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STM32--MPU6050与I2C外设

news 2025/7/16 4:06:57

文章目录

前言
MPU6050
- 参数
- 电路
- MPU6050框图
IIC外设
- 框图
IIC的基本结构
软件IIC实现MPU6050
硬件IIC实现MPU6050

前言

在51单片机专栏中，用过I2C通信来进行实现AT24C02的数据存储；
里面介绍的是利用程序的编程来实现I2C的时序，进而实现AT24C02与单片机之间的关系连接；
本章将介绍使用I2C的硬件外设来实现I2C通信，和介绍MPU6050，利用I2C通信实现STM32对MPU6050的控制.

I2C通信软件实现程序链接入口

MPU6050

MPU6050是一种集成三轴陀螺仪和三轴加速度计的六轴运动处理组件。
可以用来感知物体的旋转和加速度运动，并提供相应的测量数据。

在这里插入图片描述

MPU6050采用微机电系统（MEMS）技术，通过测量微小的力和振动来检测物体的运动。其内置的三轴陀螺仪可以测量绕X、Y、Z轴的角速度，而三轴加速度计可以测量物体在X、Y、Z轴上的加速度。通过结合两者的数据，可以获得更准确的运动信息。

MPU6050还具有一个可扩展的数字运动处理器（DMP），可以实现更复杂的运动处理功能。DMP可以通过主要的I2C或SPI端口输出完整的九轴运动融合数据，当连接到三轴磁强计时，可以获得更全面的运动信息。

MPU6050广泛应用于飞行器、机器人、游戏控制器等领域，可以提供准确的姿态感知和运动跟踪功能。它的集成设计减少了封装空间和组合陀螺仪与加速度计时间轴不匹配的问题，使其在各种应用中具有较高的可靠性和性能。

参数

角速度全格感测范围：±250、±500、±1000、±2000°/sec（dps)
可追踪快速和慢速动作

加速度全格感测范围：±2g、±4g、±8g、±16g

产品传输可透过最高至400kHz的IIC

16位ADC采集传感器的模拟信号，量化范围：-32768~32767

I2C从机地址：
1101000（AD0=0） 0x68
1101001（AD0=1）0x69

这里的地址是没有融入读写地址位的，如果融入读写地址位，那么将通过左移的方式，变成11010000，0xD0；11010001，0xD1。

电路

在这里插入图片描述
最右边的是MPU6050的芯片，左下角是8针的排针，左上角是一个低压差线性稳压器。

芯片包括时钟、IIC通信引脚、供电、帧同步等，本章有很多是用不到的。

左下角VCC和GND是引脚供电；SCL和SDA是IIC通信的引脚，在芯片处，SCL和SDA已经内置了两个4.7k的上拉电阻，在接线时，可以直接连接到GPIO口。
XCL和XDA是主机的IIC引脚，目的是为了拓展芯片功能，可拓展磁力计等功能。
AD0是从机地址的最低位，接低电平时，7位从机地址为1101000，接高电平时，7位从机地址就是1101001.这里默认连接上了弱下拉到低电平，引脚悬空时，即为低电平。倘若想变为高电平，可以直接连接VCC，强上拉为高电平。
INT是中断输出引脚，可配置芯片内部一些事件，来触发中断引脚的输出。

左上角LD0是供电的逻辑，MPU6050芯片的VCC供电为2.375~3.46V，属于3.3V的供电设备，为了扩大供电范围，设计者在电路中加入3.3V的稳压器，输入端电压VCC_5V可以在3.3V到5V之间，经过稳压器后即可输出3.3V的电压，一旦3.3V端有电压，指示灯就会亮起。

MPU6050框图

在这里插入图片描述
该图即为芯片的内部结构。

左上角是时钟系统，有时钟输入脚和时钟输出脚。

灰色部分就是芯片的传感器，分别是XYZ轴的加速度计，XYZ轴的陀螺仪。且还内置一个温度传感器，本质上传感器就是可变电阻，所以通过ADC模数转换，就可以产生数据放在数据寄存器中。我们只需要读取寄存器中的数据即可得到测量值。

