22. I2C—读取MPU6050寄存器¶
本章参考资料：《dm00327659-stm32mp157-advanced-armbased-32bit-mpus-stmicroelectronics》及《I2C总线协议》。
若对I2C通讯协议不了解，可先阅读《I2C总线协议》文档的内容学习。若想了解SMBUS，可阅读《smbus20》文档。
22.1. I2C协议简介¶
I2C 通讯协议(Inter－Integrated Circuit)是由Phiilps公司开发的，由于它引脚少，硬件实现简单，可扩展性强，不需要USART、CAN等通讯协议的外部收发设备， 现在被广泛地使用在系统内多个集成电路(IC)间的通讯。
下面我们分别对I2C协议的物理层及协议层进行讲解。
22.1.1. I2C物理层¶
I2C通讯设备之间的常用连接方式见图 常见的I2C通讯系统 。
它的物理层有如下特点：
(1) 它是一个支持多设备的总线。“总线”指多个设备共用的信号线。在一个I2C通讯总线中，可连接多个I2C通讯设备，支持多个通讯主机及多个通讯从机。
(2) 一个I2C总线只使用两条总线线路，一条双向串行数据线(SDA) ，一条串行时钟线 (SCL)。数据线即用来表示数据，时钟线用于数据收发同步。
(3) 每个连接到总线的设备都有一个独立的地址，主机可以利用这个地址进行不同设备之间的访问。
(4) 总线通过上拉电阻接到电源。当I2C设备空闲时，会输出高阻态，而当所有设备都空闲，都输出高阻态时，由上拉电阻把总线拉成高电平。
(5) 多个主机同时使用总线时，为了防止数据冲突，会利用仲裁方式决定由哪个设备占用总线。
(6) 具有三种传输模式：标准模式传输速率为100kbit/s ，快速模式为400kbit/s ，高速模式下可达1Mbit/s，但目前大多I2C设备尚不支持高速模式。
(7) 连接到相同总线的 IC 数量受到总线的最大电容 400pF 限制 。
22.1.2. 协议层¶
I2C的协议定义了通讯的起始和停止信号、数据有效性、响应、仲裁、时钟同步和地址广播等环节。
22.1.2.1. I2C基本读写过程¶
先看看I2C通讯过程的基本结构，它的通讯过程见图 主机写数据到从机 、图 主机由从机中读数据 及图 I2C通讯复合格式 。
这些图表示的是主机和从机通讯时，SDA线的数据包序列。
其中S表示由主机的I2C接口产生的传输起始信号(S)，这时连接到I2C总线上的所有从机都会接收到这个信号。
起始信号产生后，所有从机就开始等待主机紧接下来广播 的从机地址信号 (SLAVE_ADDRESS)。在I2C总线上，每个设备的地址都是唯一的， 当主机广播的地址与某个设备地址相同时，这个设备就被选中了，没被选中的设备将会忽略之后的数据信号。根据I2C协议，这个从机地址可以是*7位*或10位。
在地址位之后，是传输方向的选择位，该位为0时，表示后面的数据传输方向是由主机传输至从机，即主机向从机写数据。该位为1时，则相反，即主机由从机读数据。
从机接收到匹配的地址后，主机或从机会返回一个应答(ACK)或非应答(NACK)信号，只有接收到应答信号后，主机才能继续发送或接收数据。
若配置的方向传输位为“写数据”方向，即第一幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，主机开始正式向从机传输数据(DATA)， 数据包的大小为8位，主机每发送完一个字节数据，都要等待从机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以向从机传输N个数据，这个N没有大小限制。 当数据传输结束时，主机向从机发送一个停止传输信号(P)，表示不再传输数据。
若配置的方向传输位为“读数据”方向，即第二幅图的情况，广播完地址，接收到应答信号后，从机开始向主机返回数据(DATA)， 数据包大小也为8位，从机每发送完一个数据，都会等待主机的应答信号(ACK)，重复这个过程，可以返回N个数据，这个N也没有大小限制。 当主机希望停止接收数据时，就向从机返回一个非应答信号(NACK)，则从机自动停止数据传输。
除了基本的读写，I2C通讯更常用的是复合格式，即第三幅图的情况，该传输过程有两次起始信号(S)。一般在第一次传输中，主机通过SLAVE_ADDRESS寻找到从设备后， 发送一段“数据”，这段数据通常用于表示从设备内部的寄存器或存储器地址(注意区分它与SLAVE_ADDRESS的区别)；在第二次的传输中，对该地址的内容进行读或写。 也就是说，第一次通讯是告诉从机读写地址，第二次则是读写的实际内容。
以上通讯流程中包含的各个信号分解如下：
22.1.2.2. 通讯的起始和停止信号¶
前文中提到的起始(S)和停止(P)信号是两种特殊的状态，见图 起始和停止信号 。当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换，这个情况表示通讯的起始。 当 SCL 是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换，表示通讯的停止。起始和停止信号一般由主机产生。
22.1.2.3. 数据有效性¶
I2C使用SDA信号线来传输数据，使用SCL信号线进行数据同步。见图 数据有效性 。SDA数据线在SCL的每个时钟周期传输一位数据。传输时， SCL为高电平的时候SDA表示的数据有效，即此时的SDA为高电平时表示数据“1”，为低电平时表示数据“0”。当SCL为低电平时，SDA的数据无效， 一般在这个时候SDA进行电平切换，为下一次表示数据做好准备。
每次数据传输都以字节为单位，每次传输的字节数不受限制。
22.1.2.4. 地址及数据方向¶
