STM32开发实战系列8-I2C总线采集三轴加速传感器

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神龙居市 发表于 2022/03/01 22:42:21 2022/03/01
【摘要】 I2C总线通信原理 I2C总线简介 I2C总线介绍I2C（Inter-Integrated Circuit）总线（也称IIC或I2C）是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，期间封装形式少，通信速率高等优点。 I2C总线特征两条总线线路：一条串行数据SDA，...

I2C总线通信原理

I2C总线简介

I2C总线介绍

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线（也称IIC或I2C）是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，期间封装形式少，通信速率高等优点。

I2C总线特征

  • 两条总线线路：一条串行数据SDA，一条串行时钟线SCL来完成数据的传输及外围器件的扩展
  • I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址
  • I2C总线数据传输速率在标准模式下可达100kbit/s，快速模式下可达400kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。一般通过I2C总线接口可编程时钟来实现传输速率的调整，同时也跟所接的上拉电阻的阻值有关。
  • I2C总线上的主设备与从设备之间以字节(8位)为单位进行单双工的数据传输。

I2C总线物理·拓扑结构

  • I2C 总线在物理连接上分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。

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I2C总线协议

  • I2C协议规定: 总线上数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。起始和结束信号总是由主设备产生。总线在空闲状态时，SCL和SDA都保持着高电平。

  • 起始信号: 当SCL为高电平而SDA由高到低的跳变，表示产生一个起始条件

  • 结束信号：当SCL为高而SDA由低到高的跳变，表示产生一个 停止条件
    image.png

  • 数据传输
    数据传输以字节为单位 , 主设备在SCL线上产生每个时钟脉冲的过程中将在SDA线上传输一个数据位，数据在时钟的高电平被采样，一个字节按数据位从高位到低位的顺序进行传输
    主设备在传输有效数据之前 要先指定从设备的地址，一般为7位，然后再发生数据传输的方向位， 0表示主设备向从设备写数据，1表示主设备向从设备读数据

  • 应答信号
    接收数据的器件在接收到 8bit 数据后，向发送数据的器件发出低电平的应答信号，表示已收到数据。这个信号可以是主控器件发出，也可以是从动器件发出。总之，由接收数据的器件发出。
    image.png

I2C总线读写操作

  • 主设备往从设备写数据
    image.png

  • 主设备读从设备数据
    image.png

  • 主设备读从设备的某个寄存器
    image.png

STM32F0-I2C控制器特性

  • 软件模拟I2C时序
    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。
  • 硬件控制产生I2C时序
    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。
  • I2C的主要特点
    –I2C总线规范 rev03 兼容性：
    － 从机模式和主机模式
    － 多主机功能
    － 标准模式（高达 100kHz ）
    － 快速模式（高达 400kHz ）
    － 超快速模式（高达 1 MHz ）
    － 7 位和 10 位地址模式
    － 软件复位
    –1 字节缓冲带 DMA 功能
    image.png

STM32F0-I2C控制

  • I2C的主要特点
    64KB片上闪存的F0带2个I2C：I2C1和I2C2
    32KB片上闪存的F0只带1个I2C：I2C1
    I2C2比I2C1所支持的功能少些，不具备
    对SMBus的硬件支持
    20mA的驱动能力
    模块双时钟域以及从停止模式唤醒
    image.png

三轴加速度传感器mpu6050介绍

MPU6050简介

MPU6050介绍

MPU-6050 是全球首例 6轴运动处理传感器。它集成了 3 轴 MEMS 陀螺仪，3 轴 MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP（Digital Motion Processor），可用I2C 接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后还可以通过其 I2C 输出一个 9 轴的信号。MPU-6050 也可以通过其 I2C 接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。
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三轴加速度测量

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注意：加速度测量计反应的加速向量与当前的受力方向是相反的，如上图，受力方向向左，但是加速度的向量方向为右

陀螺仪

陀螺仪，是用来测量角速度的，单位为度每秒（deg/s）
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一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向。Mpu6050有3个陀螺仪，可测X,Y,Z方向的角速度值

MPU6050的特性参数

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MPU6050的寄存器介绍

POWER MANAGEMENT电源管理寄存器

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  • SLEEP 该位置 1 ， MPU-60X0 进入睡眠模式。
  • CLKSEL置 0，可选择使用MPU-60X0 默认的内部8M振荡器作为时钟源
  • 典型设置
    //解除休眠状态
    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_PWR_MGMT_1, 0x00);

SAMPLE RATE DIVIDER 采样频率分频器

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  • 采样频率= 陀螺仪输出频率/ （ 1+SMPLRT_DIV ）
  • 当 DLPF s is disabled （ 0 DLPF_CFG=0 r or 7 7 7 7） ） ，陀螺输出频率 =8kHz ；
  • 典型设置
    //陀螺仪采样率，1KHz
    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_SMPLRT_DIV , 0x07);

CONFIGURATION 低通滤波配置寄存器

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  • 该寄存器配置外部引脚采样，
  • 陀螺仪和加速度计的数字低通滤波器。
  • 典型设置
    //低通滤波频率，典型值：0x06(带宽5KHz)
    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_CONFIG , 0x06);

GYROSCOPE CONFIGURATION 陀螺仪配置寄存器

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  • 该寄存器是用来触发陀螺仪自检和配置陀螺仪的满量程范围。
  • 典型设置
    陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s)
    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_GYRO_CONFIG, 0x18);

