六轴传感器MPU6050

1.六轴与九轴的区别

六轴包括：三轴加速度计、三轴陀螺仪

九轴包括：三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁强计

2.MPU6050简单介绍

MPU6050 是 InvenSense 公司推出的全球首款整合性 6 轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了安装空间。MPU6050 内部整合了 3 轴陀螺仪和 3 轴加速度传感器，并且含有一个第二 IIC 接口，可用于连接外部磁力传感器即AUX_CL 和 AUX_DA，并利用自带的数字运动处理器（DMP: DigitalMotion Processor）硬件加速引擎，通过主 IIC 接口，向应用端输出完整的 9 轴融合演算数据。有了 DMP，我们可以使用 InvenSense 公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度。

3.模块原理图

其中，SCL 和 SDA 是连接 MCU 的 IIC 接口，MCU 通过这个 IIC 接口来控制 MPU6050， 另外还有一个 IIC 接口：AUX_CL 和 AUX_DA，这个接口可用来连接外部从设备，比如磁 传感器，这样就可以组成一个九轴传感器。VLOGIC 是 IO 口电压，该引脚最低可以到 1.8V， 我们一般直接接 VDD 即可。AD0 是从 IIC 接口（接 MCU）的地址控制引脚，该引脚控制 IIC 地址的最低位。如果接 GND，则 MPU6050 的 IIC 地址是：0X68，如果接 VDD，则是 0X69，注意：这里的地址是不包含数据传输的最低位的（最低位用来表示读写）！！

4.初始化步骤及寄存器详解

1 ）初始化 IIC  接口 MPU6050 采用 IIC 与 STM32F1 通信，所以我们需要先初始化与 MPU6050 连接的 SDA 和 SCL 数据线。 2 ）复位 MPU6050 这一步让 MPU6050 内部所有寄存器恢复默认值，通过对电源管理寄存器 1（0X6B）的 bit7 写 1 实现。 复位后，电源管理寄存器 1 恢复默认值(0X40)，然后必须设置该寄存器为 0X00，以唤醒 MPU6050，进入正常工作状态。 3 ）设置角速度传感器（陀螺仪）和加速度传感器的满量程范围 这一步，我们设置两个传感器的满量程范围(FSR)，分别通过陀螺仪配置寄存器（0X1B） 和加速度传感器配置寄存器（0X1C）设置。我们一般设置陀螺仪的满量程范围为±2000dps， 加速度传感器的满量程范围为±2g。 4 ）设置其他参数 这里，我们还需要配置的参数有：关闭中断、关闭 AUX IIC 接口、禁止 FIFO、设置陀 螺仪采样率和设置数字低通滤波器（DLPF）等。我们不用中断方式读取数据，所以关 闭中断，然后也没用到 AUX IIC 接口外接其他传感器，所以也关闭这个接口。分别通过中 断使能寄存器（0X38）和用户控制寄存器（0X6A）控制。MPU6050 可以使用 FIFO 存储传 感器数据，不过我们没有用到，所以关闭所有 FIFO 通道，这个通过 FIFO 使能寄存器 （0X23）控制，默认都是 0（即禁止 FIFO），所以用默认值就可以了。陀螺仪采样率通过采 样率分频寄存器（0X19）控制，这个采样率我们一般设置为 50 即可。数字低通滤波器(DLPF) 则通过配置寄存器（0X1A）设置，一般设置 DLPF 为带宽的 1/2 即可。 5 ）配置系统时钟源并使能角速度传感器和加速度传感器 系统时钟源同样是通过电源管理寄存器 1（0X1B）来设置，该寄存器的最低三位用于 设置系统时钟源选择，默认值是 0（内部 8M RC 震荡），不过我们一般设置为 1，选择 x 轴 陀螺 PLL 作为时钟源，以获得更高精度的时钟。同时，使能角速度传感器和加速度传感器， 这两个操作通过电源管理寄存器 2（0X6C）来设置，设置对应位为 0 即可开启。 至此，MPU6050 的初始化就完成了，可以正常工作了（其他未设置的寄存器全部采用 默认值即可），接下来，我们就可以读取相关寄存器，得到加速度传感器、角速度传感器和 温度传感器的数据了。不过，我们先简单介绍几个重要的寄存器。 首先，我们介绍电源管理寄存器 1，该寄存器地址为 0X6B，各位描述如图

