6xxx_init(MPU6050_I2C_BUS_NAME, MPU6050_ADDR);   //初始化MPU6050，测量单位为角速度，加速度    while(count++)

    mpu6xxx_set_param(i2c_bus, MPU6XXX_ACCEL_RANGE, MPU6XXX_GYRO_RANGE_2000DPS);  //陀螺仪范围配置
    mpu6xxx_set_param(i2c_bus, MPU6XXX_ACCEL_RANGE, MPU6XXX_ACCEL_RANGE_2G);     //加速度计，一般设置为±2G
    mpu6xxx_set_param(i2c_bus, MPU6XXX_SAMPLE_RATE, 50);                       //采样频率
    mpu6xxx_set_param(i2c_bus, MPU6XXX_DLPF_CONFIG, 25);                       //数字低通滤波器设置，一般为1/2采样率

然后调用接口：

      mpu6xxx_get_gyro(i2c_bus, &gyro);
      sprintf(str,"gyro.x=%d\r\n",gyro.x);
      rt_kprintf(str);

      sprintf(str,"gyro.y=%d\r\n",gyro.y);
      rt_kprintf(str);

      sprintf(str,"gyro.z=%d\r\n",gyro.z);
      rt_kprintf(str);


      mpu6xxx_get_accel(i2c_bus,&accel);

      sprintf(str,"accel.x=%d\r\n",accel.x);
      rt_kprintf(str);
      sprintf(str,"accel.y=%d\r\n",accel.y);
      rt_kprintf(str);
      sprintf(str,"accel.z=%d\r\n",accel.z);
      rt_kprintf(str);

运行结果：

来看一下，这两个函数的内部封装：

/**
 * This function gets the data of the gyroscope, unit: deg/10s
 * Here deg/10s means 10 times higher precision than deg/s. 
 *
 * @param dev the pointer of device driver structure
 * @param gyro the pointer of 3axes structure for receive data
 *
 * @return the reading status, RT_EOK reprensents  reading the data successfully.
 */
rt_err_t mpu6xxx_get_gyro(struct mpu6xxx_device *dev, struct mpu6xxx_3axes *gyro)
{
    struct mpu6xxx_3axes tmp;
    rt_uint16_t sen;
    rt_err_t res;

    res = mpu6xxx_get_gyro_raw(dev, &tmp);
    if (res != RT_EOK)
    {
        return res;
    }

    sen = MPU6XXX_GYRO_SEN >> dev->config.gyro_range;

    gyro->x = (rt_int32_t)tmp.x * 100 / sen;
    gyro->y = (rt_int32_t)tmp.y * 100 / sen;
    gyro->z = (rt_int32_t)tmp.z * 100 / sen;

    return RT_EOK;
}


/**
 * This function gets the data of the accelerometer, unit: mg
 *
 * @param dev the pointer of device driver structure
 * @param accel the pointer of 3axes structure for receive data
 *
 * @return the reading status, RT_EOK reprensents  reading the data successfully.
 */
rt_err_t mpu6xxx_get_accel(struct mpu6xxx_device *dev, struct mpu6xxx_3axes *accel)
{
    struct mpu6xxx_3axes tmp;
    rt_uint16_t sen;
    rt_err_t res;

    res = mpu6xxx_get_accel_raw(dev, &tmp);
    if (res != RT_EOK)
    {
        return res;
    }

    sen = MPU6XXX_ACCEL_SEN >> dev->config.accel_range;

    accel->x = (rt_int32_t)tmp.x * 1000 / sen;
    accel->y = (rt_int32_t)tmp.y * 1000 / sen;
    accel->z = (rt_int32_t)tmp.z * 1000 / sen;

    return RT_EOK;
}

还有获取磁力计、温度的接口，就不再一一列举了，拿到的数据我们可以进行手动解算。

移植DMP解算

使用DMP包的话跟rtt的MPU6050的软件包就没有很大关系了，只需要IIC接口就可以了

首先把DMP库文件放到我们的工程中，包含路径到我们的工程中

然后就需要编写与DMP库对接的接口了，下面几个是需要我们实现的

rt_uint8_t MPU_Write_Len(rt_uint8_t addr,rt_uint8_t reg,rt_uint8_t len,rt_uint8_t *databuf)
{
    rt_int8_t res = 0;
#ifdef RT_USING_I2C
    struct rt_i2c_msg msgs;
    rt_uint8_t buf[50] = {0};
#endif
    buf[0] = reg;

