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ESP32 - 读取mpu6050原始数据

2024-06-26


  • 硬件

  • I2C

  • MPU6050的相关名词

  • MPU6050 配置

    • 1 WHO_AM_I

    • 2 Power Management 1

    • 3 Configuration

    • 4 SMPRT_DIV

    • 5 Gyroscope Configuration

    • 6 Accelerometer Configuration

  • 读取原始数据

    • 7 Temperature Measurement

    • 8 Gyroscope Measurements

    • 9 Accelerometer Measurements

  • 其他自认为有用的寄存器

    • 9  FIFO Enable

    • 10  Interrupt Enable

    • 11 User Control

  • 读取结果

  • 下一步计划

说来也惭愧，自己还没有根据过DataSheed进行开发，一般都是直接在网上搜索代码，然后挑一个能看懂的代码使。或者，直接使用厂家提供的demo进行下一步动作。这次想利用常见的MPU6050，通过查看DataSheed进行配置，实现获取温度、陀螺仪、加速度值。

硬件


引脚说明：

引脚说明
VCC电源端，mpu6050自带稳压芯片，因此接受5V和3.3V供电
GND电源地
SCLI2C时钟线
SDAI2C数据线
XDA外接设备的数据线
XCL外接设备的时钟线
ADOmpu6050设备地址控制，ADO=1，地址为0x69， ADO=0或者悬空，地址为0x68
INT中断引脚：一旦mpu6050有数据输出时，该引脚有相应的电平信号，可以用于保持MPU信号的实时性

和ESP32的连接

MPU6050ESP32
VCC3.3V
GNDGND
SCL2
SDA18
XDA未接
XCL未接
ADO悬空
INT未接

I2C

I2C数据帧


  • 起始位：SCL高电平，SDA下降沿；
  • 设备地址：7位；
  • 读写位：0：主设备向从设备写数据，1：主设备向从设备读数据；
  • 应答信号：从设备应答，从设备正常应答时，SDA为低电平，从设备忙或者其他情况，SDA为高电平；
  • 寄存器地址：8位；
  • 应答信号：
  • 数据：写入寄存器数据（8位）；
  • 停止位：SCL高电平，SDA上升沿；

ESP-idf提供I2C驱动程序，因此I2C的配置比较简单。

步骤：

  • 配置驱动程序：设置初始化参数（如主机模式或从机模式，SDA 和 SCL 使用的 GPIO 管脚，时钟速度等），使用结构体i2c_config_t conf
  • 安装驱动程序：激活一个 I2C 控制器的驱动，该控制器可为主机也可为从机；使用函数i2c_driver_install()
    • #define I2C_MASTER_SCL_IO           8       // 时钟线
    #define I2C_MASTER_SDA_IO           18      // 数据线
    #define I2C_MASTER_NUM              0       // I2C master i2c port number
    #define I2C_MASTER_FREQ_HZ          400000  // I2C频率                 
    #define I2C_MASTER_TX_BUF_DISABLE   0       /*!< I2C master doesn't need buffer */
    #define I2C_MASTER_RX_BUF_DISABLE   0       /*!< I2C master doesn't need buffer */

    esp_err_t i2c_master_init(void)
    {
        int i2c_master_port = I2C_MASTER_NUM;
        i2c_config_t conf = {
            .mode = I2C_MODE_MASTER,
            .sda_io_num = I2C_MASTER_SDA_IO,
            .scl_io_num = I2C_MASTER_SCL_IO,
            .sda_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
            .scl_pullup_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
            .master.clk_speed = I2C_MASTER_FREQ_HZ,
        };

        i2c_param_config(i2c_master_port, &conf);

        return i2c_driver_install(i2c_master_port, conf.mode, I2C_MASTER_RX_BUF_DISABLE, I2C_MASTER_TX_BUF_DISABLE, 0);
    }

