基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统Word文件下载.docx
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3.扩展蓝牙模块，能通过蓝牙模块与手机连接并进行数据通信。
4.根据函数提供的帧格式定义数据帧，并通过USART接口将数据帧传给PC端。
5.在手机端能根据蓝牙获取的MPU6050六轴传感器的陀螺仪数据绘出立方体，立方体能在可接受的时间延迟内实时展现MPU6050的姿态变化（转动方向和角度）。
6.在PC端能通过对从USART接口获取的数据帧进行解析获取MPU6050加速度传感器和陀螺仪的数据，并根据数据帧中设置的校验位进行数据校验。
7.在PC端能根据解析出的加速度传感器和陀螺仪数据，在可接受的误差范围内还原MPU6050的姿态变化（包括位移、转动方向和角度），实现一个简单的惯性导航系统。
5.系统设计
5.1IIC总线工作原理
1
2
3
4
5
5.1
5.1.1总线的构成及信号类型
I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。
在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。
各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。
CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；
控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。
这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。
I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：
开始信号、结束信号和应答信号。
开始信号：
SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：
SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：
接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。
CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断。
若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。
这些信号中，开始信号是必须的，结束信号和应答信号都可以不要，IIC总线时序图如图5.1.1-1所示。
图5.11IIC总线时序图
探索者STM32F4开发板板载的EEPROM芯片型号为24C02。
该芯片的总容量为256字节，通过IIC总线与外部连接。
STM32F4开发板有硬件IIC，但是设计的比较复杂，而且稳定性不好，所以我组使用GPIO软件模拟IIC来对24C02进行读写。
同时使用软件更具有移植性，只要有IO口，将软件移植过去就能使用模拟的IIC，而硬件必须MCU的支持。
5.1.2硬件设计
实现模拟IIC需要用到的硬件资源有：
串口（USMART）、GPIO、24C02。
图5.12STM32F4与24C02连接图
我组通过GPIO来模拟IIC，24C2的SCL和SDA分别连在GPIO_PB8和GPIO_PB9上，连接关系如图5.1.2-1。
5.2MPU6050工作原理
5.2
5.2.1MPU6050引脚
图5.21MPU6050结构图
模块外观如图5.2.1-2所示：
图5.22MPU6050实物图
图5.23MPU6050内部逻辑框图
如图5.2.1-1为MPU6050六轴传感器的结构图，总共有24个引脚，而图5.2.1-2为MPU6050的内部逻辑框图，描述了MPU6050内部的模块结构，以及各引脚的连接情况。
表5.2.11MPU6050引脚输出和信号描述
PinNumber
MPU-6050
PinName
PinDescription
1
Y
CLKIN
Optionalexternalreferenceclockinput.ConnecttoGNDifunused.
6
AUX_DA
I2Cmasterserialdata,forconnectingtoexternalsensors
7
AUX_CL
I2CMasterserialclock,forconnectingtoexternalsensors
8
/CS
SPIchipselect（0=SPImode）
VLOGIC
DigitalI/Osupplyvoltage
9
AD0/SDO
I2CSlaveAddressLSB（AD0）;
SPIserialdataoutput（SDO）
AD0
I2CSlaveAddressLSB（AD0）
10
REGOUT
Regulatorfiltercapacitorconnection
11
FSYNC
Framesynchronizationdigitalinput.ConnecttoGNDifunused.
12
INT
Interruptdigitaloutput（totempoleoropen-drain）
13
VDD
PowersupplyvoltageandDigitalI/Osupplyvoltage
18
GND
Powersupplyground
19,21
RESV
Reserved.Donotconnect.
20
CPOUT
Chargepumpcapacitorconnection
22
23
SCL/SCLK
I2Cserialclock（SCL）;
SPIserialclock（SCLK）
SCL
I2Cserialclock（SCL）
24
SDA/SDI
I2Cserialdata（SDA）;
SPIserialdatainput（SDI）
SDA
I2Cserialdata（SDA）
2,3,4,5,14,
15,16,17
NC
Notinternallyconnected.MaybeusedforPCBtracerouting.