I2C总线上的每个设备都有自己的独立地址，主机发起通讯时，通过SDA信号线发送设备地址(SLAVE_ADDRESS)来查找从机。I2C协议规定设备地址可以是7位或10位， 实际中7位的地址应用比较广泛。紧跟设备地址的一个数据位用来表示数据传输方向，它是数据方向位(R/)，第8位或第11位。 数据方向位为“1”时表示主机由从机读数据，该位为“0”时表示主机向从机写数据。见图 设备地址及数据传输方向 。
读数据方向时，主机会释放对SDA信号线的控制，由从机控制SDA信号线，主机接收信号，写数据方向时，SDA由主机控制，从机接收信号。
22.1.2.5. 响应¶
I2C的数据和地址传输都带响应。响应包括“应答(ACK)”和“非应答(NACK)”两种信号。作为数据接收端时，当设备(无论主从机)接收到I2C传输的一个字节数据或地址后， 若希望对方继续发送数据，则需要向对方发送“应答(ACK)”信号，发送方会继续发送下一个数据；若接收端希望结束数据传输，则向对方发送“非应答(NACK)”信号， 发送方接收到该信号后会产生一个停止信号，结束信号传输。见图 响应与非响应信号 。
传输时主机产生时钟，在第9个时钟时，数据发送端会释放SDA的控制权，由数据接收端控制SDA，若SDA为高电平，表示非应答信号(NACK)，低电平表示应答信号(ACK)。
22.2. STM32的I2C特性及架构¶
如果我们直接控制STM32的两个GPIO引脚，分别用作SCL及SDA，按照上述信号的时序要求，直接像控制LED灯那样控制引脚的输出(若是接收数据时则读取SDA电平)， 就可以实现I2C通讯。同样，假如我们按照USART的要求去控制引脚，也能实现USART通讯。所以只要遵守协议，就是标准的通讯，不管您如何实现它， 不管是ST生产的控制器还是ATMEL生产的存储器， 都能按通讯标准交互。
由于直接控制GPIO引脚电平产生通讯时序时，需要由CPU控制每个时刻的引脚状态，所以称之为“软件模拟协议”方式。
相对地，还有“硬件协议”方式，STM32的I2C片上外设专门负责实现I2C通讯协议，只要配置好该外设，它就会自动根据协议要求产生通讯信号， 收发数据并缓存起来，CPU只要检测该外设的状态和访问数据寄存器，就能完成数据收发。这种由硬件外设处理I2C协议的方式减轻了CPU的工作，且使软件设计更加简单。
22.2.1. STM32的I2C外设简介¶
STM32的I2C外设可用作通讯的主机及从机，支持标准速度模式（高达100Kbit/s）、快速模式（高达400Kbit/s）、超快速模式（高达1Mbit/s）， 支持7位、10位设备地址，支持DMA数据传输，并具有数据校验功能。它的I2C外设还支持SMBus2.0协议和PMBus1.1协议。SMBus协议与I2C类似， 主要应用于笔记本电脑的电池管理中，本教程不展开，感兴趣的读者可参考《SMBus2.0》文档了解。
22.2.2. STM32的I2C架构剖析¶
22.2.2.1. 通讯引脚¶
I2C的所有硬件架构都是根据图中左侧SCL线和SDA线展开的(其中的SMBA线用于SMBUS的警告信号，I2C通讯没有使用)。 STM32芯片有多个I2C外设，它们的I2C通讯信号引出到不同的GPIO引脚上，使用时必须配置到这些指定的引脚， 关于GPIO引脚的复用功能，可查阅《STM32MP1xx规格书》，以它为准。
22.2.2.2. 噪声滤波器¶
模拟噪声滤波器，集成于SDA和SCL的输入上，默认情况下是打开的，该模拟滤波器符合I2C规范，此规范要求在快速模式和超快速模式下对脉宽50ns以下的脉冲都要抑制。 可以通过将寄存器I2C_CR1的ANFOFF位置1，来关闭模拟噪声滤波器。注意该位只能在I2C禁止时（PE=0）时编程。
数字噪声滤波器，从框图可以看出它是SDA和SCL经过模拟噪声滤波器再进来的，通过配置 I2C_CR1 寄存器中的 DNF[3:0] 位来使能数字滤波器使能数字滤波器， 数字滤波器可滤除脉宽 DNF[3:0] *\(t_{I2CCLK}\)以下的尖峰，可滤除的噪声尖峰脉宽从 1 到15 个 I2CCLK 周期可编程。如果模拟滤波器已使能，数字滤波将叠加在模拟滤波之上。
22.2.2.3. 时钟源及要求¶
I2C 的时钟由独立时钟源提供，这使得 I2C 能够独立于 PCLK 频率工作。 该独立时钟源可从以下四种时钟源中任选其一：
PCLK1或PCLK5：APB1时钟（默认值）(I2C4,I2C6的时钟源为PCLK5，其他I2C时钟源为PCLK1)
HSI：高速内部振荡器
CSI：低功耗内部振荡器
PLL4R或PLL3Q：PLL时钟通过分频因子R得到的时钟(I2C4,I2C6的时钟源为PLL3Q，其他I2C时钟源为PLL4R)
I2C 内核的时钟由 I2CCLK 提供。I2CCLK 周期 \(t_{I2CCLK}\)必须遵循以下条件：
\(t_{I2CCLK} < (t_{\text{LOW}} - t_{\text{filters}})/4\) 且\(t_{I2CCLK} < t_{\text{HIGH}}\)
其中\(t_{\text{LOW}}\)为SCL低电平时间，\(t_{\text{HIGH}}\)为SCL高电平时间，\(t_{\text{filters}}\)为模拟和数字滤波器都使能时， 引入延时的总和。模拟滤波器延时最大值为 260ns。数字滤波器延时为 \({DNF*t}_{I2CCLK}\)。
PCLK时钟周期\(t_{\text{PCLK}} < 4/3t_{\text{SCL}}\)，其中，\(t_{\text{SCL}}\)为SCL周期。
当 I2C 内核的时钟由 PCLK 提供时， PCLK 必须遵循\(t_{I2CCLK}\)的条件。
22.2.2.4. I2C时钟控制¶