    for(int i = 0;i    {
        buf[i+1]=databuf[i];
    }

    if (i2c_bus->bus->type == RT_Device_Class_I2CBUS)
    {
        msgs.addr  = i2c_bus->i2c_addr;    /* slave address */
        msgs.flags = RT_I2C_WR;        /* write flag */
        msgs.buf   = buf;              /* Send data pointer */
        msgs.len   = len+1;

        if (rt_i2c_transfer((struct rt_i2c_bus_device *)i2c_bus->bus, &msgs, 1) == 1)
        {
            res = RT_EOK;
        }
        else
        {
            res = -RT_ERROR;
        }
    }
}

rt_uint8_t MPU_Read_Len(rt_uint8_t addr,rt_uint8_t reg,rt_uint8_t len,rt_uint8_t *buf)
{
    rt_int8_t res = 0;
#ifdef RT_USING_I2C
    struct rt_i2c_msg msgs[2];
#endif
#ifdef RT_USING_SPI
    rt_uint8_t tmp;
#endif
    if (i2c_bus->bus->type == RT_Device_Class_I2CBUS)
    {
        msgs[0].addr  = i2c_bus->i2c_addr;    /* Slave address */
        msgs[0].flags = RT_I2C_WR;        /* Write flag */
        msgs[0].buf   = ®             /* Slave register address */
        msgs[0].len   = 1;                /* Number of bytes sent */

        msgs[1].addr  = i2c_bus->i2c_addr;    /* Slave address */
        msgs[1].flags = RT_I2C_RD;        /* Read flag */
        msgs[1].buf   = buf;              /* Read data pointer */
        msgs[1].len   = len;              /* Number of bytes read */

        if (rt_i2c_transfer((struct rt_i2c_bus_device *)i2c_bus->bus, msgs, 2) == 2)
        {
            res = RT_EOK;
        }
        else
        {
            res = -RT_ERROR;
        }
    }

    return res;
}

初始化部分我们改为下面这样，只注册IIC设备就行了，其他的配置在DMP中完成：


    i2c_bus = (struct mpu6xxx_device *)mpu6xxx_init(MPU6050_I2C_BUS_NAME, MPU6050_ADDR);   //初始化MPU6050，测量单位为角速度，加速度    while(count++)

/*
    mpu6xxx_set_param(i2c_bus, MPU6XXX_ACCEL_RANGE, MPU6XXX_GYRO_RANGE_2000DPS);  //陀螺仪范围配置
    mpu6xxx_set_param(i2c_bus, MPU6XXX_ACCEL_RANGE, MPU6XXX_ACCEL_RANGE_2G);     //加速度计，一般设置为±2G
    mpu6xxx_set_param(i2c_bus, MPU6XXX_SAMPLE_RATE, 50);                       //采样频率
    mpu6xxx_set_param(i2c_bus, MPU6XXX_DLPF_CONFIG, 25);                       //数字低通滤波器设置，一般为1/2采样率
*/

    while(mpu_dmp_init())
    {
        rt_thread_mdelay(500);
        rt_kprintf("\r\nMPU6050 Error\r\n");
    }
    rt_kprintf("\r\nMPU6050 OK\r\n");

DMP初始化成功

获取结算后的数据：

    float pitch,roll,yaw;           //欧拉角

    if(mpu_dmp_get_data(&pitch,&roll,&yaw)==0)
    {
      sprintf(str,"pitch=%.1f\r\n",pitch);
        rt_kprintf(str);

        sprintf(str,"roll=%.1f\r\n",roll);
        rt_kprintf(str);

        sprintf(str,"yaw=%.1f\r\n",yaw);
        rt_kprintf(str);


/*
        temp=MPU_Get_Temperature();          //得到温度值

        sprintf(str,"temp=%.1f\r\n",temp);
        rt_kprintf(str);

        MPU_Get_Accelerometer(&aacx,&aacy,&aacz);   //得到加速度传感器数据
        MPU_Get_Gyroscope(&gyrox,&gyroy,&gyroz);    //得到陀螺仪数据
*/
   }