STM32 IO口模拟I2C+驱动MPU6050

一、MPU6050

1. MPU6050介绍

MPU6050 是 InvenSense 公司推出的全球首款整合性 6 轴运动处理组件，相较于多组件 

方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了安装空间。

MPU6050 内部整合了 3 轴陀螺仪和 3 轴加速度传感器，并且含有一个第二 IIC 接口， 

可用于连接外部磁力传感器，并利用自带的数字运动处理器（ DMP: Digital Motion Processor） 

硬件加速引擎，通过主 IIC 接口，向应用端输出完整的 9 轴融合演算数据。有了 DMP，我 

们可以使用 InvenSense 公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算，降低了运 

动处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度。

2. MPU6050特点

MPU6050 的特点包括：

① 以数字形式输出 6 轴或 9 轴（需外接磁传感器）的旋转矩阵、四元数(quaternion)、

欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据（需 DMP 支持）

② 具有 131 LSBs/° /sec 敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000 与±2000°

/sec 的 3 轴角速度感测器(陀螺仪)

③ 集成可程序控制，范围为±2g、±4g、±8g 和±16g 的 3 轴加速度传感器

④ 移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移

⑤ 自带数字运动处理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可减少 MCU 复杂的融合演

算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷

⑥ 内建运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求

⑦ 自带一个数字温度传感器

⑧ 带数字输入同步引脚(Sync pin)支持视频电子影相稳定技术与 GPS

⑨ 可程序控制的中断(interrupt)，支持姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速

下降中断、 high-G 中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能

⑩ VDD 供电电压为 2.5V±5%、 3.0V±5%、 3.3V±5%； VLOGIC 可低至 1.8V± 5%

⑪ 陀螺仪工作电流： 5mA，陀螺仪待机电流： 5uA；加速器工作电流： 500uA，加速

器省电模式电流： 40uA@10Hz

⑫ 自带 1024 字节 FIFO，有助于降低系统功耗

⑬ 高达 400Khz 的 IIC 通信接口

⑭ 超小封装尺寸： 4x4x0.9mm（ QFN）

3.MPU6050原理图

3.1 MPU6050引脚图

3.2 MPU6050 的内部框图

SCL 和 SDA 是连接 MCU 的 IIC 接口， MCU 通过这个 IIC 接口来控制 MPU6050，

另外还有一个 IIC 接口： AUX_CL 和 AUX_DA，这个接口可用来连接外部从设备，比如磁 

传感器，这样就可以组成一个九轴传感器。

VLOGIC 是 IO 口电压，该引脚最低可以到 1.8V， 

我们一般直接接 VDD 即可。

AD0 是从 IIC 接口（接 MCU）的地址控制引脚，该引脚控制 

IIC 地址的最低位。如果接 GND，则 MPU6050 的 IIC 地址是： 0X68，如果接 VDD，则是 

0X69，注意：这里的地址是不包含数据传输的最低位的（最低位用来表示读写）！！

3.3 MPU6050 传感器的检测轴及方向

二、I2C

1. I2C简介

IIC(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由 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。它是由数据线 SDA 和时钟 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据。 

在 CPU 与被控 IC 之间、 IC 与 IC 之间进行双向传送， 高速 IIC 总线一般可达 400kbps 以上。

I2C 总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答 

信号。

开始信号： SCL 为高电平时， SDA 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

结束信号： SCL 为高电平时， SDA 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

应答信号：接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲， 

表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，判断为受控单元出现故障。

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要.

重要理解：只有当SCL为高时，IIC电路才会对SDA线上的电平采样，当SCL为低时，SDA线可以任意0、1变化

2.I2C驱动

2.1 开始信号

SCL为高，SDA由高—->低，IIC通信的开始信号。

void IIC_Strart(void)

{

    SDA_OUT();

    IIC_SDA=1;

    IIC_SCL=1;

    delay_us(2);

    IIC_SDA=0;

    delay_us(2);

    IIC_SCL=0;

}

最后拉低SCL目的是为了钳住总线，防止IIC对SDA线进行采样，SDA可以0、1变化传送数据

2.2 结束信号

SCL为高，SDA由低—->高，IIC通信的结束信号。

void IIC_Stop(void)

{

    SDA_OUT();

    IIC_SCL=0;

    IIC_SDA=0;

    delay_us(2);

    IIC_SCL=1;

    IIC_SDA=1;

    delay_us(2);

}

先将SCL拉低目的是允许SDA进行变化，把SDA拉低(为拉高做准备)

2.3 应答信号

接收数据的 IC 在接收到 8bit 数据后，向发送数据的 IC 发出特定的低电平脉冲， 

表示已收到数据。。若未收到应答信号，判断为受控单元出现故障。

//产生ACK应答信号

void IIC_Ack(void)

{

    IIC_SCL=0;

    SDA_OUT();

    IIC_SDA=0;

    delay_us(2);

    IIC_SCL=1;

    delay_us(2);

    IIC_SCL=0;