使用I2C必须配置时序，以便保证主模式和从模式下使用正确的数据保持和建立时间。 通过设置I2C_TIMINGR寄存器中的SCLH和SCLL位来配置I2C主时钟。 具体是指I2C_TIMINGR寄存器中的PRESC[3:0]、SCLDEL[3:0]和SDADEL[3:0]位。
22.2.2.5. 数据控制逻辑¶
I2C的SDA信号主要连接到数据移位寄存器上，数据移位寄存器的数据来源及目标是数据寄存器(DR)、地址寄存器(OAR)、PEC寄存器以及SDA数据线。 当向外发送数据的时候，数据移位寄存器以“数据寄存器”为数据源，把数据一位一位地通过SDA信号线发送出去；当从外部接收数据的时候， 数据移位寄存器把SDA信号线采样到的数据一位一位地存储到“数据寄存器”中。若使能了数据校验，接收到的数据会经过PCE计算器运算， 运算结果存储在“PEC寄存器”中。当STM32的I2C工作在从机模式的时候，接收到设备地址信号时， 数据移位寄存器会把接收到的地址与STM32的自身的“I2C地址寄存器”的值作比较，以便响应主机的寻址。 STM32的自身I2C地址可通过修改“自身地址寄存器”修改，支持同时使用两个I2C设备地址，两个地址分别存储在OAR1和OAR2中。
22.2.2.6. 整体控制逻辑¶
整体控制逻辑负责协调整个I2C外设，控制逻辑的工作模式根据我们配置的“控制寄存器(CR1/CR2)”的参数而改变。在外设工作时， 控制逻辑会根据外设的工作状态修改“状态寄存器(SR1和SR2)”，我们只要读取这些寄存器相关的寄存器位，就可以了解I2C的工作状态了。 除此之外，控制逻辑还根据要求，负责控制产生I2C中断信号、DMA请求及各种I2C的通讯信号(起始、停止、响应信号等)。
22.2.2.7. 低功耗唤醒功能控制¶
STM32MP157的6个I2C外设均支持从Stop模式（APB时钟被关闭的状态）下唤醒，以及所有的寻址模式。通过将I2C_CR1寄存器中的WUPEN位置1， 可以使能从Stop模式唤醒的功能。 i2c_ker_ck的时钟源必须选择HSI或CSI振荡器，内部振荡器用于地址接收，以允许从低功耗模式唤醒。 当地址匹配的时候，在CPU被唤醒的这个过程中，I2C的SCL为低电平，直到ADDR标志位被软件清0。之后，便可以正常通讯了。由于本章节不涉及这部分功能， 详细内容可参考《dm00327659-stm32mp157-advanced-armbased-32bit-mpus-stmicroelectronics》。
22.2.3. 通讯过程¶
使用I2C外设通讯时，在通讯的不同阶段它会对“状态寄存器(SR1及SR2)”的不同数据位写入参数，我们通过读取这些寄存器标志来了解通讯状态。
22.2.3.1. 主发送器¶
见图 主发送器通讯过程 。图中的是“主发送器”流程，即作为I2C通讯的主机端时，向外发送数据时的过程。
主发送器发送流程及事件说明如下：
(1) 控制产生起始信号(S)；
(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV1”，这时SR1寄存器的“ TXIS”位置1，表示发送数据寄存器为空；
(3) 以上步骤正常执行后，我们往I2C的“数据寄存器DR”写入要发送的数据，这时TXIS位会被重置0，表示数据寄存器非空， 2C外设通过SDA信号线一位位把数据发送出去后，又会产生“EV1”事件，即TXIS位被置1，重复这个过程，就可以发送多个字节数据了；
(4) 当我们发送数据完成后， 控制I2C设备产生一个停止信号(P)，表示通讯结束。
假如我们使能了I2C中断，以上所有事件产生时，都会产生I2C中断信号，进入同一个中断服务函数，到I2C中断服务程序后，再通过检查寄存器位来了解是哪一个事件。
22.2.3.2. 主接收器¶
再来分析主接收器过程，即作为I2C通讯的主机端时，从外部接收数据的过程，见图 主接收器过程 。
主接收器接收流程及事件说明如下：
(1) 同主发送流程，起始信号(S)是由主机端产生的，控制发生起始信号；
(2) 紧接着发送设备地址并等待应答信号，若有从机应答，则产生事件“EV1”，这时SR1寄存器的“ TXIS”位置1，表示发送数据寄存器为空；
(3) 从机端接收到地址后，开始向主机端发送数据。当主机接收到这些数据后，会产生“EV1”事件、“EV2”事件，SR1寄存器的RXNE被置1， 表示接收数据寄存器非空，我们读取该寄存器后，可对数据寄存器清空，以便接收下一次数据。此时我们可以控制I2C发送应答信号(ACK)或非应答信号(NACK)， 若应答，则重复以上步骤接收数据，若非应答，则停止传输；
(4) 发送非应答信号后，产生停止信号(P)，结束传输。
在发送和接收过程中，有的事件不只是标志了我们上面提到的状态位，还可能同时标志主机状态之类的状态位，而且读了之后还需要清除标志位， 比较复杂。我们可使用STM32 HAL库函数来直接检测这些事件的复合标志，降低编程难度。
22.3. I2C初始化结构体详解¶
跟其它外设一样，STM32 HAL库提供了I2C初始化结构体及初始化函数来配置I2C外设。 初始化结构体及函数定义在库文件“stm32MP1xx_hal_i2c.h”及“stm32MP1xx_hal_i2c.c”中，编程时我们可以结合这两个文件内的注释使用或参考库帮助文档。 了解与I2C初始化有关的结构体之后，我们就能对I2C外设运用自如了，见 代码清单:I2C-1 。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | typedef struct __I2C_HandleTypeDef {
I2C_TypeDef *Instance; /*!< I2C外设基地址*/
I2C_InitTypeDef Init; /*!< I2C初始化参数配置*/
