基于MPU6050的INS惯性导航和实时姿态检测系统Word下载.docx
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2.在LCD屏幕上绘出圆形图案,且圆形图案能根据MPU6050六轴传感器的姿态变化而运动,传感器倾斜角度越大,图案运动速度越快。
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
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
Register
(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
(Decimal)
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
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
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
ACCE