其中，DEVICE_RESET 位用来控制复位，设置为 1，复位 MPU6050，复位结束后，MPU 硬件自动清零该位。SLEEEP 位用于控制 MPU6050 的工作模式，复位后，该位为 1，即进 入了睡眠模式（低功耗），所以我们要清零该位，以进入正常工作模式。TEMP_DIS 用于设 置是否使能温度传感器，设置为 0，则使能。最后 CLKSEL[2:0]用于选择系统时钟源，选择 关系如表

默认是使用内部 8M RC 晶振的，精度不高，所以我们一般选择 X/Y/Z 轴陀螺作为参考 的 PLL 作为时钟源，一般设置 CLKSEL=001 即可。 接着，我们看陀螺仪配置寄存器，该寄存器地址为：0X1B，各位描述如图

该寄存器我们只关心 FS_SEL[1:0]这两个位，用于设置陀螺仪的满量程范围：0，±250° /S；1，±500°/S；2，±1000°/S；3，±2000°/S；我们一般设置为 3，即±2000°/S，因 为陀螺仪的 ADC 为 16 位分辨率，所以得到灵敏度为：65536/4000=16.4LSB/(°/S)。 接下来，我们看加速度传感器配置寄存器，寄存器地址为：0X1C，各位描述如图

该寄存器我们只关心 AFS_SEL[1:0]这两个位，用于设置加速度传感器的满量程范围：0， ±2g；1，±4g；2，±8g；3，±16g；我们一般设置为 0，即±2g，因为加速度传感器的 ADC 也是 16 位，所以得到灵敏度为：65536/4=16384LSB/g。 接下来，我看看 FIFO 使能寄存器，寄存器地址为：0X1C，各位描述如图

该寄存器用于控制 FIFO 使能，在简单读取传感器数据的时候，可以不用 FIFO，设置 对应位为 0 即可禁止 FIFO，设置为 1，则使能 FIFO。注意加速度传感器的 3 个轴，全由 1 个位（ACCEL_FIFO_EN）控制，只要该位置 1，则加速度传感器的三个通道都开启 FIFO 了。 接下来，我们看陀螺仪采样率分频寄存器，寄存器地址为：0X19，各位描述如图

该寄存器用于设置 MPU6050 的陀螺仪采样频率，计算公式为： 采样频率 =  陀螺仪输出频率 / (1+SMPLRT_DIV) 这里陀螺仪的输出频率，是 1Khz 或者 8Khz，与数字低通滤波器（DLPF）的设置有关， 当 DLPF_CFG=0/7 的时候，频率为 8Khz，其他情况是 1Khz。而且 DLPF 滤波频率一般设置 为采样率的一半。采样率，我们假定设置为 50Hz，那么 SMPLRT_DIV=1000/50-1=19。 接下来，我们看配置寄存器，寄存器地址为：0X1A，各位描述如图

这里，我们主要关心数字低通滤波器（DLPF）的设置位，即：DLPF_CFG[2:0]，加速 度计和陀螺仪，都是根据这三个位的配置进行过滤的。DLPF_CFG 不同配置对应的过滤情 况如表

这里的加速度传感器，输出速率（Fs）固定是 1Khz，而角速度传感器的输出速率（Fs）， 则根据 DLPF_CFG 的配置有所不同。一般我们设置角速度传感器的带宽为其采样率的一半， 如前面所说的，如果设置采样率为 50Hz，那么带宽就应该设置为 25Hz，取近似值 20Hz， 就应该设置 DLPF_CFG=100。 接下来，我们看电源管理寄存器 2，寄存器地址为：0X6C，各位描述如图 

