MPU6050是什麼？
它是由3軸陀螺儀、3軸加速度傳感器組成的6軸運動處理芯片，還可以通過一個預留IIC接口外接磁力傳感器（如GY-282磁羅盤），其它型號還有：MPU6000、MPU9150、MPU9250等。
我們常用它來給系統輸入歐拉角。
關於歐拉角：
如下圖：
α是 x 軸與交點線的夾角 β 是 z 軸與 Z 軸的夾角， γ 是交點線與 X 軸的夾角。
很可惜地，對於夾角的順序和標記，夾角的兩個軸的指定，並沒有任何常規。 科學家對此從未達成共識。每當用到歐拉角時，我們必須明確的表示出夾角的順序，指定其參考軸。
實際上，有許多方法可以設定兩個座標系 的相對取向。歐拉角方法只是其中的一種。此外，不同的作者會用不同組合的歐拉角來描述，或用不同的名字表示同樣的歐拉角。因此，使用歐拉角前，必須先做好明確的定義。
硬件快速搭建：
通信接口：IIC
電源：2.4-3.4V
典型電路：
管腳說明：
第8腳 VLOGIC一般直接接電源即可。（接不同電壓就是指其IO口電壓，如此腳接1.8V，則其IO口邏輯電壓即爲1.8V）
第9腳 是IIC地址選擇，接低：地址爲0x68，接高：地址爲0x69；
與MCU的連接電路（STM32爲例）：
特點參數：
① 以數字形式輸出 6 軸或 9 軸（需外接磁傳感器）的旋轉矩陣、四元數 ( 、歐拉角格式 (Euler Angle 的融合演算數據（需 DMP 支持）
② 具有 131 LSBs/ LSBs/°°/sec 敏感度與全格感測範圍爲± 250 、± 500 、± 1000 與± 2000 °°/sec的 3 軸角速度感測器 陀螺儀
③ 集成可程序控制，範圍爲± 2g 、± 4g 、± 8g 和± 16g 的 3 軸加速度傳感器
④ 移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設定給予的影響與感測器的飄移
⑤ 自帶數字運 動處理 (DMP: Digital Motion 引擎可減少 MCU 複雜的融合演算數據、感測器同步化、姿勢感應等的負荷
⑥ 內建運作時間偏差與磁力感測器校正演算技術，免除了客戶須另外進行校正的需求
⑦ 自帶一個數字溫度傳感器
⑧ 帶數字輸入同步引腳 (Sync 支持視頻電子影相穩定技術與 GPS
⑨ 可程序控制的中斷 ( interrupt)，支持姿勢識別、搖攝、畫面放大縮小、滾動、快速下降中斷、 high G 中斷、零動作感應、觸擊感應、搖動感應功能
⑩ VDD 供電電壓爲 2.5V 5% 、 3.0V 5% 、 3.3V 5% VLOGIC 可低至 1.8V 5%
⑪ 陀螺儀工作電流： 5mA ，陀螺儀待機電流 5uA ；加速器工作電流 500uA ，加速器省電模式電流： 40uA@10Hz
⑫ 自帶 1024 字節 FIFO ，有助於降低系統功耗
⑬ 高達 400Khz 的 IIC 通信接口
⑭ 超小封裝尺寸： 4x4x0.9mm QFN
MPU6050程序快速開發：
程序開發步驟：
MPU6050的初始化：
1、初始化IIC接口；
2、設置角速度傳感器、加速度傳感器的量程範圍；
3、設置其它參數，如：
配置中斷、設置AUX IIC接口、設置FIFO、設置陀螺儀採樣率、設置數字濾波器等。
4、設置系統時鐘；
5、使能角速度、加速度傳感器；
這些設置都是通過配置MPU6050內部寄存器設置的，具體步驟可參考正點原子關於MPU6050章節的介紹；
下面是正點原子STM32的MPU6050初始化代碼：
u8 MPU_Init(void)
{
u8 res;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);//使能AFIO時鐘
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//先使能外設IO PORTA時鐘
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15; // 端口配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推輓輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //IO口速度爲50MHz
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //根據設定參數初始化GPIOA
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable,ENABLE);//禁止JTAG,從而PA15可以做普通IO使用,否則PA15不能做普通IO!!!
