详解MPU6050,用STM32读取原始数据,并相互融合算出俯仰角、翻滚角、偏航角.docx

详解MPU6050，用STM32读取原始数据，并相互融合算出俯仰角、翻滚角、偏航角

1.MPU6050是什么？
MPU6050是一个6轴运动处理组件，包含了3轴加速度 和3轴陀螺仪。
MPU-6000为全球首例整合性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，减少了大量的包装空间。MPU-6000整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术
InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。
MPU-6000的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)，可准确追緃快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。产品传输可透过最高至400kHz的I2C或最高达20MHz的SPI。
MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V± 5%。MPU-6000的包装尺寸4x4x09mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。

2.加速度传感器是干嘛用的？

总而言这，加速度传感器，其实是力传感器。用来检查上下左右前后哪几个面都受了多少力（包括重力），然后计算角度。

3.陀螺仪是干嘛用的？
简而言之，陀螺仪就是角速度检测仪。比如，一块板，以X轴为轴心，在一秒钟的时间转到了90度，那么它在X轴上的角速度就是 90度/秒  （DPS, 角速度单位，Degree Per Second的缩写°/S ，体现了转动的快慢）

4.MPU6050分辨率是多少？

3轴加速度 和3轴陀螺仪分别用了3个16位的ADC, 也就是说，加速度有3个16位ADC，其中每个轴使用了一个。也是说，每个轴输出的数据，是2^16 也就是 -32768 ---- +32768。陀螺仪也是一样。

5. 单位换算
上面说的-32768 --- +32768 ，那么这个数字到底代表了什么呢？比如陀螺仪 32768 到底是指角速度达到多少度/秒 ？
这个其实是根据MPU6050设置的量程来决定的，量程不一样，32768代表的值就不一样。

MPU6050的量程设置，在 MPU6050::initialize() （MPU6050.cpp库）初始化函数中进行了设置：
setFullScaleGyroRange(MPU6050_GYRO_FS_250);
setFullScaleAccelRange(MPU6050_ACCEL_FS_2);
分别设置为，250度/秒 , 2g

按陀螺仪来说，MPU6050 有四个量程可选：
±250，±500，±1000，±2000 度/s
比方说，设置了是 ±250 , 那么-32768  ---- +32768 就代表了 -250 ---- +250 。此时它的LSB(拉傻B，最低有效位) 是 131 LSB/(度/s)

STM32自带I2C，但一般有两个I2C1（PB6,PB7）和I2C2（PB10,PB11），而且，I2C分为硬件、和模拟。
软件i2c是程序员使用程序控制SCL,SDA线输出高低电平，模拟i2c协议的时序.
硬件i2c程序员只要调用i2c的控制函数即可，不用直接的去控制SCL,SDA高低电平的输出

本模块采用的是IIC通信方式，所以我们只需要连接四跟线就可以完成电路的连接，简单方便！
原始数据有：AX、AY、AZ    GX、GY、GZ
简单的算法之后可以得到 Roll，pitch，yaw

参考MPU-6050数据手册
引脚说明：

VDD 供电电压为2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%；VDDIO 为1.8V± 5%
内建振荡器在工作温度范围内仅有±1%频率变化。可选外部时钟输入32.768kHz 或19.2MHz
找出几个重要的寄存器：
1）Register 25 – Sample Rate Divider  （SMPRT_DIV）

1）SMPLRT_DIV 8位无符号值，通过该值将陀螺仪输出分频，得到采样频率 

  该寄存器指定陀螺仪输出率的分频，用来产生MPU-60X0的采样率。
  传感器寄存器的输出、FIFO输出、DMP采样和运动检测的都是基于该采样率。
  采样率的计算公式
                    采样率 = 陀螺仪的输出率 / (1 + SMPLRT_DIV)
  当数字低通滤波器没有使能的时候，陀螺仪的输出平路等于8KHZ，反之等于1KHZ。
2）Register 26 – Configuration        （CONFIG）

 1）EXT_SYNC_SET 3位无符号值，配置帧同步引脚的采样
 2）DLPF_CFG 3位无符号值，配置数字低通滤波器

 该寄存器为陀螺仪和加速度计配置外部帧同步（FSYNC）引脚采样和数字低通滤波器（DLPF）。
 通过配置EXT_SYNC_SET，可以对连接到FSYNC引脚的一个外部信号进行采样。 
 FSYNC引脚上的信号变化会被锁存，这样就能捕获到很短的频闪信号。
 采样结束后，锁存器将复位到当前的FSYNC信号状态。
 根据下面的表格定义的值，采集到的数据会替换掉数据寄存器中上次接收到的有效数据

数字低通滤波器是由DLPF_CFG来配置，根据下表中DLPF_CFG的值对加速度传感器和陀螺仪滤波

3）Register 27 – Gyroscope Configuration   （GYRO_CONFIG）

1）XG_ST 设置此位，X轴陀螺仪进行自我测试。
2）YG_ST 设置此位，Y轴陀螺仪进行自我测试。
3）ZG_ST 设置此位，Z轴陀螺仪进行自我测试。
4）FS_SEL 2位无符号值。选择陀螺仪的量程。
   这个寄存器是用来触发陀螺仪自检和配置陀螺仪的满量程范围。
   陀螺仪自检允许用户测试陀螺仪的机械和电气部分，通过设置该寄存器的 XG_ST、YG_ST和 ZG_ST bits可以激活陀螺仪对应轴的自检。每个轴的检测可以独立进行或同时进行。
    自检的响应 = 打开自检功能时的传感器输出 - 未启用自检功能时传感器的输出
    在MPU-6000/MPU-6050数据手册的电气特性表中已经给出了每个轴的限制范围。当自检的响应值在规定的范围内，就能够通过自检；反之，就不能通过自检。
    根据下表，FS_SEL选择陀螺仪输出的量程：