}

//不产生ACK应答信号

void IIC_NAck(void)

{

    IIC_SCL=0;

    SDA_OUT();

    IIC_SDA=1;

    delay_us(2);

    IIC_SCL=1;

    delay_us(2);

    IIC_SCL=0;

}

先拉低时钟线，再拉低拉高数据线，最后先拉高时钟线，告诉外设把数据线上的低高电平采样进去。

2.4等待应答信号

u8 IIC_Wait_Ack(void)

{

    u8 Time=0;

    SDA_IN();

    IIC_SDA=1;

    delay_us(2);

    IIC_SCL=1;

    delay_us(2);

    while(IIC_SDA)

    {

        Time++;

        if(Time>250)

        {

            IIC_Stop();

            return 1;

        }

    }

    IIC_SCL=0;

    return 0;

先拉高SDA,判断在一定时间内SDA是否变0，可以识别出外设有无应答信号

2.5 发送一个字节

void IIC_Send_Byte(u8 txd)

{

    u8 t;

    SDA_OUT();

    IIC_SCL=0;

    for(t=0;t<8;t++)

    {

        IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;

        txd<<=1;

        delay_us(2);

        IIC_SCL=1;

        delay_us(2);

        IIC_SCL=0;

        delay_us(2);

    }

}

字节由高到低一位一位发送

2.6 读一个字节

u8 IIC_Read_Byte(u8 ack)

{

    u8 i,receive=0;

    SDA_IN();

    for(i=0;i<8;i++)

    {

        IIC_SCL=0;

        delay_us(2);

        IIC_SCL=1;

        receive<<=1;

        if(READ_SDA)receive++;

        delay_us(2);

    }

    if(!ack) IIC_NAck();

    else IIC_Ack();

    return receive;

}

确定接收完本字节后是否还继续接收字节，继续ACK=1,不继续ACK=0.

一位一位接收从外设传来的数据，函数返回一个字节

三、STM32控制MPU6050

1.硬件连接

实验采用正点原子公司的 AN1507 ATK-MPU6050 六轴传感器模块

MPU6050             STM32

VCC         <--->   VCC

GND         <--->   GND

SDA         <--->   PB9

SCL         <--->   PB8

INT         <--->   不接

AD0         <--->   不接

2. 重要寄存器

2.1 电源管理寄存器 1

DEVICE_RESET 位用来控制复位，设置为 1，复位 MPU6050，复位结束后， MPU 

硬件自动清零该位

SLEEEP 位用于控制 MPU6050 的工作模式，复位后，该位为 1，即进 

入了睡眠模式（低功耗），所以我们要清零该位，以进入正常工作模式

TEMP_DIS 用于设置是否使能温度传感器，设置为 0，则使能

CLKSEL[2:0]用于选择系统时钟源，选择关系如表

CLKSEL[2:0] 时钟源

000 内部 8M RC 晶振

001 PLL，使用 X 轴陀螺作为参考

010 PLL，使用 Y 轴陀螺作为参考

011 PLL，使用 Z 轴陀螺作为参考

100 PLL，使用外部 32.768Khz 作为参考

101 PLL，使用外部 19.2Mhz 作为参考

110 保留

111 关闭时钟，保持时序产生电路复位状态

**默认是使用内部 8M RC 晶振的，精度不高，所以我们一般选择 X/Y/Z 轴陀螺作为参考 

的 PLL 作为时钟源，一般设置 CLKSEL=001 即可**

2.2 陀螺仪配置寄存器

FS_SEL[1:0]这两个位，用于设置陀螺仪的满量程范围： 0，±250° 

/S； 1，±500° /S； 2，±1000° /S； 3，±2000° /S；我们一般设置为 3，即±2000° /S，因 

为陀螺仪的 ADC 为 16 位分辨率，所以得到灵敏度为： 65536/4000=16.4LSB/(° /S)

2.3 加速度传感器配置寄存器

AFS_SEL[1:0]这两个位，用于设置加速度传感器的满量程范围： 0， 

±2g； 1，±4g； 2，±8g； 3，±16g；我们一般设置为 0，即±2g，因为加速度传感器的 

ADC 也是 16 位，所以得到灵敏度为： 65536/4=16384LSB/g

2.4 FIFO使能寄存器

该寄存器用于控制 FIFO 使能，在简单读取传感器数据的时候，可以不用 FIFO，设置 

对应位为 0 即可禁止 FIFO，设置为 1，则使能 FIFO

加速度传感器的 3 个轴，全由 1 

个位（ ACCEL_FIFO_EN）控制，只要该位置 1，则加速度传感器的三个通道都开启 FIFO

2.5 陀螺仪采样率分频寄存器

该寄存器用于设置 MPU6050 的陀螺仪采样频率，计算公式为：

采样频率 = 陀螺仪输出频率 / (1+SMPLRT_DIV)