MPU_AD0_CTRL=0; //控制MPU6050的AD0腳爲低電平,從機地址爲:0X68
MPU_IIC_Init();//初始化IIC總線
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80); //復位MPU6050
delay_ms(100);
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00); //喚醒MPU6050
MPU_Set_Gyro_Fsr(3); //陀螺儀傳感器,±2000dps
MPU_Set_Accel_Fsr(0); //加速度傳感器,±2g
MPU_Set_Rate(50); //設置採樣率50Hz
MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00); //關閉所有中斷
MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00); //I2C主模式關閉
MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00); //關閉FIFO
MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80); //INT引腳低電平有效
res=MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);
if(res==MPU_ADDR)//器件ID正確
{
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01); //設置CLKSEL,PLL X軸爲參考
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00); //加速度與陀螺儀都工作
MPU_Set_Rate(50); //設置採樣率爲50Hz
}else return 1;
return 0;
}
//設置MPU6050陀螺儀傳感器滿量程範圍
//fsr:0,±250dps;1,±500dps;2,±1000dps;3,±2000dps
//返回值:0,設置成功
// 其他,設置失敗
u8 MPU_Set_Gyro_Fsr(u8 fsr)
{
return MPU_Write_Byte(MPU_GYRO_CFG_REG,fsr<<3);//設置陀螺儀滿量程範圍
}
//設置MPU6050加速度傳感器滿量程範圍
//fsr:0,±2g;1,±4g;2,±8g;3,±16g
//返回值:0,設置成功
// 其他,設置失敗
u8 MPU_Set_Accel_Fsr(u8 fsr)
{
return MPU_Write_Byte(MPU_ACCEL_CFG_REG,fsr<<3);//設置加速度傳感器滿量程範圍
}
//設置MPU6050的數字低通濾波器
//lpf:數字低通濾波頻率(Hz)
//返回值:0,設置成功
// 其他,設置失敗
u8 MPU_Set_LPF(u16 lpf)
{
u8 data=0;
if(lpf>=188)data=1;
else if(lpf>=98)data=2;
else if(lpf>=42)data=3;
else if(lpf>=20)data=4;
else if(lpf>=10)data=5;
else data=6;
return MPU_Write_Byte(MPU_CFG_REG,data);//設置數字低通濾波器
}
//設置MPU6050的採樣率(假定Fs=1KHz)
//rate:4~1000(Hz)
//返回值:0,設置成功
// 其他,設置失敗
u8 MPU_Set_Rate(u16 rate)
{
u8 data;
if(rate>1000)rate=1000;
if(rate<4)rate=4;
data=1000/rate-1;
data=MPU_Write_Byte(MPU_SAMPLE_RATE_REG,data); //設置數字低通濾波器
return MPU_Set_LPF(rate/2); //自動設置LPF爲採樣率的一半
}
//得到溫度值
//返回值:溫度值(擴大了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]<<8)|buf[1];
temp=36.53+((double)raw)/340;
return temp*100;;
}
//得到陀螺儀值(原始值)
//gx,gy,gz:陀螺儀x,y,z軸的原始讀數(帶符號)
//返回值:0,成功
// 其他,錯誤代碼
u8 MPU_Get_Gyroscope(short *gx,short *gy,short *gz)
{
u8 buf[6],res;
res=MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_GYRO_XOUTH_REG,6,buf);
if(res==0)
{
*gx=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];
*gy=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];
*gz=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];
}
return res;;
}
//得到加速度值(原始值)
//gx,gy,gz:陀螺儀x,y,z軸的原始讀數(帶符號)
//返回值:0,成功
// 其他,錯誤代碼
u8 MPU_Get_Accelerometer(short *ax,short *ay,short *az)
{
u8 buf[6],res;
res=MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_ACCEL_XOUTH_REG,6,buf);
if(res==0)
{