最左边是用来验证芯片的好坏的，当启动自测后，芯片内部会模拟一个外力施加在传感器上，该数据一般给的比平时大一些。可以用使能自测，读取数据，再使能自测，读取数据，最后数据差称为数据响应，只要数据响应在规定范围内，则表明芯片没问题。

ChargePump为电荷泵，这是一种升压电路，会连接一个电容。
电荷泵与电容并联时，可为电容充电，串联时，那么电荷泵和电容一起为芯片供电，提供比原来大的电压。

右边是通信接口和一些寄存器。
中断状态寄存器，可以控制内部的某些事件到中断引脚的输出；
FIFO是先入先出寄存器，可以对数据流进行缓冲；
配置寄存器，可以对内部电路进行配置。
传感器寄存器，也就是数据寄存器，存储各传感器的数据。
工厂校准，内部的传感器都进行了校准；
数字运动处理器（DMP），这是芯片内部自带的一个姿态解算的硬件算法。

然后就是IIC通信的接口，链接着STM32，下面还有一些是主机的IIC通信接口。通过（SIBM）寄存器选择。

IIC外设

STM32内部集成了硬件I2C收发电路，可以由硬件自动执行时钟生成、起始终止条件生成、应答位收发、数据收发等功能，减轻CPU的负担

支持多主机模型

支持7位/10位地址模式

支持不同的通讯速度，标准速度(高达100 kHz)，快速(高达400 kHz)

支持DMA

兼容SMBus协议

STM32F103C8T6 硬件I2C资源：I2C1、I2C2

框图

在这里插入图片描述
SDA接收数据和发送数据；
对于要发送的数据，会从数据寄存器转移到数据移位寄存器中，数据移位寄存器再通过引脚串行发送数据位；
对于要接收的数据，也会先放到数据移位寄存器中，数据寄存器再从移位寄存器中取数据，这样做的目的是为了更好的缓存数据，防止有些数据会丢失。
数据寄存器可以通过写入控制寄存器对应位进行操作。

比较器和地址寄存器是从机模式使用的，STM32的IIC是基于可变多主机模型设计的，当STM32不通信时，可作为从机，可被别人召唤，这时就需要一个地址。
PEC是一个数据校验模块，当发送一个多数据帧时，硬件可以自动执行CRC校验计算，CRC是一种校验算法，会根据前面这些数据，进行各种数据运算，会得到一个字节的校验位，加在数据帧后面；STM32也可以自动对数据帧进行判断，如果数据在传输过程中出错，CRC算法通不过，硬件就会置校验错误标志位。

SCL连接着时钟控制。
SMBALEART是用于SMBus模式的，不使用该模式接口不能使用。

IIC的基本结构

在这里插入图片描述
数据控制器，控制对数据的发送和接收；
时钟控制器，控制对时钟的流动；
再接上GPIO口，最后把开关控制启用，就能实现IIC通信。

软件IIC实现MPU6050

OLED代码链接入口

连接方式:
在这里插入图片描述

利用OLED屏幕显示MPU6050陀螺仪和加速度各轴数据；

IIC.h

#ifndef __I2C_H__
#define __I2C_H__void I2C_INIT();
void I2C_Start();
void I2C_Stop();
void I2C_SendByte(uint8_t Byte);
uint8_t I2C_ReceiveByte();
void I2C_SendAck(uint8_t AckBit);
uint8_t I2C_ReceiveAck();#endif

