正点stm32f407探索者开发板使用HAL库通过I2C协议配置并读取MPU6050（基础向）

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参考资料：[1]，[2]，正点原子资料下载中心->stm32f407探索者开发板：资料A盘:Explorer STM32F4_V2.2_SCH.pdf,探索者IO引脚分配表.xlsx,5，MPU6050资料.rar；

文章内容仅供参考；

MPU6050简述
MPU6050的封装
I2C的函数操作
配置过程寄存器操作内容
读取部分寄存器操作内容
一些数据验证

通过STM32f07ZG芯片通过i2c协议向MPU6050的寄存器写数据来配置传感器，并通过该协议读取传感器读数；

MPU6050简述

在这篇文章中，主要用到了MPU6050集成的3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度计；
其中陀螺仪的测量值是正比于角速度，不难理解，也可以方便地直接转换为国际单位制（如何转换下文详述）；
对于加速度传感器的测量值，我们可以引入如下模型
在这里插入图片描述

若我使传感器在地表以1g的加速度竖直向上加速，那么传感器的示数应为Z=-2g ；
其测量值即为墙壁对小球造成的加速度，具体表现为小球所受重力加速度与小球与地面加速度的矢量和。同样，测量值与SI（国际单位制）也需要正比换算；

MPU6050的封装

在这里插入图片描述
我们可以观察到AD0针脚接地，根据AD0电平与传感器Slave地址的关系

我们可以得知传感器的从机地址为0x68；
我们结合
可知I2C的两条线连接到了芯片的PB8和PB9引脚，我们可以将这两条引脚设置为I2C1；

I2C的函数操作

在这里插入图片描述
在这里我们用到的是这两个函数，内容是以阻塞模式将一定量的数据写入特定的内存地址/以阻塞模式从特定的内存地址读取一定量的数据；
函数参数如下（以读从机函数为例）：

第一个值是指向包含指定 I2C 的配置信息的 I2C_HandleTypeDef 结构的指针，这部分是配置完.ioc文件后CubeMAX自动生成的，具体取决于使用的I2C编号，此处即为&hi2c1
在这里插入图片描述
第二个值为七位目标设备地址，注意使用时还需要左移一位，也就是上面提到的0x68；
第三个值为内存地址，即从机上的寄存器地址，地址的值需要查询寄存器分配表；
第四个值为内存地址长度，每8位二进制数为1，在这篇文章中均为1；
第五个值为接收数据的地址，指向要发送的数据；
第六个值为要接收的数据量，每8位二进制数为1；
第七个值为超时时间，如果超时未收到应答信号，则会在返回值中体现出来，单位毫秒（1000ms=1s）；
返回值定义如下（自动生成）：
在这里插入图片描述
写从机函数的第五、六个值变成了指向要发送数据的指针和要发送的数据量，和读从机函数细节相同；

配置过程寄存器操作内容

代码会在最后附上
在这里插入图片描述

上图的一些名称不是标准命名，仅供参考

重置MPU6050

在这里插入图片描述
将MPU_PWR_MGMT1_REG(0x6B)寄存器Bit7写为1，并延时适当时间等待复位；

1
2
3

valu=0x80;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_PWR_MGMT1_REG,1,&valu,1,100);// Reset MPU6050
HAL_Delay(100);

唤醒MPU6050并配置时钟源

将MPU_PWR_MGMT1_REG(0x6B)寄存器Bit6位写为0，Bit210设置为001，即将时钟源定位X轴角速度计；；

1 2	`valu=0x01; stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_PWR_MGMT1_REG,1,&valu,1,100);// Awaken MPU6050 &Set clock as PLL X`

关闭所有中断

在这里插入图片描述
在这个简单实验中不需要配置这部分；
将MPU_INT_EN_REG(0x38)寄存器Bit0347均置为1；

1 2	`valu=0x00; stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_INT_EN_REG,1,&valu,1,100);// Close all interrupts`

失能FIFO并关闭传感器i2c主机模式

在这里插入图片描述
将MPU_USER_CTRL_REG(0x6A)寄存器Bit654写0；

1 2	`valu=0x00; stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_USER_CTRL_REG,1,&valu,1,100);// Turn off IIC host mode and FIFO`

无数据需要写入FIFO

在这里插入图片描述

使MPU_FIFO_EN_REG(0x23)寄存器均为0即可；

1 2	`valu=0x00; stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_FIFO_EN_REG,1,&valu,1,100);// No sensors were added to the FIFO`

关闭传感器待机模式

在这里插入图片描述

将MPU_PWR_MGMT2_REG(0x6C)寄存器Bit543210位均置0；

1 2	`valu=0x00; stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_PWR_MGMT2_REG,1,&valu,1,100);// Awaken sensor`

配置陀螺仪和加速度计

在这里插入图片描述

本次简单实验不需要自检，选择量程即可；
将MPU_ACCEL_CFG(0x1C)寄存器和MPU_GYRO_CFG(0X1B)寄存器的Bit43均设置为1（选择最大量程）；