    MPU6050的相关名词

    • 陀螺仪：测量的是绕xyz轴转动的角速度，单位：Degree Per Second的缩写°/S ；

    • 加速度：测量的是xyz方向受到的加速度，静止状态下，三个方向的合加速度为重力加速度；

    • DMP：Digital Motion Processor，直接输出四元数，并非完全开源；

    • 四元数：四元数可以方便的表示3维空间的旋转。基本形式：，一个实部和三个虚部；

    • 欧拉角：pitch：俯仰（绕y轴旋转）、roll滚动（绕X轴旋转）：、yaw：偏航（绕Z轴旋转）的表示形式，方便观察姿态。不过存在死锁现象；

    MPU6050 配置

    MPU6050配置主要根据DataSheed配置相关寄存器来。

    配置的核心代码：

    #define MPU_DEVICE_ID_REG  0X75 //器件ID寄存器
    #define MPU_PWR_MGMT1_REG  0X6B //电源管理寄存器1
    #define MPU_CFG_REG    0X1A //配置寄存器
    #define MPU_SAMPLE_RATE_REG  0X19 //采样频率分频器
    #define MPU_GYRO_CFG_REG  0X1B //陀螺仪配置寄存器
    #define MPU_ACCEL_CFG_REG  0X1C //加速度计配置寄存器

     /*读取设备ID，判断I2C通信是否正常*/
        ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_read(MPU_DEVICE_ID_REG, data, 1));
        ESP_LOGI(TAG, "WHO_AM_I = %X", data[0]);
        /*重置设备*/
        ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0x80));
        vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);
        /*禁用睡眠模式，选择X轴陀螺仪为时钟源*/
         ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0x01));
        /*配置数字低通滤波器，带宽为5，陀螺仪输出频率为1kHz*/
        ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_CFG_REG, 0x06));
        /*配置采样频率:50Hz*/
        ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_SAMPLE_RATE_REG, 19));
        /*配置陀螺仪量程:± 2000 °/s, 不自检*/
        ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_GYRO_CFG_REG, 0x18));
        /*配置加速度计量程: ± 16g， 不自检*/
        ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_ACCEL_CFG_REG, 0x18));

    1 WHO_AM_I

    读取mpu6050的ID；默认为0x68，可以用来验证IIC底层是否配置好。其最后一位由ADO决定。如果ADO=1，寄存器的的值为0x69，否则为0x68；

    ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_read(MPU_DEVICE_ID_REG, data, 1));

    2 Power Management 1

    配置电源和时钟源，用于重置设备和禁用温度传感器；

    /*重置设备*/
    ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0x80));
    vTaskDelay(100 / portTICK_PERIOD_MS);
    /*禁用睡眠模式，选择X轴陀螺仪为时钟源*/
    ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0x01));

    • 参数：
    参数描述
    DEVICE_RESET为1：所有寄存器重置为默认值
    SLEEP为1：进入休眠模式
    CYCLESLEEP=0 && CYCLE = 1 MPU在休眠和唤醒中循环，循环周期由LP_WAKE_CTRL（寄存器108）来确定
    TEMP_DIS为1：禁用温度传感器
    CLKSEL指定时钟源
    CLKSEL描述
    0使用内部时钟源：8MHz
    1X轴陀螺仪作为参考（一般选择）
    2y轴陀螺仪作为参考
    3Z轴陀螺仪作为参考
    4使用外部时钟源：32.768MHz
    5使用外部时钟源：19.2MHz
    6保留
    7停用时钟源，定时器复位

    一般配置:

  • 重置寄存器，Bit7 = 1，所以，Power_Management_1 = 0x80；
  • 解除休眠，时钟源设置为X轴，Bit0=1：Power_Management_1 = 0x01；

    • 注意：重置寄存器后SLEEP自动为1， 所以必须解除休眠，否则没有数据输出。

    3 Configuration

    /*配置数字低通滤波器，带宽为5，陀螺仪输出频率为1kHz*/
     ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_CFG_REG, 0x06));

    主要用于配置数字低通滤波器（DLPF_CFG）,确定陀螺仪的输出频率。

    如果启用数字低通滤波器（DLPF_CFG != 0 orDLPF_CFG != 7 ），则陀螺仪的采样频率只能为1KHz，

    配置：

    • Bit2 =1 and Bit1 = 1，所以，Configuration = 0x06

    4 SMPRT_DIV

    /*配置采样频率:50Hz*/
    ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_SAMPLE_RATE_REG, 19));

    设置传感器的采样速率

    采样率陀螺仪输出频率

    陀螺仪的输出频率由DLPF_CFG （寄存器26）进行配置，目前陀螺仪输出频率配置为1KHz。

    配置：

    • 采样速率配置为50Hz，由知，SMPRT_DIV = 19

    5 Gyroscope Configuration

    是否启用自检和设置陀螺仪量程

     /*配置陀螺仪量程:± 2000 °/s, 不自检*/
     ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_GYRO_CFG_REG, 0x18));