uint8_t *pBuffPtr; /*!< 数据地址*/
uint16_t XferSize; /*!< 需要写入的页数*/
__IO uint16_t XferCount; /*!< 不足一页需要写入的个数*/
__IO uint32_t XferOptions; /*!< I2C多字节传输配置 */
__IO uint32_t PreviousState; /*!< I2C前一个工作状态*/
HAL_StatusTypeDef (*XferISR)(struct __I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint32_t ITFlags,
uint32_t ITSources); /*!< I2C中断函数指针*/
DMA_HandleTypeDef *hdmatx; /*!< I2C发送的DMA相关配置结构体 */
DMA_HandleTypeDef *hdmarx; /*!< I2C接受的DMA相关配置结构体*/
HAL_LockTypeDef Lock; /*!< 锁资源*/
__IO HAL_I2C_StateTypeDef State; /*!< I2C的工作状态*/
__IO HAL_I2C_ModeTypeDef Mode; /*!< I2C通讯的模式*/
__IO uint32_t ErrorCode; /*!< I2C的错误参数*/
__IO uint32_t AddrEventCount; /*!< 地址事件计数值*/
} I2C_HandleTypeDef;
|
(1) Instance
本成员用于指向用户使用的I2C寄存器基地址，方便对I2C寄存器进行配置。
(2) Init
本成员是I2C的初始化结构体，主要用来配置I2C的时钟，从机设备地址等等，详细的讲解，请看下面的I2C初始化结构体的介绍。
(3) pBuffPtr
本成员是指向数据的地址的指针，用于接收数据以及发送数据的缓冲区
(4) XferSize
本成员存放的是需要写的数据的页数，I2C_CR2的位NBYTES[7:0]只有8位，所以一次最多只能写入255个数据。因此，如果数据的个数超过了255个，需要分页进行写入。
(5) XferCount
本成员存放的是需要单独写的数据个数，该值应该小于等于255。与XferSize不同之处在于，这个值存放的是数据不足一页的个数，可以单独进行写入。
(6) XferOptions
本成员用于配置I2C的多字节传输模式。可以选择自动发送停止信号，多字节自动发送模式。
(7) PreviousState
本成员用于存放I2C的前一个工作状态。
(8) (*XferISR)(struct__I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint32_t ITFlags, uint32_t ITSources)
本成员其实是一个函数指针。主要用于执行相应的中断函数。
(9) *hdmatx、*hdmarx
这两个结构体用于配置与 I2C发送、接受相关的DMA功能。
(10) Lock
本成员是HAL库自带的一个锁资源。初始化I2C时，可通过调用HAL_I2C_MspInit函数来初始化I2C的GPIO、时钟等等。这个函数的内容需要用户自己编写。
(11) State
本成员主要存放着I2C的工作状态。例如HAL_I2C_STATE_BUSY，表明I2C总线被占用。
(12) Mode
本成员用于配置I2C的工作模式，可选择主机模式（HAL_I2C_MODE_MASTER），从机模式（HAL_I2C_MODE_SLAVE）等等。
(13) ErrorCode
本成员主要是存放着I2C错误的参数。例如HAL_I2C_ERROR_TIMEOUT，表示超出等待时间。
(14) AddrEventCount
本成员是一个计数值。主要用于地址事件计数，只能用于从机模式。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 | typedef struct {
uint32_t Timing;
/*指定I2C_TIMINGR寄存器的值，可以通过I2C_TIMING_CONFIGURARION工具计算*/
/*指定自身的I2C设备地址1，可以是 7-bit或者10-bit*/
uint32_t OwnAddress1;
/*指定地址的长度模式，可以是7bit模式或者10bit模式 */
uint32_t AddressingMode;
/*设置双地址模式 */
uint32_t DualAddressMode;
/*指定自身的I2C设备地址2，只能是 7-bit */
uint32_t OwnAddress2;
/*指定当双地址模式时的掩码 */
uint32_t OwnAddress2Masks;
/*指定广播呼叫模式 */
uint32_t GeneralCallMode;
/*指定禁止时钟延长模式*/
uint32_t NoStretchMode;
} I2C_InitTypeDef;
|
这些结构体成员说明如下，其中括号内的文字是对应参数在STM32 HAL库中定义的宏：
(1) Timing
本成员设置的是I2C的传输速率，在调用初始化函数时，函数会根据我们输入的数值写入到I2C的时钟控制寄存器I2C_TIMINGR。这个数值的计算上一节已经说明。
(2) OwnAddress1
本成员配置的是STM32的I2C设备自身地址1，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。 地址可设置为7位或10位(受下面(3) AddressingMode成员决定)，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。
