【江协STM32】10-2/3 MPU6050简介、软件I2C读写MPU6050

冰糖雪莲IO2025-01-09 21:28

1. MPU6050简介

  • MPU6050是一个6轴姿态传感器，可以测量芯片自身X、Y、Z轴的加速度、角速度参数，通过数据融合，可进一步得到姿态角，常应用于平衡车、飞行器等需要检测自身姿态的场景
  • 3轴加速度计（Accelerometer）：测量X、Y、Z轴的加速度
  • 3轴陀螺仪传感器（Gyroscope）：测量X、Y、Z轴的角速度

1.1 主要参数

  • 16位ADC采集传感器的模拟信号，量化范围：-32768~32767
  • 加速度计满量程选择：±2、±4、±8、±16（g）
  • 陀螺仪满量程选择： ±250、±500、±1000、±2000（°/sec）
  • 可配置的数字低通滤波器
  • 可配置的时钟源
  • 可配置的采样分频

I2C从机地址：1101000（AD0=0）、1101001（AD0=1）

如果在程序中用十六进制表示，一般有两种表示方式，以1101000地址为例。第一种，直接把7位二进制数转换为十六进制，110 1000就是0x68，所以可以说MPU6050的从机地址是0x68。在I2C通信时序中，第一个字节的高7位是从机地址，最低位是读写位，所以如果认为0x68是从机地址，在发送第一个字节时，需要先把0x68左移1位，再按位或上读写位。第二种，把0x68左移1位后的数据当做从机地址。0x68左移1位后是0xD0，则MPU6050的从机地址就是0xD0，这时在实际发送第一个字节时，如果需要写，就直接把0xD0当作第一个字节，如果需要读，就或上0x01，即0xD1当作第一个字节。

1.2 硬件电路

MPU6050模块原理图

XCL、XDA：MPU6050的6轴传感器不够用，需要进行扩展时使用，通常用于外接磁力计或者气压计，MPU6050的主机接口可以直接访问这些扩展芯片的数据，在MPU6050内有DMP单元进行数据融合和姿态解算。

1.3 模块框图

2. 软件I2C读写MPU6050

2.1 接线图

SCL接PB10、SDA接PB11。由于本节代码使用的是软件I2C，即用普通的GPIO口手动翻转电平，不需要STM32内部的外设资源支持，所以这里端口可以任意指定，也可以SCL接PA8，SDA接PA9等。

根据I2C协议的硬件规定，SCL和SDA均应外挂上拉电阻，由于模块内部自带上拉电阻，所以不需要外接。XCL和XDA用于扩展的接口，不使用。AD0引脚修改从机地址的最低位，由于模块内接了下拉电阻，所以引脚悬空相当于接地。INT中断信号输出脚，不使用。

2.2 代码

程序的整体架构：

  1. 首先，建立I2C通信层的.c和.h模块。在通信层中，写好I2C底层的GPIO初始化和6个时序基本单元（起始、终止、发送一个字节、接收一个字节、发送应答、接收应答）。
  2. 再建立MPU6050的.c的.h模块。在此层，基于I2C通信模块实现指定地址读、指定地址写，再实现写寄存器对芯片进行配置、读寄存器得到传感器数据。
  3. 最后在main.c中调用MPU6050模块，初始化，获取数据，显示数据。

由于使用的是软件I2C，所以stm32的I2C库函数就不需要看了，只需要使用GPIO的读写函数。

MyI2C.c（防止和库函数的函数重名）

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"

void MyI2C_Init(void)
{
    //  需要完成2个任务：
    //  ① 把SCL和SDA均初始化为开漏输出模式；
    //  ② 把SCL和SDA置高电平。
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;//	开漏输出(虽然名字是"输出",但开漏输出模式仍然可以输入)
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;//  SCL是PB10，SDA是PB11
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);//   置SCL和SDA高电平
}