    参数描述
    XG_ST为1，启动X轴陀螺仪自检
    YG_ST为1，启动y轴陀螺仪自检
    ZG_ST为1，启动Z轴陀螺仪自检
    FS_SEL设置陀螺仪量程

    自检：简单理解为重新设置零位（有可能理解不对）。

    量程设置

    FS_SEL满量程LSB灵敏度
    0± 250 °/s131 LSB/°/s
    1± 500 °/s65.5 LSB/°/s
    2± 1000 °/s32.8 LSB/°/s
    3± 2000 °/s16.4 LSB/°/s

    设置：

    • 一般设置为不自检，最大满量程：Bit4 = 1 & Bit3 = 1, 所以Gyroscope Configuration = 0x18

    6 Accelerometer Configuration

    配置加速度是否自检和量程范围

     /*配置加速度计量程: ± 16g， 不自检*/
     ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_register_write_byte(MPU_ACCEL_CFG_REG, 0x18));

    参数描述
    XA_ST为1，启动X轴加速度自检
    YA_ST为1，启动y轴加速度自检
    ZA_ST为1，启动Z轴加速度自检
    AFS_SEL设置加速度量程

    量程设置

    AFS_SEL满量程LSB灵敏度
    0± 2g16384 LSB/mg
    1± 4g8192 LSB/mg
    2± 8g4096 LSB/mg
    3± 16g2048 LSB/mg

    设置：

    • 一般设置为不自检，最大满量程：Bit4 = 1 & Bit3 = 1, 所以Gyroscope Configuration = 0x18

    读取原始数据

    以下代码读取温度，陀螺仪，加速度计的原始数据

    /**
    * @brief 读取温度值
    */
    esp_err_t mpu6050_get_temperature(float *temp)
    {
        int ret;
        uint8_t data[2];
        int16_t raw;
        ret = mpu6050_register_read(MPU_TEMP_OUTH_REG, data, 2);
        raw = (int16_t)((data[0] << 8) + data[1]);
        *temp = 36.53 + raw/340.0;
        return ret;
    }
    /**
     * @brief 读取陀螺仪值
    */
    esp_err_t mpu6050_get_gyroscope(float *gxyz)
    {
        int ret;
        uint8_t data[6];
        int16_t raw_gxyz[3];
        float LSB[4] = {131.0, 65.5, 32.8, 16.4};
        /*读取原始数据*/
        ret = mpu6050_register_read(MPU_GYRO_XOUTH_REG, data, 6);
        if (ret == ESP_OK)
        {
            /*转化原始数据*/
            raw_gxyz[0] = (int16_t)((data[0] << 8) + data[1]);
            raw_gxyz[1] = (int16_t)((data[2] << 8) + data[3]);
            raw_gxyz[2] = (int16_t)((data[4] << 8) + data[5]);
        }
        /*读取量程*/
        ret = mpu6050_register_read(MPU_GYRO_CFG_REG, data, 1);
            
        if (ret == ESP_OK)
        {
            uint8_t a = (data[0] & 0X18) >> 3;
            printf("ga = %d\n", a);
            // 实际值
            for (uint8_t i = 0; i < 3; i++)
            {
                gxyz[i] =raw_gxyz[i] / LSB[a];
            }
        }
        
        return ret; 
    }
    /**
     * @brief 读取加速度值
    */
    esp_err_t mpu6050_get_accelerometer(float *axyz)
    {
        int ret;
        uint8_t data[6];
        int16_t raw_axyz[3];
        float LSB[4] = {16384.0, 8192.0, 4096.0, 2048.0};
        /*原始值*/
        ret = mpu6050_register_read(MPU_ACCEL_XOUTH_REG, data, 6);
        if (ret == ESP_OK)
        {
            raw_axyz[0] = (int16_t)((data[0] << 8) + data[1]);
            raw_axyz[1] = (int16_t)((data[2] << 8) + data[3]);
            raw_axyz[2] = (int16_t)((data[4] << 8) + data[5]);
        }
        /*读取量程*/
        ret = mpu6050_register_read(MPU_ACCEL_CFG_REG, data, 1);
        if (ret == ESP_OK)
        {
            uint8_t a = (data[0] & 0X18) >> 3 ;
            printf("aa = %d\n", a);
            /*转化为实际值*/
            for (uint8_t i = 0; i < 3; i++)
            {
                axyz[i] =raw_axyz[i] / LSB[a];
            }
            