STM32的I2C外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址， 若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用DualAddressMode成员使能，然后设置OwnAddress2成员即可，OAR2不支持10位地址。
(3) AddressingMode
本成员选择I2C的寻址模式是7位还是10位地址。这需要根据实际连接到I2C总线上设备的地址进行选择，这个成员的配置也影响到OwnAddress1成员， 只有这里设置成10位模式时， OwnAddress1才支持10位地址。
(4) DualAddressMode
本成员配置的是STM32的I2C设备自己的地址，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。 地址可设置为7位或10位(受下面I2C_AcknowledgeAddress成员决定)，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。
STM32的I2C外设可同时使用两个地址，即同时对两个地址作出响应，这个结构成员I2C_OwnAddress1配置的是默认的、OAR1寄存器存储的地址， 若需要设置第二个地址寄存器OAR2，可使用I2C_OwnAddress2Config函数来配置，OAR2不支持10位地址。
(5) OwnAddress2
本成员配置的是STM32的I2C设备自身地址2，每个连接到I2C总线上的设备都要有一个自己的地址，作为主机也不例外。地址可设置为7位，只要该地址是I2C总线上唯一的即可。
(6) OwnAddress2Masks
本成员指定I2C的双地址模式时的掩码。
(7) GeneralCallMode
本成员是关于I2C从模式时的广播呼叫模式设置。
(8) NoStretchMode
本成员是关于I2C禁止时钟延长模式设置，用于在从模式下禁止时钟延长。它在主模式下必须保持关闭。
配置完这些结构体成员值，调用库函数HAL_I2C_Init即可把结构体的配置写入到寄存器中。
22.4. MPU6050简介¶
接下来我们使用传感器实例来讲解如何检测物体的姿态。在我们的STM32MP157实验板上有一个MPU6050芯片，它是一种六轴传感器模块， 采用InvenSense公司的MPU6050作为主芯片，能同时检测三轴加速度、三轴陀螺仪(三轴角速度)的运动数据以及温度数据。 利用MPU6050芯片内部的DMP模块（Digital Motion Processor数字运动处理器），可对传感器数据进行滤波、融合处理， 它直接通过I2C接口向主控器输出姿态解算后的姿态数据，降低主控器的运算量。其姿态解算频率最高可达200Hz， 非常适合用于对姿态控制实时要求较高的领域。常见应用于手机、智能手环、四轴飞行器及计步器等的姿态检测。
图 MPU6050传感器的坐标及方向 中表示的坐标系及旋转符号标出了MPU6050传感器的XYZ轴的加速度有角速度的正方向。
22.4.1. MPU6050的特性参数¶
实验板中使用的MPU6050传感器参数见表 MPU6050的特性参数 。
该表说明，加速度与陀螺仪传感器的ADC均为16位，它们的量程及分辨率可选多种模式， 见图 陀螺仪的几种量程配置 ，量程越大，分辨率越低。
从表中还可了解到传感器的加速度及陀螺仪的采样频率分别为1000Hz及8000Hz，它们是指加速度及角速度数据的采样频率， 我们可以使用STM32控制器把这些数据读取出来然后进行姿态融合解算，以求出传感器当前的姿态(即求出偏航角、横滚角、俯仰角)。 而如果我们使用传感器内部的DMP单元进行解算，它可以直接对采样得到的加速度及角速度进行姿态解算，解算得到的结果再输出给STM32控制器， 即STM32无需自己计算，可直接获取偏航角、横滚角及俯仰角，该DMP每秒可输出200次姿态数据。
22.5. MPU6050—获取原始数据实验¶
这一小节我们学习如何使用STM32控制MPU6050传感器读取加速度、角速度及温度数据。在控制传感器时，使用到了STM32的I2C驱动， 就如同控制STM32一样，对MPU6050传感器的不同寄存器写入不同内容可以实现不同模式的控制，从特定的寄存器读取内容则可获取测量数据， 这部分关于MPU6050具体寄存器的内容我们不再展开，请您查阅《MPU-60X0寄存器》手册获知。
22.5.1. 硬件设计¶
STM32与MPU6050的硬件连接见图 STM32与MPU6050的硬件连接_ 。
它的硬件连接非常简单，SDA与SCL引出到STM32的I2C引脚，注意图中的I2C没有画出上拉电阻， 只是因为实验板中其它芯片也使用了同样的I2C总线，电阻画到了其它芯片的图里，没有出现在这个图中而已。 传感器的I2C设备地址可通过AD0引脚的电平控制，当AD0接地时，设备地址为0xD0，当AD0接电源时，设备地址为0xD1。 另外，传感器的INT引脚接到了STM32的普通IO口，当传感器有新数据的时候会通过INT引脚通知STM32。
在核心板原理图上可查看到I2C1_SCL和I2C1_SDA引脚分别连接到PF14以及PF15上，如下图所示
由于MPU6050检测时是基于自已中心坐标系的，所以在自己设计硬件时，需要考虑它与所在设备的坐标系统的关系。
22.5.2. 软件设计¶
在没有特殊说明的情况下，我们一般将AXI总线的时钟设置为266Mhz，MCU时钟设置为209Mhz。
搜索I2C1，将I2C1外设分配给Cortex-M4内核，选择I2C;I2C的默认配置为标准的主模式，传输速率100khz，7位从机地址； 我们保持默认即可。