表5.2.1-1对每一个引脚的名称和作用进行了说明。
在上述引脚中，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，连接的引脚为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，这样就可以与MPU6050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）。
在探索者STM32F4开发板上，AD0是接GND的，即MPU6050的IIC地址是0X68（不含最低位）。
5.2.2硬件设计
图5.24MPU6050与STM32F4的连接电路图
从图5.2.2-1可以看出，MPU6050通过三根线与STM32F4开发板连接，其中IIC总线时和24C02以及WM8978共用，接在PB8和PB9上面。
MPU6050的中断输出，连接在STM32F4的PC0脚，不过本例程我们并没有用到中断。
另外，AD0接的GND，所以MPU6050的器件地址是：
0X68。
5.2.3初始化操作
在使用STM32F4读取MPU6050的加速度和角度传感器数据之前，需要做以下初始化操作：
（1）初始化IIC接口
MPU6050采用IIC与STM32F4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AUXIIC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。
本章我们不用中断方式读取数据，所以关闭中断，然后也没用到AUXIIC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，不过本章我们没有用到，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8MRC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。
5.2.4相关寄存器
在读取MPU6050数据中主要用到了以下寄存器：
（1）PowerManagement1（电源管理寄存器1）
表5.2.41电源管理寄存器1各位描述
Register（Hex）
Register（Decimal）
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
6B
107
DEVICE_RESET
SLEEP
CYCLE
-
TEMP_DIS
CLKSEL[2:
0]
如表5.2.4-1，寄存器地址为0x6B。
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；
0]用于选择系统时钟源，选择关系如表5.2.4-2所示，默认是使用内部8MRC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。
表5.2.42CLKSEL选择列表
时钟源
000
内部8MRC晶振
001
PLL，使用X轴陀螺作为参考
010
PLL，使用Y轴陀螺作为参考
011
PLL，使用Z轴陀螺作为参考
100
PLL，使用外部32.768Khz作为参考
101
PLL，使用外部19.2Mhz作为参考
110
保留
111
关闭时钟，保持时序产生电路复位状态
（2）GyroscopeConfiguration（陀螺仪配置寄存器）
表5.2.43表陀螺仪配置寄存器各位描述
Register
（Hex）
Register（Decimal）
1B
27
XG_ST
YG_ST
ZG_ST
FS_SEL[1:
如表5.2.4-3，寄存器地址为0x1B。
0]两个位用于设置陀螺仪的满量程范围：
0为±
250°
/s；
1为±
500°
2为±
1000°
3为±
2000°
/s。
我们一般设置为3，即±
/s，而因为陀螺仪的ADC为16位分辨率，所以得到灵敏度为：
65536/4000=16.4LSB/（°
/s）。
（3）AccelerometerConfiguration（加速度传感器配置寄存器）
表5.2.44加速度传感器配置寄存器各位描述
（Decimal）
1C
28
XA_ST
YA_ST
ZA_ST
AFS_SEL[1:
如表5.2.4-4，寄存器地址为0x1C。
0]两个位用于设置加速度传感器的满量程范围：
2g；
4g；
8g；
16g。
我们一般设置为0，即±
2g，而因为加速度传感器的ADC也是16位分辨率，所以得到灵敏度为：
65536/4=16384LSB/g。
（4）FIFOEnable（FIFO使能寄存器）
表5.2.45FIFO使能寄存器各位描述
35
TEMP_FIFO_EN
XG_FIFO_EN
YG_FIFO_EN
ZG_FIFO_EN
ACCEL
_FIFO_EN
SLV2
SLV1
SLV0
如表5.2.4-5，寄存器地址为0x23。
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。
（5）SampleRateDivider（采样率分频寄存器）
表5.2.46陀螺仪采样率分频寄存器各位描述
19
25
SMPLRT_DIV[7:
如表5.2.4-6，寄存器地址为0x19。
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。
我们假定设置采样率为50Hz，那么SMPLRT_DIV=1000/50-1=19。
（6）Configuration（配置寄存器）
表5.2.47配置寄存器各位描述
Register
1A
26
EXT_SYNC_SET[2:
DLPF_CFG[2:
如表5.2.4-7，寄存器地址为0x1A。
加速度计和陀螺仪是根据数字低通滤波器（DLPF）的三个设置位进行过滤的，即DLPF_CFG[2:
0]。
DLPF_CFG不同配置对应的过滤情况如表5.2.4-8所示：
表5.2.48DLPF_CFG配置表
加速度传感器
Fs=1Khz
角速度传感器
（陀螺仪）
带宽（Hz）
延迟（ms）
Fs（Khz）
260
256
0.98
184
2.0
188
1.9
94
3.0
98
2.8
44
4.9
42
4.8
21
8.5
8.3
13.8
13.4
5
19.0
18.6
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为100。
（7）PowerManagement2（电源管理寄存器2）
表5.2.49电源管理寄存器2各位描述
Bit5
Bit4
Bit3
Bit1
Bit0
6C
108
LP_WAKE_CTRL[1:
STBY
_XA
_YA
_ZA
STBY
_XG
_YG
_ZG
如表5.2.4-9，寄存器地址为0x6C。
该寄存器的LP_WAKE_CTRL用于控制低功耗时的唤醒频率，项目中没有用到。
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，由于不需要进入待机模式，所以全部设置为0。
（8）GyroscopeMeasurements（陀螺仪数据输出寄存器）
表5.2.410陀螺仪数据输出寄存器各位描述
Register（Hex）
43
67
GYRO_XOUT[15:
8]
68
GYRO_XOUT[7:
45
69
GYRO_YOUT[15:
46
70
GYRO_YOUT[7:
47
71
GYRO_ZOUT[15:
48
72
GYRO_ZOUT[7:
如表5.2.4-10，总共有6个寄存器，地址为0x43~0x48，通过读取这6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。
（9）AccelerometerMeasurements（加速度传感器数据输出寄存器）
表5.2.411加速度传感器数据输出寄存器各位描述
3B
59
ACCEL_XOUT[15:
3C
60
ACCEL_XOUT[7:
3D
61
ACCEL_YOUT[15:
3E
62
ACCEL_YOUT[7:
3F
63
ACCEL_ZOUT[15:
40
64
ACCEL_ZOUT[7:
如表5.2.4-11，总共有
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