这里陀螺仪的输出频率，是 1Khz 或者 8Khz，与数字低通滤波器（ DLPF）的设置有关， 

当 DLPF_CFG=0/7 的时候，频率为 8Khz，其他情况是 1Khz。而且 DLPF 滤波频率一般设置 

为采样率的一半。采样率，我们假定设置为 50Hz，那么 SMPLRT_DIV=1000/50-1=19

2.6 配置寄存器

数字低通滤波器（ DLPF）的设置位，即： DLPF_CFG[2:0]，加速 

度计和陀螺仪，都是根据这三个位的配置进行过滤的。 DLPF_CFG 不同配置对应的过滤情 

况如表: 

这里的加速度传感器，输出速率（ Fs）固定是 1Khz，而角速度传感器的输出速率（ Fs）， 

则根据 DLPF_CFG 的配置有所不同。一般我们设置角速度传感器的带宽为其采样率的一半， 

如前面所说的，如果设置采样率为 50Hz，那么带宽就应该设置为 25Hz，取近似值 20Hz， 

就应该设置 DLPF_CFG=100

2.7 电源管理寄存器 2

LP_WAKE_CTRL 用于控制低功耗时的唤醒频率

剩下的 6 位，分别控制加速度和陀螺仪的x/y/z轴是否进入待机模式，这里我们全部都不进入待机模式，所以全部设置为 0 即可

2.8 陀螺仪数据输出寄存器

通过读取这6个寄存器，就可以读到陀螺仪 x/y/z 轴的值，比如 x 轴的数据，可以通过读取 

0X43（高 8 位）和 0X44（低 8 位）寄存器得到，其他轴以此类推

2.9 加速度传感器数据输出寄存器

通过读取这6个寄存器，就可以读到加速度传感器 x/y/z 轴的值，比如读 x 轴的数据，可以通过读取 0X3B（高 8 位）和0X3C（低8位）寄存器得到，其他轴以此类推

2.10 温度传感器数据输出寄存器

温度传感器的值，可以通过读取 0X41（高 8 位）和 0X42（低 8 位）寄存器得到， 

温度换算公式为：

Temperature = 36.53 + regval/340

其中， Temperature 为计算得到的温度值，单位为℃， regval 为从 0X41 和 0X42 读到的 

温度传感器值

2.11 中断使能寄存器

OT_EN 该位置 1，该位使能运动检测（Motiondetection）产生中断。

FIFO_OFLOW_EN该位置1，该位使能FIFO缓冲区溢出产生中断。

I2C_MST_INT_EN该位置1，该位使能I2C主机所有中断源产生中断。

DATA_RDY_EN 该位置 1，该位使能数据就绪中断（ Data Ready interrupt），所有的传感器寄存器写操作完成时都会产生

关闭所有中断则给此寄存器赋值0X00

3. 软件驱动

3.1 通过IIC对MPU6050寄存器进行读写

//IIC写一个字节 

//reg:      寄存器地址

//data:     数据

//返回值:  0,正常

//          其他,错误代码

u8 IIC_Write_Byte(u8 reg,u8 data)

{

    IIC_Start();

    IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令 

    if(IIC_Wait_Ack())  //等待应答

    {

        IIC_Stop(); 

        return 1;       

    }

    IIC_Send_Byte(reg); //写寄存器地址

    IIC_Wait_Ack();     //等待应答 

        IIC_Send_Byte(data);//发送数据

    if(IIC_Wait_Ack())  //等待ACK

    {

        IIC_Stop();  

        return 1;        

    }        

    IIC_Stop();  

    return 0;

}

//IIC读一个字节 

//reg:寄存器地址 

//返回值:读到的数据

u8 IIC_Read_Byte(u8 reg)

{

    u8 res;

    IIC_Start();

    IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);//发送器件地址+写命令 

    IIC_Wait_Ack();//等待应答

    IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址

    IIC_Wait_Ack();//等待应答

    IIC_Start();

    IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|1);//发送期间地址+读命令

    IIC_Wait_Ack();//等待应答

    res=IIC_Read_Byte(0);//读取数据，发送nACK

    IIC_Stop();//产生一个停止条件

    return res;

}

//IIC连续写

//addr:器件地址

//reg: 寄存器地址

//len: 写入长度

//buf: 数据区

//返回值: 0,正常

//              其他，错误代码

u8 IIC_Write_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)

{

    u8 i;

    IIC_Start();

    IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);//发送器件地址+写命令

    if(IIC_Wait_Ack())//等待应答

    {

        IIC_Stop();

        return 1;

    }

    IIC_Send_Byte(reg);//写寄存器地址

    IIC_Wait_Ack();//等待应答

    for(i=0;i    {

        IIC_Send_Byte(buf[i]);//发送数据

        if(IIC_Wait_Ack())//等待ACK

        {

            IIC_Stop();

            return 1;

        }

    }

    IIC_Stop();

    return 0;

}

//IIC连续读

//addr:器件地址

//reg:要读取的寄存器地址

//len:要读取得长度

//buf:读取到的数据存储区

//返回值: 0,正常

//              其他，错误代码

u8 IIC_Read_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)

{

    IIC_Start();