搜索PE14、PE15引脚，将其设置为I2C1_SCL和I2C1_SDA模式，到此I2C的外设的配置已经完成
22.5.2.1. 代码分析¶
本小节讲解的是“MPU6050基本数据读取”实验，请打开配套的代码工程阅读理解。为了方便展示及移植， 我们把STM32的I2C驱动相关的代码都编写到“bsp_i2c.c”及“bsp_i2c.h”文件中， 与MPU6050传感器相关的代码都写到“mpu6050.c”及“mpu6050.h”文件中， 这些文件是我们自己编写的，不属于HAL库的内容，可根据自己喜好命名文件。
对读写函数的封装
初始化完成后就是编写I2C读写函数了，主要是调用STM32HAL库函数读写数据寄存器及标志位， 本实验的这部分被编写进ST_Sensors_I2C_WriteRegister及ST_Sensors_I2C_ReadRegister中了，在它们之上， 再封装成了Sensors_I2C_WriteRegister及Sensors_I2C_ReadRegister，见 代码清单:MPU6050-1。
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* @brief 写寄存器，这是提供给上层的接口
* @param slave_addr: 从机地址
* @param reg_addr:寄存器地址
* @param len：写入的长度
* @param data_ptr:指向要写入的数据
* @retval 正常为0，不正常为非0
*/
int Sensors_I2C_WriteRegister(unsigned char slave_addr,
unsigned char reg_addr,
unsigned short len,
unsigned char *data_ptr)
{
HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
status = HAL_I2C_Mem_Write(&I2C_Handle, slave_addr, reg_addr,
I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,data_ptr, len,I2Cx_FLAG_TIMEOUT);
if (status != HAL_OK) {/* 检查通讯状态 */
/* 总线出错处理 */
I2Cx_Error(slave_addr);
}
while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
/* 检查SENSOR是否就绪进行下一次读写操作 */
while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&I2C_Handle, slave_addr,
I2Cx_FLAG_TIMEOUT, I2Cx_FLAG_TIMEOUT) == HAL_TIMEOUT);
/* 等待传输结束 */
while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
return status;
}
/**
* @brief 读寄存器，这是提供给上层的接口
* @param slave_addr: 从机地址
* @param reg_addr:寄存器地址
* @param len：要读取的长度
* @param data_ptr:指向要存储数据的指针
* @retval 正常为0，不正常为非0
*/
int Sensors_I2C_ReadRegister(unsigned char slave_addr,
unsigned char reg_addr,
unsigned short len,
unsigned char *data_ptr)
{
HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;
status =HAL_I2C_Mem_Read(&I2C_Handle,slave_addr
,reg_addr,I2C_MEMADD_SIZE_8BIT,data_ptr,len,I2Cx_FLAG_TIMEOUT);
if (status != HAL_OK) {/* 检查通讯状态 */
/* 总线出错处理 */
I2Cx_Error(slave_addr);
}
while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
/* 检查SENSOR是否就绪进行下一次读写操作 */
while (HAL_I2C_IsDeviceReady(&I2C_Handle, slave_addr,
I2Cx_FLAG_TIMEOUT, I2Cx_FLAG_TIMEOUT) == HAL_TIMEOUT);
/* 等待传输结束 */
while (HAL_I2C_GetState(&I2C_Handle) != HAL_I2C_STATE_READY) {
}
return status;
}
|
封装后的函数主要是增加了错误重试机制，若读写出现错误，则会进行多次尝试，多次尝试均失败后会返回错误代码。 这个函数作为I2C驱动对外的接口，其它使用I2C的传感器调用这个函数进行读写寄存器。
MPU6050的寄存器定义
MPU6050有各种各样的寄存器用于控制工作模式，我们把这些寄存器的地址、 寄存器位使用宏定义到了mpu6050.h文件中了，见 代码清单:MPU6050-2。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | // MPU6050, Standard address 0xD0