4）Register 28 – Accelerometer Configuration  （ACCEL_CONFIG）

1）XA_ST    设置为1时，X轴加速度感应器进行自检。
2）YA_ST    设置为1时，Y轴加速度感应器进行自检。
3）ZA_ST    设置为1时，Z轴加速度感应器进行自检。
4）AFS_SEL  2位无符号值。选择加速度计的量程。

  具体细节和上面陀螺仪的相似。
  根据下表，AFS_SEL选择加速度传感器输出的量程。

5）Registers 59 to 64 – Accelerometer Measurements （ACCEL_XOUT_H, ACCEL_XOUT_L, ACCEL_YOUT_H, ACCEL_YOUT_L, ACCEL_ZOUT_H, and ACCEL_ZOUT_L）

1）ACCEL_XOUT  16位2’s补码值。
   存储最近的X轴加速度感应器的测量值。
2）ACCEL_YOUT  16位2’s补码值。
   存储最近的Y轴加速度感应器的测量值。
3）ACCEL_ZOUT  16位2’s补码值。
   存储最近的Z轴加速度感应器的测量值。

  这些寄存器存储加速感应器最近的测量值。
   加速度传感器寄存器，连同温度传感器寄存器、陀螺仪传感器寄存器和外部感应数据寄存器，都由两部分寄存器组成（类似于STM32F10X系列中的影子寄存器）：一个内部寄存器，用户不可见。另一个用户可读的寄存器。内部寄存器中数据在采样的时候及时的到更新，仅在串行通信接口不忙碌时，才将内部寄存器中的值复制到用户可读的寄存器中去，避免了直接对感应测量值的突发访问。 
   在寄存器28中定义了每个16位的加速度测量值的最大范围，对于设置的每个最大范围，都对应一个加速度的灵敏度ACCEL_xOUT，如下面的表中所示：

6）Registers 65 and 66 – Temperature Measurement   （TEMP_OUT_H and TEMP_OUT_L）

1）TEMP_OUT 16位有符号值。
   存储的最近温度传感器的测量值

7）Registers 67 to 72 – Gyroscope Measurements    （GYRO_XOUT_H, GYRO_XOUT_L, GYRO_YOUT_H, GYRO_YOUT_L, GYRO_ZOUT_H, and GYRO_ZOUT_L）

这个和加速度感应器的寄存器相似
对应的灵敏度：

8）Register 107 – Power Management 1   （PWR_MGMT_1）

该寄存器允许用户配置电源模式和时钟源。它还提供了一个复位整个器件的位，和一个关闭温度传感器的位
1）DEVICE_RESET  置1后所有的寄存器复位，随后DEVICE_RESET自动置0.
2）SLEEP         置1后进入睡眠模式  
3）CYCLE         当CYCLE被设置为1，且SLEEP没有设置，MPU-60X0进入循环模式，为了从速度传感器中获得采样值，在睡眠模式和正常数据采集模式之间切换，每次获得一个采样数据。在LP_WAKE_CTRL（108）寄存器中，可以设置唤醒后的采样率和被唤醒的频率。
4）TEMP_DIS      置1后关闭温度传感器
5）CLKSEL        指定设备的时钟源   
时钟源的选择：
9）Register 117 – Who Am I         （WHO_AM_I）

 WHO_AM_I中的内容是MPU-60X0的6位I2C地址
上电复位的第6位到第1位值为：110100
为了让两个MPU-6050能够连接在一个I2C总线上，当AD0引脚逻辑低电平时，设备的地址是 b1101000 ，当AD0引脚逻辑高电平时，设备的地址是 b1101001 

（2013.01.24）
 淘宝买的货终于到了，学习用所以没买好的，这个模块只要18块钱。

MPU-6000可以使用SPI和I2C接口，而MPU-6050只能使用I2C，其中I2C的地址由AD0引脚决定;寄存器共117个，挺多的，下面的是精简常用的，根据具体的要求，适当的添加。

#define SMPLRT_DIV  0x19    //采样率分频，典型值：0x07(125Hz) */
#define CONFIG   0x1A       // 低通滤波频率，典型值：0x06(5Hz) */
#define GYRO_CONFIG  0x1B   // 陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s) */
#define ACCEL_CONFIG 0x1C  // 加速计自检、测量范围及高通滤波频率，典型值：0x01(不自检，2G，5Hz) */

#define ACCEL_XOUT_H 0x3B  // 存储最近的X轴、Y轴、Z轴加速度感应器的测量值 */
#define ACCEL_XOUT_L 0x3C
#define ACCEL_YOUT_H 0x3D
#define ACCEL_YOUT_L 0x3E
#define ACCEL_ZOUT_H 0x3F
#define ACCEL_ZOUT_L 0x40

#define TEMP_OUT_H  0x41   // 存储的最近温度传感器的测量值 */
#define TEMP_OUT_L  0x42

#define GYRO_XOUT_H  0x43 // 存储最近的X轴、Y轴、Z轴陀螺仪感应器的测量值 */
#define GYRO_XOUT_L  0x44 
#define GYRO_YOUT_H  0x45
#define GYRO_YOUT_L  0x46
#define GYRO_ZOUT_H  0x47
#define GYRO_ZOUT_L  0x48

#define PWR_MGMT_1  0x6B // 电源管理，典型值：0x00(正常启用) */
#define WHO_AM_I  0x75 //IIC地址寄存器(默认数值0x68，只读) */
编程时用到的关于I2C协议规范：