MPU6050

参考链接：MPU6050 6轴姿态传感器的分析与使用（一）-CSDN博客
常见滤波算法及其实现：https://blog.csdn.net/Thmos_vader/article/details/140743117

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简介

• MPU6050是一个6轴姿态传感器（3轴加速度计和3轴陀螺仪传感器）；

• 可测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角度参数，通过数据融合，可以得到姿态角。

X、Y、Z轴的定义

横向的是x轴，纵向的是Y轴，垂直与芯片的是Z轴

姿态角（欧拉角）

飞机机身对应三个轴的夹角

• 俯仰（pitch）：飞机机身对应三个轴的夹角，机头下倾或者上仰；

• 滚转（roll）： 飞机机身左翻滚或者右翻滚；

• 偏航（raw）： 飞机机身向左转向或者向右转向；

欧拉角就是表述姿态的一个参数

• 保持飞机的姿态平稳，必须要得到一个精确且稳定的欧拉角；

• 一种传感器无法获得精确且稳定的欧拉角，要获得精确稳定的欧拉角，需要多个传感器进行数据融合；

• 常见的数据融合算法有互补滤波、卡尔曼滤波等；

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硬件组成

常见的姿态传感器

加速度计

• 静态稳定性，不具有动态稳定性（运动加速度）

以下图为例，中间是一个具有一定质量，左右有弹簧的小滑块，
小滑块移动时，滑块上的电位器也跟着移动，通过电位器的电压，就能够知道滑块的加速度值。

这个加速度计实际上是一个弹簧测力计，根据牛顿第二定律F=ma，
想要测量加速度a，只需要找一个单位质量的物体，测量它所受的力F就行了。

在MPU6050中，X、Y、Z轴都具有一个加速度计，
以下面的图为例，假设芯片里有6个测力的秤组成一个正方体，
正方体内部放一个大小正好的单位质量小球，小球压在一个面上，就会产生对应轴的数据输出；
如果压在上面为正值，压在下面为负值，6个面测的力就是3个轴的加速度值。

陀螺仪传感器

• 一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。
• 动态稳定性

如图所示，中间是一个有一定质量的旋转轮，外面是3个轴的平衡环，
当中间的旋转轮高速旋转时，根据角动量守恒原理，这个旋转轮具有保持它原有角动量的趋势。
这个趋势可以保持旋转轴方向不变，当外部物体转动时，内部的旋转轴方向不会转动。

这会在平衡环连接处产生角度偏差，如果在连接处放一个电位器，
测量电位器的电压，就能得到角度了；

但是MPU6050陀螺仪，并不能直接测量角度。
芯片内部的陀螺仪测量的时角速度，分别表示了此时芯片绕X、Y、Z轴旋转的角速度。
对角速度进行积分，就可以得到角度。

通过角速度积分得到的角度也有局限性，
当物体静止时，角速度会因为噪声无法完全归零，经过积分的累积，
噪声会导致计算出来的角速度产生缓慢的偏移。但是这个角度不会受物体运动的影响。

加速度计具有静态稳定性，陀螺仪具有动态稳定性，特性互补。取长补短，进行互补滤波，可得稳定姿态角

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MPU6050参数

• 16位ADC采集传感器的模拟信号，量化范围：-32768~32767。

• 加速度计满量程范围选择：±2、±4、±8、±16(g) g表示重力加速度1g=9.8m/s²

• 陀螺仪满量程选择：±250、±500、±1000、±2000(°/sec) 每秒钟旋转了多少度
  （如果测量的物体运动非常剧烈，可以把满量程选择大一些，如果运动比较平缓，可以选择更小的量程，这样分辨率会更大。）

• 可配置的数字低通滤波器
  （在这个芯片可以配置寄存器来选择对输出的数据进行低通滤波）

• 可配置的时钟源和可配置的采样分频
  （为AD转换和芯片内部其他电路提供时钟，控制分频系数，可以控制AD转化的快慢。）

• I2C从机地址：当AD0=0时，地址为1101000，当AD0=1时，地址为1101001，AD0是板子引出来的引脚，可以调节I2C从机地址的最低位。
  （16位表示时，有两种方式，①是把1101000转成16进制0x68，但是因为还有一位读写位，一般使用（0x68<<1）|读写位。读1写0。②把0x68左移一位后的数据当作从机地址，也就是0xD0，再或上读写位。写就发送0xD0，读就发送0xD1。）两种方式本质无区别。

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硬件电路

三个部分：MPU-6050芯片，8针的排针，LDO低压差线性稳压器。

• SDA/SCL已经内置了两个上拉电阻，在接线的时候，直接把SCL和SDA接在GPIO口就行了。SDA/SCL、XDA/XCL通讯引脚分别为两组I2C信号线。当模块与外部主机通讯时，使用SDA/SCL，如与STM32芯片通讯； 而XDA/XCL则用于MPU6050芯片与其它I2C传感器通讯时使用，例如使用它与磁场传感器连接，MPU6050模块可以把从主机SDA/SCL接收的数据或命令通过XDA/XCL引脚转发到磁场传感器中。 但实际上这种功能比较鸡肋，控制麻烦且效率低，一般会直接把磁场传感器之类的I2C传感器直接与MPU6050挂载在同一条总线上（即都连接到SDA/SCL），使用主机直接控制。

• AD0引脚是从机地址的最低位，接低电平的话，7位的从机地址是1101000，接高电平的话，7位从机地址是1101001，有一个电阻默认下拉到低电平了，所以引脚悬空是接低电平，想接高电平，可以把AD0直接引到VCC，拉到高电平。

• INT是中断信号输出引脚：可以配置芯片内部的一些事件，来触发中断输出，比如数据准备好了，I2C主机错误等。另外芯片内部还内置了一些小功能，比如自由落体检测、零运动检测、运动检测等，这些信号都可以触发INT引脚产生电平跳变。

