陀螺仪小球

实验介绍

手机上的“重力感应”想必大家都不陌生,基于重力感应可以实现飞车、辅助瞄准等各种体感非常强的交互功能。所谓的“重力感应”,其实就可以使用“加速度计及陀螺仪传感器”来实现。 本节实验中,我们将会基于 MPU-6050 实现一个根据开发板姿态滚动的小球。当我们倾斜 HaaS EDU K1 时,会看见小球根据我们的倾斜方向发生相对应的偏移。

涉及知识点

  • MPU-6050 的驱动和使用

  • OLED绘图

开发环境准备

硬件

开发用电脑一台
HAAS EDU K1 开发板一块
USB2TypeC 数据线一根

软件

开发环境的搭建请参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之搭建开发环境》,其中详细的介绍了AliOS Things 3.3的IDE集成开发环境的搭建流程。

本案例的代码下载请参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之创建工程》

> 选择解决方案: “HaaS EDU K1教育开发案例合集”

> 选择开发板: haaseduk1 board configure

-- 编译固件可参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之编译固件》

-- 烧录固件可参考《AliOS Things集成开发环境使用说明之烧录固件》

硬件介绍 - MPU-6050

DataSheet

了解一款IC最快捷和精准的方法是查阅它的DataSheet。这款IC的DataSheet可以在以下链接获取。 MPU-6000-Datasheet1.pdfMPU-6000-Register-Map1.pdf

硬件规格

MPU-60X0是世界上第一款集成 6 轴MotionTracking设备。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( DigitalMotion Processor),可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器,比如磁力计。 MPU-6050具有三个用于将陀螺仪输出数字化的16位模数转换器(ADC)和三个用于将加速度计输出数字化的16位ADC。 为了精确跟踪快速和慢速运动,这些部件具有用户可编程的陀螺仪满量程范围,范围为±250,±500,±1000和±2000°/ sec(dps),以及用户可编程的加速度计满量程范围 范围为±2g,±4g,±8g和±16g。使用400kHz的I2C与设备的所有寄存器进行通信。其他功能包括嵌入式温度传感器和片上振荡器,在整个工作温度范围内误差±1%。 更多硬件规格请参考 DataSheet。

传感原理

陀螺仪由1850年法国物理学家莱昂·傅科在研究地球自传中获得灵感而发明出来的,类似像是把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上,靠陀螺的方向来计算角速度,和现在小巧的芯片造型大相径庭。

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早期的机械陀螺仪[1]

那么如何将这么庞大的机械设备,塞进小小的芯片当中呢?以目前广泛使用的MPU-6050为例,它属于传感MEMS分支。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。感兴趣的同学可以来这里学习亚德诺半导体的公开课 —— MEMS传感器2:加速,旋转——陀螺仪工作原理。 我们使用的MPU-6050是一款经典的MEMS陀螺仪,即硅微机电陀螺仪。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。在MPU-6050内部,存在一质量块,当器件上电后,会触发质量块以固定频率横向运动。当器件遭受外力具备加速度时,就会触发质量块的纵向运动,从而改变四周梳齿之间的距离,改变输出的电容,进而通过ADC将模拟信号转换为数字信号,输出给外部[2]。

原理图

在原理图中我们可以看出,器件使用I2C通讯接口。并且,器件支持使用过INT引脚,当数据到来时可以在该引脚上触发中断。需要注意的是,AD0引脚决定了器件地址的第 0 bit。当AD0连接高电平,即AD0 = 1,此时器件地址为0x69。

驱动方式

通讯接口

由DataSheet可知,MPU-6050采用的通讯方式为I2C。默认7bit设备地址:0x69 (DataSheet P33 9.2) 在 AliOS Things 3.3中,I2C操作方式采用VFS的方式,开发者只需要关心器件的设备地址即可,因为只要知道了设备地址,读写地址也可以计算出,AliOS Things 会自动处理这些计算。如果我们需要为了 MPU-6050 初始化I2C接口,那么对应的代码为:

// solutions/eduk1_demo/drivers/sensor/drv_acc_gyro_inv_mpu6050.c

// 初始化I2C
int32_t ret = sensor_i2c_open (MPU_I2C_PORT, MPU_ADDR, I2C_BUS_BIT_RATES_100K, 0);
if (ret) {
    LOGE("SENSOR", "sensor i2c open failed, ret:%d\n", ret);
    return -EIO;
}

寄存器

一般,使用I2C通讯的器件,都是通过读写寄存器的方式来完成对设备的读取和配置,因此了解寄存器的分布就非常重要。由于 MPU-6050 的寄存器数量较多,建议读者们查阅 Regsiter Map 文档来获取这些信息。我们进列出部分较为关键的寄存器。