*ax=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];
*ay=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];
*az=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];
}
return res;;
}
//IIC連續寫
//addr:器件地址
//reg:寄存器地址
//len:寫入長度
//buf:數據區
//返回值:0,正常
// 其他,錯誤代碼
u8 MPU_Write_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)
{
u8 i;
MPU_IIC_Start();
MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//發送器件地址+寫命令
if(MPU_IIC_Wait_Ack()) //等待應答
{
MPU_IIC_Stop();
return 1;
}
MPU_IIC_Send_Byte(reg); //寫寄存器地址
MPU_IIC_Wait_Ack(); //等待應答
for(i=0;i<len;i++)
{
MPU_IIC_Send_Byte(buf[i]); //發送數據
if(MPU_IIC_Wait_Ack()) //等待ACK
{
MPU_IIC_Stop();
return 1;
}
}
MPU_IIC_Stop();
return 0;
}
//IIC連續讀
//addr:器件地址
//reg:要讀取的寄存器地址
//len:要讀取的長度
//buf:讀取到的數據存儲區
//返回值:0,正常
// 其他,錯誤代碼
u8 MPU_Read_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)
{
MPU_IIC_Start();
MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//發送器件地址+寫命令
if(MPU_IIC_Wait_Ack()) //等待應答
{
MPU_IIC_Stop();
return 1;
}
MPU_IIC_Send_Byte(reg); //寫寄存器地址
MPU_IIC_Wait_Ack(); //等待應答
MPU_IIC_Start();
MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|1);//發送器件地址+讀命令
MPU_IIC_Wait_Ack(); //等待應答
while(len)
{
if(len==1)*buf=MPU_IIC_Read_Byte(0);//讀數據,發送nACK
else *buf=MPU_IIC_Read_Byte(1); //讀數據,發送ACK
len--;
buf++;
}
MPU_IIC_Stop(); //產生一個停止條件
return 0;
}
//IIC寫一個字節
//reg:寄存器地址
//data:數據
//返回值:0,正常
// 其他,錯誤代碼
u8 MPU_Write_Byte(u8 reg,u8 data)
{
MPU_IIC_Start();
MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//發送器件地址+寫命令
if(MPU_IIC_Wait_Ack()) //等待應答
{
MPU_IIC_Stop();
return 1;
}
MPU_IIC_Send_Byte(reg); //寫寄存器地址
MPU_IIC_Wait_Ack(); //等待應答
MPU_IIC_Send_Byte(data);//發送數據
if(MPU_IIC_Wait_Ack()) //等待ACK
{
MPU_IIC_Stop();
return 1;
}
MPU_IIC_Stop();
return 0;
}
//IIC讀一個字節
//reg:寄存器地址
//返回值:讀到的數據
u8 MPU_Read_Byte(u8 reg)
{
u8 res;
MPU_IIC_Start();
MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//發送器件地址+寫命令
MPU_IIC_Wait_Ack(); //等待應答
MPU_IIC_Send_Byte(reg); //寫寄存器地址
MPU_IIC_Wait_Ack(); //等待應答
MPU_IIC_Start();
MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|1);//發送器件地址+讀命令
MPU_IIC_Wait_Ack(); //等待應答
res=MPU_IIC_Read_Byte(0);//讀取數據,發送nACK
MPU_IIC_Stop(); //產生一個停止條件
return res;
}
經過上面的設置，即可讀出MPU6050 的加速度傳感器角速度傳感器的原始數據。不過這些原始數據對於希望獲取姿態數據的情況時用處不大，我們期望得到的是歐拉角：航向角 yaw 、橫滾角 roll 、俯仰角 pitch。要得到歐拉角數據，就得利用我們的原始數據，進行姿態融合解算，這個比較複雜，幸而MPU6050 自帶了數字運動處理器，即 DMP 。它可以將內部角度、陀螺等傳感器進行融合計算，輸出一個四元數，然後我們再通過計算公式將四元數轉換爲歐拉角。
使用MPU6050內置DMP可大大簡化驅動代碼設計，MCU將不需要進行姿態解算，可降低MCU負擔。
MPU6050的DMP輸出的四元數是q30格式，就是浮點數放大了2的30次方，在具體換算成歐拉角之前，需先將其轉換爲浮點數，也就是除以2的30次方即可，也就是：“歐拉角=MPU6050輸出的四元數 / 2^30(1073741824)”；下面給出正點原子的代碼：
#define q30 1073741824.0f
q0=quat[0] / q30; //q30 格式轉換爲浮點數