ACCELEROMETER CONFIGURATION 加速度配置寄存器

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  • 该寄存器是用来触发加速度计自检和配置加速度计的满量程范围。
  • 典型设置
    //配置加速度传感器工作在 2G 模式，不自检
    I2C_WriteReg(MPU6050_RA_ACCEL_CONFIG , 0x00);

读取X, Y, Z 三轴加速度的值

image.png
image.png

读取X, Y, Z 三轴陀螺仪的值

image.png

image.png

读取温度值

image.png
摄氏度的温度可以用寄存器的置这么计算：
Temperature n in s degrees C =
(TEMP_OUT Register e Value as a signed quantity)/340 + 36.53

MPU6050的设备地址

image.png

I2C通信实例

MPU6050电气原理图

image.png
注：R4未接，AD0直接接到电源上，因此设备地址为110 1001既0x69

CubeMX设计工程

image.png

项目流程图

image.png

Keil项目代码

新增MPU6050.h

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H

/* Includes ---------------------------------------------------*/

//****************************************
// MPU6050 IIC测试程序
// 使用单片机STC89C52
// 晶振：11.0592M
// 显示：LCD1602
// 编译环境 IAR
// 功能: 显示加速度计和陀螺仪的10位原始数据
//****************************************
#include <math.h>    //IAR library
#include <stdio.h>   //IAR library
#include <stdint.h>
//typedef unsigned char  uchar;
typedef unsigned short ushort;
//typedef unsigned int   uint;

typedef short int16_t;


//****************************************
// 定义MPU6050内部地址
//****************************************
#define	ADDRESS_Write   SlaveAddress | 0x00                //
#define	ADDRESS_Read    SlaveAddress | 0x01	                //

#define	PWR_MGMT_1		0x6B	      //电源管理，典型值：0x00(正常启用)
#define	SMPLRT_DIV		0x19	  //陀螺仪采样率，典型值：0x07(125Hz)
#define	CONFIG			0x1A	   //低通滤波频率，典型值：0x06(5Hz)
#define	GYRO_CONFIG		0x1B	 //陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s)
#define	ACCEL_CONFIG	0x1C	 //加速计自检、测量范围及高通滤波频率，典型值：0x00(不自检，2G，5Hz)

#define	ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	ACCEL_ZOUT_L	0x40

#define	TEMP_OUT_H		0x41
#define	TEMP_OUT_L		0x42

#define	GYRO_XOUT_H		0x43
#define	GYRO_XOUT_L		0x44
#define	GYRO_YOUT_H		0x45
#define	GYRO_YOUT_L		0x46
#define	GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	GYRO_ZOUT_L		0x48

#define	WHO_AM_I			0x75	//IIC地址寄存器(默认数值0x68，只读)
//#define	SlaveAddress		//IIC写入时的地址字节数据，+1为读取
#define MPU6050_ADDRESS_AD0_LOW     0x68 // address pin low (GND), default for InvenSense evaluation board
#define MPU6050_ADDRESS_AD0_HIGH    0x69 // address pin high (VCC)
#define SlaveAddress     (MPU6050_ADDRESS_AD0_HIGH<<1)

void mpu6050_init(void);
void mpu6050_getaccel(int16_t *x, int16_t *y, int16_t *z);

#endif

新增MPU6050.c文件

#include "mpu6050.h"
#include "i2c.h"

void mpu6050_init(void)
{
	uint8_t temp = 0x00;
	
	temp = 0x00;
	HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDRESS_Write, PWR_MGMT_1, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &temp, 1, 0x10);
	
	temp = 0x07;
	HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDRESS_Write, SMPLRT_DIV, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &temp, 1, 0x10);
	
	temp = 0x06;
	HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDRESS_Write, CONFIG, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &temp, 1, 0x10);
	
	temp = 0x18;
	HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDRESS_Write, GYRO_CONFIG, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &temp, 1, 0x10);
	
	temp = 0x00;
	HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, ADDRESS_Write, ACCEL_CONFIG, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &temp, 1, 0x10);
	
}
void mpu6050_getaccel(int16_t *x, int16_t *y, int16_t *z)
{
	uint8_t value[2] = {0};
	
	HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read, ACCEL_XOUT_L, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[0], 1, 0x10);
	HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read, ACCEL_XOUT_H, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[1], 1, 0x10);
	*x = (value[1]<<8) + value[0];
	
	HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read, ACCEL_YOUT_L, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[0], 1, 0x10);
	HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read, ACCEL_YOUT_H, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[1], 1, 0x10);
	*y = (value[1]<<8) + value[0];
	
	HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read, ACCEL_ZOUT_L, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[0], 1, 0x10);
	HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, ADDRESS_Read, ACCEL_ZOUT_H, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &value[1], 1, 0x10);
	*z = (value[1]<<8) + value[0];
	
	printf("accel value x=%d,y=%d,z=%d\n", *x, *y, *z);
}

Main.c中加入初始化

  /* USER CODE BEGIN 2 */
	mpu6050_init();
	printf("mpu6050 init\n");
  /* USER CODE END 2 */

While方法采集

/* USER CODE BEGIN WHILE */
  int16_t x,y,z;
  while (1)
  {
		mpu6050_getaccel(&x, &y, &z);
		
		HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
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