1
2
3

valu=0x18;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_ACCEL_CFG,1,&valu,1,100);// Accelerometer configuration
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_GYRO_CFG,1,&valu,1,100);// Gyroscope configuration

配置数字低通滤波器

这里选择相对均衡的配置，即将MPU_CONFIGURATION(0x1A)的Bit210配置为011；

1 2	`valu=0x03; stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_CONFIGURATION,1,&valu,1,100);// Select sampling rate`

配置输出率

在这里插入图片描述

根据上式，MPLRT写0即可，将MPU_RATE_DIVIDER(0x19)寄存器所有位写0；

1 2	`valu=0x00; stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_RATE_DIVIDER,1,&valu,1,100);// Select output rate`

配置部分代码一览

#define MPU_PWR_MGMT1_REG		0X6B
#define MPU_PWR_MGMT2_REG		0X6C
#define MPU_INT_EN_REG			0X38
#define MPU_USER_CTRL_REG		0X6A
#define MPU_FIFO_EN_REG			0X23
#define MPU_DEVICE_ID_REG		0X75
#define MPU_ACCEL_XOUTH_REG	    0X3B
#define MPU_GYRO_XOUTH_REG  	0X43
#define MPU_ACCEL_CFG       	0X1C
#define MPU_GYRO_CFG        	0X1B
#define MPU_RATE_DIVIDER    	0X19
#define MPU_CONFIGURATION   	0X1A

HAL_StatusTypeDef stat;
uint8_t valu=0x80;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_PWR_MGMT1_REG,1,&valu,1,100);// Reset MPU6050
HAL_Delay(100);
valu=0x01;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_PWR_MGMT1_REG,1,&valu,1,100);// Awaken MPU6050 &Set clock as PLL X
valu=0x00;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_INT_EN_REG,1,&valu,1,100);// Close all interrupts
valu=0x00;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_USER_CTRL_REG,1,&valu,1,100);// Turn off IIC host mode and FIFO
valu=0x00;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_FIFO_EN_REG,1,&valu,1,100);// No sensors were added to the FIFO
valu=0x00;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_PWR_MGMT2_REG,1,&valu,1,100);// Awaken sensor
valu=0x18;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_ACCEL_CFG,1,&valu,1,100);// Accelerometer configuration
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_GYRO_CFG,1,&valu,1,100);// Gyroscope configuration
valu=0x03;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_CONFIGURATION,1,&valu,1,100);// Select sampling rate
valu=0x00;
stat=HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1,0x68<<1,MPU_RATE_DIVIDER,1,&valu,1,100);// Select output rate

读取部分寄存器操作内容

在这里插入图片描述

按地址读取测量值即可；
接收之后需要把数据处理成16位有符号整数。

#define MPU_ACCEL_XOUTH_REG	0X3B
#define MPU_GYRO_XOUTH_REG  0X43
int16_t data16A[3],data16G[3];
uint8_t dataACCEL[6],dataGYRO[6];

stat=HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x68<<1,MPU_ACCEL_XOUTH_REG, 1, dataACCEL,6, 100);
stat=HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0x68<<1,MPU_GYRO_XOUTH_REG, 1, dataGYRO,6, 100);
for(int8_t i=0;i<3;i++)
	data16G[i]=(((uint16_t)dataGYRO[2*i])<<8)|dataGYRO[2*i+1],
	data16A[i]=(((uint16_t)dataACCEL[2*i])<<8)|dataACCEL[2*i+1];

此时data16·[i]中存储的并不是SI下的数据：
对于陀螺仪，如果内存数字为X，则有 $X=w\cdot \text{LSB}_{ACCEL}$ ，w的单位即为°/s；
对于加速度计，如果内存的数字为X，则有 $X=a\cdot \text{LSB}_{GYRO}$ ，a的单位为g（约9.8m/s²），需要注意，加速度值并不是物体相对于地面的加速度值，而是该值与重力加速度的矢量和；
对于LSB的值可以依照所选量程对照上表可得；

一些数据验证

我在不同角度下静置开发板，并通过U5的调试模式下以10Hz左右读取了100组加速度计测量值（data16A[i]）的平均值，定义函数

$f([a_1,a_2,a_3])=\sqrt{a_1^2+a_2^2+a_3^2}$

绘制下表：

组数	a1	a2	a3	f([a1,a2,a3])
1	-1.81	51.35	2039.58	2040.23
2	385.66	47.98	2004.43	2041.76
3	1385.47	168.05	1488.20	2040.22
4	-2068.78	39.14	10.00	2069.19
5	2.99	2084.68	-59.76	2085.54

可以观察到，在误差允许范围内，均接近所选量程下最低分辨率的1g（2048LSB/g）；

嵌入式开发

正点stm32f407探索者开发板使用HAL库通过I2C协议配置并读取MPU6050（基础向）

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作者

F Juny

发布于

2022年4月18日

许可协议

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