该寄存器的 LP_WAKE_CTRL 用于控制低功耗时的唤醒频率，本章用不到。剩下的 6 位，分别控制加速度和陀螺仪的 x/y/z 轴是否进入待机模式，这里我们全部都不进入待机模 式，所以全部设置为 0 即可。 接下来，我们看看陀螺仪数据输出寄存器，总共有 8 个寄存器组成，地址为：0X43~0X48， 通过读取这 8 个寄存器，就可以读到陀螺仪 x/y/z 轴的值，比如 x 轴的数据，可以通过读取 0X43（高 8 位）和 0X44（低 8 位）寄存器得到，其他轴以此类推。 同样，加速度传感器数据输出寄存器，也有 8 个，地址为：0X3B~0X40，通过读取这 8 个寄存器，就可以读到加速度传感器 x/y/z 轴的值，比如读 x 轴的数据，可以通过读取 0X3B （高 8 位）和 0X3C（低 8 位）寄存器得到，其他轴以此类推。 最后，温度传感器的值，可以通过读取 0X41（高 8 位）和 0X42（低 8 位）寄存器得到， 温度换算公式为： Temperature = 36.53 + regval/340 其中，Temperature 为计算得到的温度值，单位为℃，regval 为从 0X41 和 0X42 读到的 温度传感器值。

5.DMP使用

我们可以读出 MPU6050 的加速度传感器和角速度传感器的原始数 据。不过这些原始数据，对想搞四轴之类的初学者来说，用处不大，我们期望得到的是姿态 数据，也就是欧拉角：航向角（yaw）、横滚角（roll）和俯仰角（pitch）。有了这三个角，我 们就可以得到当前四轴的姿态，这才是我们想要的结果。 要得到欧拉角数据，就得利用我们的原始数据，进行姿态融合解算，这个比较复杂，知 识点比较多，初学者 不易掌握。而 MPU6050 自带了数字运动处理器，即 DMP，并且， InvenSense 提供了一个 MPU6050 的嵌入式运动驱动库，结合 MPU6050 的 DMP，可以将我 们的原始数据，直接转换成四元数输出，而得到四元数之后，就可以很方便的计算出欧拉角， 从而得到 yaw、roll 和 pitch。 使用内置的 DMP，大大简化了四轴的代码设计，且 MCU 不用进行姿态解算过程，大 大降低了 MCU 的负担，从而有更多的时间去处理其他事件，提高系统实时性。 使用 MPU6050 的 DMP 输出的四元数是 q30 格式的，也就是浮点数放大了 2 的 30 次方 倍。在换算成欧拉角之前，必须先将其转换为浮点数，也就是除以 2 的 30 次方，然后再进 行计算，计算公式为： q0=quat[0] / q30; //q30 格式转换为浮点数 q1=quat[1] / q30; q2=quat[2] / q30; q3=quat[3] / q30; //计算得到俯仰角/横滚角/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; //横滚角 yaw=atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1-q2*q2-q3*q3) * 57.3; //航向角 其中 quat[0]~ quat[3]是 MPU6050 的 DMP 解算后的四元数，q30 格式，所以要除以一个 2 的 30 次方，其中 q30 是一个常量：1073741824，即 2 的 30 次方，然后带入公式，计算出 欧拉角。上述计算公式的 57.3 是弧度转换为角度，即 180/π，这样得到的结果就是以度（°） 为单位的。

nvenSense 提供的 MPU6050 运动驱动库是基于 MSP430 ，官方DMP驱动库移植起来，还是比较简单的，主要是实现这4个函数：i2c_write，i2c_read，delay_ms 和 get_ms，主要移植六个文件：