//  对操作端口的库函数进行封装
void MyI2C_W_SCL(uint8_t BitValue)//    写SCL。参数给1或0，就可以释放或拉低SCL
{
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_10, (BitAction)BitValue);
    Delay_us(10);// 如果单片机主频较快，可以加延时，防止从机跟不上
}

void MyI2C_W_SDA(uint8_t BitValue)//    写SDA。参数给1或0，就可以释放或拉低SDA
{
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_11, (BitAction)BitValue);
    Delay_us(10);
}

uint8_t MyI2C_R_SDA(void)// 读SDA
{
    uint8_t BitValue;
    BitValue = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11);
    Delay_us(10);
    return BitValue;
}

//  接下来完成I2C的6个时序基本单元
//
//  1、起始条件
//  首先确保SCL和SDA释放，然后先拉低SDA，再拉低SCL
void MyI2C_Start(void)
{
    MyI2C_W_SDA(1);//   释放SDA
    MyI2C_W_SCL(1);//   释放SCL
    
    MyI2C_W_SDA(0);//   先拉低SDA
    MyI2C_W_SCL(0);//   再拉低SCL
}

//  2、终止条件
//  SCL高电平期间，SDA从低电平切换到高电平
void MyI2C_Stop(void)
{
    MyI2C_W_SDA(0);//   先拉低SDA，避免SDA之前为高电平时释放无法产生上升沿
    MyI2C_W_SCL(1);//   再释放SCL
    MyI2C_W_SDA(1);//   再释放SDA
}

//  3、发送一个字节
//  SCL低电平，SDA变换数据；SCL高电平，SDA保持数据稳定。放完1位后，释放SCL，拉低SCL，驱动时钟运转
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
    uint8_t i;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        MyI2C_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));//  首先趁SCL低电平，把Byte的最高位放在SDA线上。下一轮就是把次高位放在SDA线上
        //  取Byte最高位为Byte&0x80，取次高位为Byte&0x40...在循环中，使用右移i位即可实现按位与数值的变换
        MyI2C_W_SCL(1);//   再释放SCL。释放后从机会立刻把SDA的数据读走
        MyI2C_W_SCL(0);//   拉低SCL
    }
}

//  4、接收一个字节
//  SCL低电平，从机把数据放到SDA上，为了防止主机干扰从机写入数据，主机需要先释放SDA，释放SDA也相当于切换为输入模式
//  然后主机在SCL高电平期间读取SDA，再拉低SCL。这样重复8次，主机就能读到一个字节了。
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void)
{
    uint8_t i, Byte = 0x00;
    MyI2C_W_SDA(1);//   主机释放SDA
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        MyI2C_W_SCL(1);//   主机释放SCL
        if(MyI2C_R_SDA() == 1)//    主机读取数据
        {
            Byte |= (0x80 >> i);// 如果读取到1，就从高到低把Byte对应位置1
        }
        MyI2C_W_SCL(0);//   读取1位后拉低SCL，这时从机会把下一位数据放到SDA上
    }
    return Byte;
}

//  5、发送应答
//  其实就是发送一个字节的简化
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{
    MyI2C_W_SDA(AckBit);//  函数进入时，SCL低电平，主机把AckBit放到SDA上
    MyI2C_W_SCL(1);//   再释放SCL。从机读取应答
    MyI2C_W_SCL(0);//   拉低SCL，进入下一个时序单元
}

//  6、接收应答
//  其实就是接收一个字节的简化
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void)
{
    uint8_t AckBit;
    MyI2C_W_SDA(1);//   函数进入时SCL低电平，主机释放SDA防止干扰从机。同时，从机把应答位放在SDA上
    MyI2C_W_SCL(1);//   主机释放SCL，读取应答位
    AckBit = MyI2C_R_SDA();
    MyI2C_W_SCL(0);//   读取后拉低SCL，进入下一个时序单元
    return AckBit;
}

MyI2C.h

cpp 复制代码 
#ifndef __MYI2C_H
#define __MYI2C_H

void MyI2C_Init(void);
void MyI2C_Start(void);
void MyI2C_Stop(void);
void MyI2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t MyI2C_ReceiveByte(void);
void MyI2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t MyI2C_ReceiveAck(void);