q1=quat[1] / q30;
q2=quat[2] / q30;
q3=quat[3] / q30;
//計算得到俯仰角、橫滾角、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; 橫滾角
yaw=atan2(2*(q1*q2 + q0*q3),q0*q0+q1*q1 q2*q2 q3*q3) * 57.3; 航向角
//公式中的57.3是弧度抓換爲角度，即180/ π，這樣得到的結果就是以度（°）爲單位的。（關於爲什麼這樣計算的數學推導這裏不做深究）
上述中的q0、q1、q2、q3，如何獲得？它是MPU6050官方給出的一套C代碼驅動庫中完成的，實際開發中，需要將其移植到項目工程中，具體移植還是可以直接參考正點原子，其實主要就是要用它的兩個.c文件：“inv_mpu.c和inv_mpu_dmp_motion_driver.c”。移植完成後，即可直接調用函數接口，正點原子寫出了兩個函數可完成最終的歐拉角獲取：
使用DMP前要先初始化MPU6050的DMP，下面是代碼：
（這是已經移植好MPU6050官方驅動庫文件的情況下）
//mpu6050,dmp初始化
//返回值:0,正常
// 其他,失敗
u8 mpu_dmp_init(void)
{
u8 res=0;
MPU_IIC_Init(); //初始化IIC總線
if(mpu_init()==0) //初始化MPU6050
{
res=mpu_set_sensors(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL);//設置所需要的傳感器
if(res)return 1;
res=mpu_configure_fifo(INV_XYZ_GYRO|INV_XYZ_ACCEL);//設置FIFO
if(res)return 2;
res=mpu_set_sample_rate(DEFAULT_MPU_HZ); //設置採樣率
if(res)return 3;
res=dmp_load_motion_driver_firmware(); //加載dmp固件
if(res)return 4;
res=dmp_set_orientation(inv_orientation_matrix_to_scalar(gyro_orientation));//設置陀螺儀方向
if(res)return 5;
res=dmp_enable_feature(DMP_FEATURE_6X_LP_QUAT|DMP_FEATURE_TAP| //設置dmp功能
DMP_FEATURE_ANDROID_ORIENT|DMP_FEATURE_SEND_RAW_ACCEL|DMP_FEATURE_SEND_CAL_GYRO|
DMP_FEATURE_GYRO_CAL);
if(res)return 6;
res=dmp_set_fifo_rate(DEFAULT_MPU_HZ); //設置DMP輸出速率(最大不超過200Hz)
if(res)return 7;
res=run_self_test(); //自檢
if(res)return 8;
res=mpu_set_dmp_state(1); //使能DMP
if(res)return 9;
}else return 10;
return 0;
}
如此，通過“u8 mpu_dmp_init(void)”這個函數即可獲取MPU6050的FIFO輸出的四元數，但我們還要經過上述的換算，才能得到歐拉角，函數代碼如下：
//得到dmp處理後的數據(注意,本函數需要比較多堆棧,局部變量有點多)
//pitch:俯仰角 精度:0.1° 範圍:-90.0° <---> +90.0°
//roll:橫滾角 精度:0.1° 範圍:-180.0°<---> +180.0°
//yaw:航向角 精度:0.1° 範圍:-180.0°<---> +180.0°
//返回值:0,正常
// 其他,失敗
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;
/* Gyro and accel data are written to the FIFO by the DMP in chip frame and hardware units.
* This behavior is convenient because it keeps the gyro and accel outputs of dmp_read_fifo and mpu_read_fifo consistent.
**/
/*if (sensors & INV_XYZ_GYRO )
send_packet(PACKET_TYPE_GYRO, gyro);
if (sensors & INV_XYZ_ACCEL)
send_packet(PACKET_TYPE_ACCEL, accel); */
/* Unlike gyro and accel, quaternions are written to the FIFO in the body frame, q30.
* The orientation is set by the scalar passed to dmp_set_orientation during initialization.
**/
if(sensors&INV_WXYZ_QUAT)
{
q0 = quat[0] / q30; //q30格式轉換爲浮點數
q1 = quat[1] / q30;
q2 = quat[2] / q30;
q3 = quat[3] / q30;
//計算得到俯仰角/橫滾角/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;
}
至此，我們即得到了MPU6050的三個歐拉角：pitch、roll、yaw。
關於GY282電子羅盤：
它使用了6050的寄存器，並聯在6050的內部的數據總線上了，而並非直接在系統總線上通過sda和scl讀取，系統能夠直接尋址。