0x3B-0x40 三轴加速度寄存器 每轴数据2Byte 0x41-0x42 温度寄存器 2Byte 0x43-0x48 三轴陀螺仪寄存器 每轴数据2Byte

驱动实现

uint8_t MPU_Init(void)

器件初始化。

// solutions/eduk1_demo/drivers/sensor/drv_acc_gyro_inv_mpu6050.c

uint8_t MPU_Init(void)
{
        uint8_t device_id = 0;

    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X80); // 复位MPU6050
    aos_msleep(100);
    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X00); // 唤醒MPU6050
    MPU_Set_Gyro_Fsr(3);                     // 陀螺仪传感器,±2000dps
    MPU_Set_Accel_Fsr(0);                    // 加速度传感器,±2g
    MPU_Set_Rate(50);                        // 设置采样率50Hz
    MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG, 0X00);    // 关闭所有中断
    MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG, 0X00); // I2C主模式关闭
    MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG, 0X00);   // 关闭FIFO
    MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG, 0X80); // INT引脚低电平有效
    device_id = MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);
    if (device_id == MPU_DEV_ID) {
        // 器件ID正确
        LOGI("SENSOR", "MPU init OK\n");
        MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X01); // 设置CLKSEL,PLL X轴为参考
        MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG, 0X00); // 加速度与陀螺仪都工作
        MPU_Set_Rate(50);                        // 设置采样率为50Hz
    } else {
        LOGE("SENSOR", "MPU init Error -- %x\n", device_id);
        return 1;
    }
    return 0;
}

void MPU_Get_Gyroscope(short gx, short gy, short *gz)

读取三轴陀螺仪数据。由Register Map得知,只需要从GYRO_XOUTH向后依次读出6个寄存器内容即可。


void MPU_Get_Gyroscope(short *gx, short *gy, short *gz)
{
        uint8_t buf[6];

        MPU_Read_Len(MPU_GYRO_XOUTH_REG, 6, buf);
        *gx = ((u16)buf[0] << 8) | buf[1];
        *gy = ((u16)buf[2] << 8) | buf[3];
        *gz = ((u16)buf[4] << 8) | buf[5];
}

void MPU_Get_Accelerometer(short ax, short ay, short *az)

读取三轴加速度数据。由Register Map得知,只需要从ACCEL_XOUTH向后依次读出6个寄存器内容即可。

// solutions/eduk1_demo/drivers/sensor/drv_acc_gyro_inv_mpu6050.c

void MPU_Get_Accelerometer(short *ax, short *ay, short *az)
{
        uint8_t buf[6];

        MPU_Read_Len(MPU_ACCEL_XOUTH_REG, 6, buf);
        *ax = ((u16)buf[0] << 8) | buf[1];
        *ay = ((u16)buf[2] << 8) | buf[3];
        *az = ((u16)buf[4] << 8) | buf[5];
}

应用开发

本实验的应用较为简单,只需要读出加速度数据,并显示在屏幕上即可。OLED的相关接口中已经给出了丰富的绘图函数。具体实现如下。

void gyroscope_task(void)
{
    while (1)
    {
        // 清除屏幕memory
        OLED_Clear();
        // 获取三轴加速度信息
        MPU_Get_Accelerometer(&r_ax, &r_ay, &r_az);
        // 画出固定的圆形边框
        OLED_DrawCircle(66, 32, 10, 1, 1);
        // 画出填充的圆
        OLED_FillCircle(66 - r_ax / 250, 32 + r_ay / 500, 8, 1);
        // 将屏幕memory显示出来
        OLED_Refresh_GRAM();
        // 暂停20ms
        aos_msleep(20);
    }
}

更多应用

本实验展示的仅是六轴传感器的一个非常简单的应用。随着类似传感器的体积越来越小,精度越来越高,它们也被应用在各种消费类电子产品,如穿戴设备、手机上。 使用它们可以进行一些非常有趣的应用,例如,手环中经常会使用到的计步算法,运动状态检测算法,都是基于其中的六轴传感器数据。近年来,还有很多学术界的工作,使用手环中的六轴传感器来实现空中写字的识别。 除此之外,它也广泛应用于辅助定位、飞行设备的姿态检测,摄像机云台的水平保持等等。期待读者们能够发掘出更多有价值的使用场景。

引用

[1] Gyroscope invented by Léon Foucault in 1852. Replica built by Dumoulin-Froment for the Exposition universelle in 1867. National Conservatory of Arts and Crafts museum, Paris. By Stéphane Magnenat - Own work by uploader, subject public domain, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4302903 [2] 图片来自 https://www.analog.com/cn/education/education-library/videos/5996766351001.html