#endif

MPU6050.c

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MyI2C.h"
#include "MPU6050_Reg.h"

#define MPU6050_ADDRESS 0xD0

// 指定地址写
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
    MyI2C_Start();
    MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);// 发送从机地址+读写位
    MyI2C_ReceiveAck();//   接收应答
    MyI2C_SendByte(RegAddress);//   指定寄存器地址
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_SendByte(Data);//   发送写入指定寄存器地址下的数据
    MyI2C_ReceiveAck();
    MyI2C_Stop();
}

//  指定地址读
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
    uint8_t Data;
    
    MyI2C_Start();
    MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);// 发送从机地址+读写位
    MyI2C_ReceiveAck();//   接收应答
    MyI2C_SendByte(RegAddress);//   指定寄存器地址
    MyI2C_ReceiveAck();
    
    MyI2C_Start();//    重复起始条件
    MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0xD1);//   读写位1，读出数据
    MyI2C_ReceiveAck();
    Data = MyI2C_ReceiveByte();//   从机发送数据，主机接收数据
    MyI2C_SendAck(1);//  这里只想要1个字节，所以不给从机应答
    MyI2C_Stop();
    
    return Data;
}

void MPU6050_Init(void)
{
    MyI2C_Init();
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01);//   配置PWR_MGMT_1寄存器，解除睡眠，选择X轴陀螺仪时钟
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00);
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09);//   采样率分频，决定了数据输出的快慢。10分频
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);//   数字低通滤波器给110
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18);//  陀螺仪配置，选择最大量程11
    MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18);// 加速度计配置，选择最大量程11
    
}

uint8_t MPU6050_GetID(void)
{
    return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}

//  由于需要返回6个变量，使用指针的地址传递
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
                        int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ)
{
    uint8_t Data_H, Data_L;
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);//    加速度寄存器X轴高8位
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);
    *AccX = (Data_H << 8) | Data_L;//   加速度计X轴的16位数据
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);
    *AccY = (Data_H << 8) | Data_L;
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);
    *AccZ = (Data_H << 8) | Data_L;
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);//    陀螺仪寄存器X轴高8位
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);
    *GyroX = (Data_H << 8) | Data_L;//   陀螺仪X轴的16位数据
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);
    *GyroY = (Data_H << 8) | Data_L;
    
    Data_H = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);
    Data_L = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);
    *GyroZ = (Data_H << 8) | Data_L;
}

MPU6050.h

cpp 复制代码 
#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H

void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);

void MPU6050_Init(void);
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
                        int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);
uint8_t MPU6050_GetID(void);

#endif

MPU6050_Reg.h

cpp 复制代码 
#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H

#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C

#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48

#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
#define	MPU6050_PWR_MGMT_2		0x6C
#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75

#endif

main.c

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device 
#include "Delay.h"
#include "MPU6050.h"

int16_t AX, AY, AZ, GX, GY, GZ;

int main(void)
{
    OLED_Init();
    MPU6050_Init();
    
    OLED_ShowString(1, 1, "ID:");
    OLED_ShowHexNum(1, 4, MPU6050_GetID(), 2);
    
    OLED_ShowString(1, 7, "Acc|Gyro");
    OLED_ShowString(2, 1, "X       |");
    OLED_ShowString(3, 1, "Y       |");
    OLED_ShowString(4, 1, "Z       |");
    
    while(1)
    {
        MPU6050_GetData(&AX, &AY, &AZ, &GX, &GY, &GZ);
        OLED_ShowSignedNum(2, 3, AX, 5);
        OLED_ShowSignedNum(3, 3, AY, 5);
        OLED_ShowSignedNum(4, 3, AZ, 5);
        OLED_ShowSignedNum(2, 10, GX, 5);
        OLED_ShowSignedNum(3, 10, GY, 5);
        OLED_ShowSignedNum(4, 10, GZ, 5);
    }
}

其他引用的头文件和c代码可在此处查阅：Delay.h（【江协STM32】3-2 LED闪烁&LED流水灯&蜂鸣器，第1.3节）

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