        }
        return ret; 
    }

    7 Temperature Measurement

    读取温度的值

    函数esp_err_t mpu6050_get_temperature(float *temp)

    寄存器

    每个数据由两个寄存器组成，数据更新速度由寄存器25的采样速度控制。

    和实际温度的转化关系： *temp = 36.53 + raw/340.0;没有在手册中查到，抄别人的代码。

    8 Gyroscope Measurements

    读取陀螺仪的数据

    esp_err_t mpu6050_get_gyroscope(float *gxyz)

    寄存器：

    每个数据由两个寄存器组成，数据更新速度由寄存器25的采样速度控制

    由于XYZ的数据连续，所以直接读了6个值，并根据LSB转化为实际值。

    9 Accelerometer Measurements

    读取加速度的值

    esp_err_t mpu6050_get_accelerometer(float *axyz)

    每个数据由两个寄存器组成，数据更新速度由寄存器25的采样速度控制。

    由于XYZ的数据连续，所以直接读了6个值，并根据LSB转化为实际值。

    其他自认为有用的寄存器

    9  FIFO Enable

    • 描述：决定哪些寄存器的数据会被放入缓冲器中
    参数描述
    TEMP_FIFO_EN温度传感器
    XG_FIFO_EN、YG_FIFO_EN、ZG_FIFO_EN陀螺仪输出的寄存器
    ACCEL_FIFO_EN加速度输出的寄存器
    ...后面三个未做了解

    10  Interrupt Enable

    • 描述，是否使能相应中断

    11 User Control

    • 描述：配置是否启用FIFO，IIC的主从，重置FIFO和传感器
    参数描述
    FIFO_EN使能FIFO
    I2C_MST_EN使能i2c为主模式
    I2C_IF_DIS禁用I2c，启用SPI
    FIFO_RESET重置FIFO
    I2C_MST_RESET重置I2C主模式，重置以后自动变为0
    SIG_COND_RESET重置所有传感器

    读取结果

    将MPU6050静止平放在桌面上，获取连续3秒的数据。

      while (1)
        {
            ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_get_temperature(&temp));
            ESP_LOGI(TAG, "temp = %.2f", temp);
            ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_get_gyroscope(gxyz));
            ESP_LOGI(TAG, "gx = %.2f\t gy = %.2f\t gz = %.2f", gxyz[0], gxyz[1], gxyz[2]);
            ESP_ERROR_CHECK(mpu6050_get_accelerometer(axyz));
             ESP_LOGI(TAG, "ax = %.2f\t ay = %.2f\t az = %.2f", axyz[0], axyz[1], axyz[2]);
            vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
        }

    读取周期为1S

    I (6415) mpu6050-example: temp = 25.52
    I (6415) mpu6050-example: gx = -4.21     gy = -0.49      gz = -1.59
    I (6415) mpu6050-example: ax = 0.11      ay = 0.03       az = 1.03
    I (7415) mpu6050-example: temp = 25.55
    I (7415) mpu6050-example: gx = -4.21     gy = -0.49      gz = -1.59
    I (7415) mpu6050-example: ax = 0.11      ay = 0.03       az = 1.04
    I (8415) mpu6050-example: temp = 25.55
    I (8415) mpu6050-example: gx = -4.21     gy = -0.49      gz = -1.59
    I (8415) mpu6050-example: ax = 0.11      ay = 0.03       az = 1.04

    定性分析：

    • 温度：芯片摸着不发烫，25度左右算正常；
    • 陀螺仪：理论上禁止，陀螺仪的数据应该为0，但是实际上存在一点数据，原因为止；
    • 加速度计：静止时，加速度的合力应该为9.8，目前合力估计为10左右，说明读取的数据基本正常。

    从定性分析的角度来说，根据datasheed配置应该没有错。

    下一步计划

    原始数据意义不大，纯粹用于学习。后面将进一步融合获取欧拉角。

    • 使用MDP融合；
    • 使用卡尔曼滤波融合；

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