#define MPU6050_ADDRESS 0xD0
#define MPU6050_WHO_AM_I 0x75
#define MPU6050_SMPLRT_DIV 0 //8000Hz
#define MPU6050_DLPF_CFG 0
#define MPU6050_GYRO_OUT 0x43 //MPU6050陀螺仪数据寄存器地址
#define MPU6050_ACC_OUT 0x3B //MPU6050加速度数据寄存器地址
#define MPU6050_RA_XG_OFFS_TC 0x00 //[7] PWR_MODE, [6:1] XG_OFFS_TC,[0] OTP_BNK_VLD
#define MPU6050_RA_YG_OFFS_TC 0x01 //[7] PWR_MODE, [6:1] YG_OFFS_TC,[0] OTP_BNK_VLD
#define MPU6050_RA_ZG_OFFS_TC 0x02 //[7] PWR_MODE, [6:1] ZG_OFFS_TC,[0] OTP_BNK_VLD
#define MPU6050_RA_X_FINE_GAIN 0x03 //[7:0] X_FINE_GAIN
/*.........以下部分省略*/
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初始化MPU6050
根据MPU6050的寄存器功能定义，我们使用I2C往寄存器写入特定的控制参数， 见 代码清单:MPU6050-3。
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* @brief 写数据到MPU6050寄存器
* @param reg_add:寄存器地址
* @param reg_data:要写入的数据
* @retval
*/
void MPU6050_WriteReg(u8 reg_add,u8 reg_dat)
{
Sensors_I2C_WriteRegister(MPU6050_ADDRESS,reg_add,1,®_dat);
}
/**
* @brief 从MPU6050寄存器读取数据
* @param reg_add:寄存器地址
* @param Read：存储数据的缓冲区
* @param num：要读取的数据量
* @retval
*/
void MPU6050_ReadData(u8 reg_add,unsigned char* Read,u8 num)
{
Sensors_I2C_ReadRegister(MPU6050_ADDRESS,reg_add,num,Read);
}
/**
* @brief 初始化MPU6050芯片
* @param
* @retval
*/
void MPU6050_Init(void)
{
//在初始化之前要延时一段时间，若没有延时，则断电后再上电数据可能会出错
Delay(100);
//解除休眠状态
MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_PWR_MGMT_1, 0x00);
//陀螺仪采样率
MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_SMPLRT_DIV , 0x07);
MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_CONFIG , 0x06);
//配置加速度传感器工作在16G模式
MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_ACCEL_CONFIG , 0x01);
//陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s)
MPU6050_WriteReg(MPU6050_RA_GYRO_CONFIG, 0x18);
Delay(200);
}
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这段代码首先使用MPU6050_ReadData及MPU6050_WriteRed函数封装了I2C的底层读写驱动， 接下来用它们在MPU6050_Init函数中向MPU6050寄存器写入控制参数，设置了MPU6050的采样率、量程(分辨率)。
读传感器ID
初始化后，可通过读取它的“WHO AM I”寄存器内容来检测硬件是否正常， 该寄存器存储了ID号0x68，见 代码清单:MPU6050-4。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | /**
* @brief 读取MPU6050的ID
* @param
* @retval 正常返回1，异常返回0
*/
uint8_t MPU6050ReadID(void)
{
unsigned char Re = 0;
MPU6050_ReadData(MPU6050_RA_WHO_AM_I,&Re,1); //读器件地址
if (Re != 0x68) {
MPU_ERROR("检测不到MPU6050模块，请检查模块与开发板的接线");
return 0;
} else {
MPU_INFO("MPU6050 ID = %d\r\n",Re);
return 1;
}
}
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读取原始数据
若传感器检测正常，就可以读取它数据寄存器获取采样数据了，见 代码清单:MPU6050-7。