该驱动库，重点就是两个 c 文件：inv_mpu.c 和 inv_mpu_dmp_motion_driver.c。其中我 们在 inv_mpu.c 添加了几个函数，方便我们使用，重点是两个函数：mpu_dmp_init 和 mpu_dmp_get_data 这两个函数，这里我们简单介绍下这两个函数。 mpu_dmp_init，是 MPU6050 DMP 初始化函数，该函数代码如下： //mpu6050,dmp 初始化 //返回值:0,正常 // 其他,失败 u8 mpu_dmp_init(void) { u8 res=0; IIC_Init(); //初始化 IIC 总线

if(mpu_init()==0) //初始化 MPU6050 {  res=mpu_set_sensors(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL);//设需要的传感器 if(res)return 1; res=mpu_configure_fifo(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL);//设置 FIFO if(res)return 2; res=mpu_set_sample_rate(DEFAULT_MPU_HZ);  //设置采样率 if(res)return 3; res=dmp_load_motion_driver_firmware(); //加载 dmp 固件 if(res)return 4; res=dmp_set_orientation(inv_orientation_matrix_to_scalar(gyro_orientation)); //设置陀螺仪方向 if(res)return 5; res=dmp_enable_feature(DMP_FEATURE_6X_LP_QUAT|DMP_FEATURE_TAP |DMP_FEATURE_ANDROID_ORIENT|DMP_FEATURE_SEND_RAW_ACCEL |DMP_FEATURE_SEND_CAL_GYRO|DMP_FEATURE_GYRO_CAL); //设置 dmp 功能 if(res)return 6; res=dmp_set_fifo_rate(DEFAULT_MPU_HZ);//设置 DMP 输出速率(最大 200Hz) if(res)return 7; res=run_self_test(); //自检 if(res)return 8; res=mpu_set_dmp_state(1); //使能 DMP if(res)return 9; } return 0; } 此函数首先通过 IIC_Init(需外部提供)初始化与 MPU6050 连接的 IIC 接口，然后调用 mpu_init 函数，初始化 MPU6050，之后就是设置 DMP 所用传感器、FIFO、采样率和加载 固件等一系列操作，在所有操作都正常之后，最后通过 mpu_set_dmp_state(1)使能 DMP 功 能，在使能成功以后，我们便可以通过 mpu_dmp_get_data 来读取姿态解算后的数据了。 mpu_dmp_get_data 函数代码如下： //得到 dmp 处理后的数据(注意,本函数需要比较多堆栈,局部变量有点多) //pitch:俯仰角 精度:0.1° 范围:-90.0° +90.0° //roll:横滚角 精度:0.1° 范围:-180.0° +180.0° //yaw:航向角 精度:0.1° 范围:-180.0° +180.0° //返回值:0,正常 // 其他,失败 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_WXYZ_QUAT) { q0 = quat[0] / q30; //q30 格式转换为浮点数 q1 = quat[1] / q30; q2 = quat[2] / q30; q3 = quat[3] / q30; //计算得到俯仰角/横滚角/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; } 此函数用于得到 DMP 姿态解算后的俯仰角、横滚角和航向角。这里就用到了我们前面 介绍的四元数转欧拉角公式，将 dmp_read_fifo 函数读到的 q30 格式四元数转换成欧拉角。

6.实现部分源代码

//初始化 MPU6050 //返回值:0,成功 // 其他,错误代码 u8 MPU_Init(void) { u8 res; MPU_IIC_Init();  //初始化 IIC 总线 MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);//复位 MPU6050 delay_ms(100); MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);//唤醒 MPU6050 MPU_Set_Gyro_Fsr(3); //陀螺仪传感器,±2000dps MPU_Set_Accel_Fsr(0);  //加速度传感器,±2g MPU_Set_Rate(50);  //设置采样率 50Hz MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00); //关闭所有中断 MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00); //I2C 主模式关闭 MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00); //关闭 FIFO MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80); //INT 引脚低电平有效 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);  //设置 CLKSEL,PLL X 轴为参考 MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);//加速度与陀螺仪都工作 MPU_Set_Rate(50);  //设置采样率为 50Hz }else return 1; return 0; }