• LDO这部分是供电的逻辑，VDD供电是2.375-3.46V，不能直接接5V，为了扩大供电范围，加了3.3V的稳压器，输入端VCC-5V可以在3.3V到5V之间;

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内部框图

• 时钟：在硬件电路上，我们可以看到有时钟的接口。不过我们一般使用内部时钟。

• 加速度计、陀螺仪、温度传感器，相当于可变电阻，通过分压后输出模拟电压，通过ADC进行模数转换，转换完成后，数据放到传感器寄存器中。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，配置好转换频率之后，每个数据会自动以我们设置的刷新频率刷新到数据寄存器。

• 自测：每个传感器有一个自测单元，当启动自测后，芯片内部会模拟一个外力施加在传感器上。可以先使能自测，读取数据，再失能自测，读取数据，两个数据一相减，得到的数据叫自测响应。芯片手册有自测响应的范围，在范围内表示芯片无问题。

• 充电泵：CPOUT引脚需要外接一个电容，电荷泵是一个升压电路。假设并联电路5V的电源给一个电容充电，充完后，接成串联电路，电路电压变成10V了。并联充电，串联放电，后续再加一个电源滤波，就能进行平稳升压了。由于陀螺仪内部需要高电压支持，所以设置了一个电荷泵升压。

• 中断状态寄存器：控制内部的哪些事件到中断引脚的输出。

• FIFO先入先出寄存器：可以对数据流进行缓存。

• 配置寄存器：可以对内部的各个电路进行配置。

• 传感器寄存器：也是数据寄存器，存储了传感器的数据。

• 工厂校准：内部的寄存器都进行了工厂校准。

• 数字运动处理器（DMP）：芯片内部自带的姿态解算的硬件算法，配合官方的DMP库可以进行姿态解算。

• 通讯接口部分：上面的8、9、23、24就是从机的I2C和SPI通信接口，用于和STM32通讯，下面一部分7、6是主机的I2C通信接口，用于和MPU6050扩展设备进行通讯。接口旁路选择器，如果拨到上面，辅助的I2C通讯引脚就和正常的I2C接到一起，STM32就可以控制所有设备。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。

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寄存器操作

采样频率分频器

配置采样频率的分频系数，分频越小，内部的AD转换就越快,数据寄存器刷新就越快;

陀螺仪输出率就是陀螺仪时钟,陀螺仪时钟/这个寄存器指定的分频系数=采样频率;

配置寄存器

外部同步设置和低通滤波设置

• 外部同步设置主要是配置外部帧同步(FSYNC)引脚采样和数字，这里不做配置。

• 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，输出的抖动越小。

陀螺仪配置寄存器

高3位是XYZ轴的自测使能位，中间2位是满量程选择位，后面3位没用到;

自测响应=自测使能时的数据-自测使能时的数据;

MPU6050的自测响应的范围如下图所示，在此范围内表示通过自测;

满量程选择：量程越大范围越广，量程越小分辨率越高;

加速度计配置寄存器

加速度寄存器的配置与陀螺仪寄存器配置基本上是一个逻辑

加速度计测量寄存器

• 只读，可以通过这些数据寄存器读取最新的加速度计测量值,想读取哪个参数，只需要读取对应的数据寄存器即可;

• XYZ轴的加速度值都是16位的有符号数，以二进制补码的方式存储;

• 读出高8位和低8位，使用int16类型，高位左移8位，或上低位数据，就可以得到数据;

温度测量寄存器

温度传感器的使用与加速度计寄存器基本相同，可以通过读取寄存器值来获取温度

陀螺仪测量寄存器

陀螺仪数据寄存器和加速度计测量寄存器也是同样的用法，只需要读取相应的寄存器就可以获得相应的测量数值。数据的存储方式还是16位的有符号数，以二进制补码的方式存储

电源管理寄存器1

Bit7设备复位，这一位写1，所有寄存器都恢复到默认值。
Bit6睡眠模式，这一位写1，芯片睡眠，进入低功耗。
Bit5循环模式，这一位写1，芯片进入低功耗，过一段时间，启动一次，唤醒的频率由下面电源管理寄存器的Bit7和Bit6决定。
Bit3温度传感器失能，写1之后，禁用内部的温度传感器。
Bit2-0，选择系统的时钟来源。可选择：内部晶振、X/Y/Z轴陀螺仪晶振，外部引脚的两个方波，一般选择内部晶振或者陀螺仪晶振。建议使用陀螺仪晶振，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，这样比较省电。
Bit7-Bit6，是上面电源管理寄存器1的循环模式的唤醒频率

注意：可以使用此寄存器将单个加速度计和陀螺仪轴置于待机模式。如果设备使用陀螺仪轴作为时钟源，并且该轴处于待机状态，时钟源将自动更改为内部8MHz振荡器；

ID号寄存器

ID号不可修改，中间6位固定为110100，最高位和最低为都是0，读出寄存器，值固定为0x68。
实际上ID号就是I2C的地址，但是有区别的是，I2C地址可以通过AD0引脚进行配置，这里的AD号最低位是不随AD0引脚的变化而变化；

注意

所有的寄存器上电默认值都是0x00，除了107号（电源管理寄存器1），上电默认0x40，117号寄存器（ID号），上电默认0x68。
电源管理寄存器1默认0x40，表示睡眠模式，所以在操作MPU6050之前，要先解除睡眠，否则操作其他寄存器是无效的；

值固定为0x68。
实际上ID号就是I2C的地址，但是有区别的是，I2C地址可以通过AD0引脚进行配置，这里的AD号最低位是不随AD0引脚的变化而变化；