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* @brief 读取MPU6050的加速度数据
* @param
* @retval
*/
void MPU6050ReadAcc(short *accData)
{
u8 buf[6];
MPU6050_ReadData(MPU6050_ACC_OUT, buf, 6);
accData[0] = (buf[0] << 8) | buf[1];
accData[1] = (buf[2] << 8) | buf[3];
accData[2] = (buf[4] << 8) | buf[5];
}
/**
* @brief 读取MPU6050的角加速度数据
* @param
* @retval
*/
void MPU6050ReadGyro(short *gyroData)
{
u8 buf[6];
MPU6050_ReadData(MPU6050_GYRO_OUT,buf,6);
gyroData[0] = (buf[0] << 8) | buf[1];
gyroData[1] = (buf[2] << 8) | buf[3];
gyroData[2] = (buf[4] << 8) | buf[5];
}
/**
* @brief 读取MPU6050的原始温度数据
* @param
* @retval
*/
void MPU6050ReadTemp(short *tempData)
{
u8 buf[2];
MPU6050_ReadData(MPU6050_RA_TEMP_OUT_H,buf,2); //读取温度值
*tempData = (buf[0] << 8) | buf[1];
}
/**
* @brief 读取MPU6050的温度数据，转化成摄氏度
* @param
* @retval
*/
void MPU6050_ReturnTemp(float*Temperature)
{
short temp3;
u8 buf[2];
MPU6050_ReadData(MPU6050_RA_TEMP_OUT_H,buf,2); //读取温度值
temp3= (buf[0] << 8) | buf[1];
*Temperature=((double) (temp3 /340.0))+36.53;
}
|
其中前以上三个函数分别用于读取三轴加速度、角速度及温度值，这些都是原始的ADC数值(16位长)，对于加速度和角速度， 把读取得的ADC值除以分辨率，即可求得实际物理量数值。最后一个函数MPU6050_ReturnTemp展示了温度ADC值与实际温度值间的转换， 它是根据MPU6050的说明给出的转换公式进行换算的，注意陀螺仪检测的温度会受自身芯片发热的影响，严格来说它测量的是自身芯片的温度， 所以用它来测量气温是不太准确的。对于加速度和角速度值我们没有进行转换，这里只获取到原始数据。
main_task.c文件
最后我们来看看本实验的main函数，见 代码清单:MPU6050-6。
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{
printf("I2C MPU6050 获取原始数据实验\n");
//MPU6050初始化
MPU6050_Init();
}
void Main_Task(void) //主要的任务函数
{
static short Acel[3];
static short Gyro[3];
static float Temp;
printf("\r\n 这是一个I2C外设(MPU6050)读写测试例程 \r\n");
//检测MPU6050
if (MPU6050ReadID() == 1)
{
while(1)
{
MPU6050ReadAcc(Acel);
printf("加速度：%8d %8d %8d",Acel[0],Acel[1],Acel[2]);
MPU6050ReadGyro(Gyro);
printf(" 陀螺仪%8d %8d %8d",Gyro[0],Gyro[1],Gyro[2]);
MPU6050_ReturnTemp(&Temp);
printf(" 温度%8.2f\r\n",Temp);
HAL_Delay(500);
}
}
else
{
printf("\r\n没有检测到MPU6050传感器！\r\n");
while(1);
}
}
|
在Main_Config函数中初始化了MPU6050，在Main_Task函数中检测MPU6050是否存在，如果存在则获取加速度、陀螺仪、温度的数值， 其中得到的加速度、陀螺仪的数据为原始数据，最终将他们打印出来。
main函数
最后让我们看下main函数的内容
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{
HAL_Init();
if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())
{
SystemClock_Config();
}
MX_GPIO_Init();
MX_USART3_UART_Init();
MX_I2C1_Init();
Main_Config();
while (1)
{
Main_Task();
}
}
|
在main函数为我们初始化好了I2C，我们仅添加了Main_Config与Main_Task函数。
22.5.3. 下载验证¶
用USB线连接开发板“USB TO UART”接口跟电脑，在电脑端打开串口调试助手，把编译好的程序下载到开发板。 在串口调试助手可看到MPU6050采样得到的调试信息。