//得到温度值 //返回值:温度值(扩大了 100 倍) short MPU_Get_Temperature(void) { u8 buf[2]; short raw; float temp;  MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_TEMP_OUTH_REG,2,buf); raw=((u16)buf[0] *gx=((u16)buf[0] u8 i; IIC_Start(); IIC_Send_Byte((addr IIC_Start(); IIC_Send_Byte((addr while((USART1->SR&0X40)==0);//等待上一次发送完毕 USART1->DR=c; } //传送数据给匿名四轴上位机软件(V2.6 版本) //fun:功能字. 0XA0~0XAF //data:数据缓存区,最多 28 字节!! //len:data 区有效数据个数 void usart1_niming_report(u8 fun,u8*data,u8 len) { u8 send_buf[32]; u8 i; if(len>28)return;  //最多 28 字节数据 send_buf[len+3]=0; //校验数置零 send_buf[0]=0X88; //帧头 send_buf[1]=fun; //功能字 send_buf[2]=len;  //数据长度 for(i=0;i u8 tbuf[28]; u8 i; for(i=0;i>8)&0XFF; tbuf[1]=aacx&0XFF; tbuf[2]=(aacy>>8)&0XFF; tbuf[3]=aacy&0XFF; tbuf[4]=(aacz>>8)&0XFF; tbuf[5]=aacz&0XFF; tbuf[6]=(gyrox>>8)&0XFF; tbuf[7]=gyrox&0XFF; tbuf[8]=(gyroy>>8)&0XFF; tbuf[9]=gyroy&0XFF; tbuf[10]=(gyroz>>8)&0XFF; tbuf[11]=gyroz&0XFF; tbuf[18]=(roll>>8)&0XFF; tbuf[19]=roll&0XFF; tbuf[20]=(pitch>>8)&0XFF; tbuf[21]=pitch&0XFF; tbuf[22]=(yaw>>8)&0XFF; tbuf[23]=yaw&0XFF; usart1_niming_report(0XAF,tbuf,28);//飞控显示帧,0XAF } int main(void) {  u8 t=0,report=1;  //默认开启上报 u8 key; float pitch,roll,yaw; //欧拉角 short aacx,aacy,aacz;  //加速度传感器原始数据 short gyrox,gyroy,gyroz; //陀螺仪原始数据 short temp;  //温度 

Stm32_Clock_Init(9);  //系统时钟设置 uart_init(72,500000);  //串口初始化为 500000 delay_init(72); //延时初始化 usmart_dev.init(72);  //初始化 USMART LED_Init();  //初始化与 LED 连接的硬件接口 KEY_Init();  //初始化按键 LCD_Init();  //初始化 LCD MPU_Init(); //初始化 MPU6050 POINT_COLOR=RED; //设置字体为红色 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,"ATOM@ALIENTEK"); LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2015/4/18"); 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;//设置字体为蓝色 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(); //得到温度值 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 if(report)mpu6050_send_data(aacx,aacy,aacz,gyrox,gyroy,gyroz); //用自定义帧发送加速度和陀螺仪原始数据 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 LCD_ShowChar(30+48,220,'-',16,0);  //显示负号 temp=-temp; //转为正数 }else LCD_ShowChar(30+48,220,' ',16,0); //去掉负号 LCD_ShowNum(30+48+8,220,temp/10,3,16);  //显示整数部分  LCD_ShowNum(30+48+40,220,temp%10,1,16); //显示小数部分 temp=roll*10; if(temp LCD_ShowChar(30+48,260,'-',16,0);  //显示负号 temp=-temp; //转为正数 }else LCD_ShowChar(30+48,260,' ',16,0); //去掉负号 LCD_ShowNum(30+48+8,260,temp/10,3,16);  //显示整数部分  LCD_ShowNum(30+48+40,260,temp%10,1,16); //显示小数部分 t=0; LED0=!LED0;//LED 闪烁 } } t++; } }