IIC.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"void I2C_W_SCL(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_10,(BitAction)BitValue);Delay_us(10); //延迟是让函数有时间反应
}void I2C_W_SDA(uint8_t BitValue)
{GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_11,(BitAction)BitValue);Delay_us(10); //延迟是让函数有时间反应
}uint8_t I2C_R_SDA()
{uint8_t BitValue;BitValue=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_11);Delay_us(10);return BitValue;
}void I2C_INIT()
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD; //开漏弱上拉输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11);
}void I2C_Start()
{I2C_W_SDA(1);I2C_W_SCL(1);I2C_W_SDA(0);I2C_W_SCL(0);
}void I2C_Stop()
{I2C_W_SDA(0);I2C_W_SCL(1);I2C_W_SDA(1);
}void I2C_SendByte(uint8_t Byte)
{uint8_t i;for(i=0;i<8;i++){I2C_W_SDA(Byte&(0x80>>i));//高电平锁存，从机读取I2C_W_SCL(1);I2C_W_SCL(0);}
}uint8_t I2C_ReceiveByte()
{uint8_t i,Byte=0x00;I2C_W_SDA(1); //主机释放SDAfor(i=0;i<8;i++){I2C_W_SCL(1); //SCL高电平期间主机读取从机发送的数据if(I2C_R_SDA()==1){Byte|=(0x80>>i);}I2C_W_SCL(0);}return Byte;
}void I2C_SendAck(uint8_t AckBit)
{I2C_W_SDA(AckBit);//高电平锁存，从机读取I2C_W_SCL(1);I2C_W_SCL(0);
}uint8_t I2C_ReceiveAck()
{uint8_t AckBit;I2C_W_SDA(1); //主机释放SDAI2C_W_SCL(1); //SCL高电平期间主机读取从机发送的数据AckBit=I2C_R_SDA(); I2C_W_SCL(0);return AckBit;
}

这部分实现的是IIC的六个主要部分的代码，与51单片机上的时序基本一致；在STM32上，是利用GPIO口来实现高低电平的输入输出。

输出模式用开漏输出，当输出低电平时，电路会强下拉，变为低电平；
当输出为高电平时，为弱上拉，一旦有下拉电平输入，就会变成低电平。

该模式不止可以实现输出，也可以实现对IIC的接收，当输入为1时，在SCL高电平时STM32会读取；当输入为0时，在SCL高电平STM32会读取.

MPU6050_tag.h

#ifndef __MPU6050_REG_H
#define __MPU6050_REG_H#define	MPU6050_SMPLRT_DIV		0x19
#define	MPU6050_CONFIG			0x1A
#define	MPU6050_GYRO_CONFIG		0x1B
#define	MPU6050_ACCEL_CONFIG	0x1C#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_H	0x3B
#define	MPU6050_ACCEL_XOUT_L	0x3C
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_H	0x3D
#define	MPU6050_ACCEL_YOUT_L	0x3E
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_H	0x3F
#define	MPU6050_ACCEL_ZOUT_L	0x40
#define	MPU6050_TEMP_OUT_H		0x41
#define	MPU6050_TEMP_OUT_L		0x42
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_H		0x43
#define	MPU6050_GYRO_XOUT_L		0x44
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_H		0x45
#define	MPU6050_GYRO_YOUT_L		0x46
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_H		0x47
#define	MPU6050_GYRO_ZOUT_L		0x48#define	MPU6050_PWR_MGMT_1		0x6B
#define	MPU6050_PWR_MGMT_2		0x6C
#define	MPU6050_WHO_AM_I		0x75#endif

MPU6050.h

#ifndef __MPU6050_H__
#define __MPU6050_H__void MPU6050_Init();
uint8_t MPU6050_GetID();
void MPU6050_GetData(int16_t* AccX,int16_t* AccY,int16_t* AccZ,int16_t* GyroX,int16_t* GyroY,int16_t* GyroZ);#endif

MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "I2C.h"
#include "MPU6050_rag.h"#define MPU6050_ADDRESS 0xD0void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress,uint8_t Data)
{I2C_Start();I2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);I2C_ReceiveAck();I2C_SendByte(RegAddress);I2C_ReceiveAck();I2C_SendByte(Data);I2C_ReceiveAck();I2C_Stop();}uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;I2C_Start();I2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS);I2C_ReceiveAck();I2C_SendByte(RegAddress);I2C_ReceiveAck();I2C_Start();I2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS|0x01);I2C_ReceiveAck();Data=I2C_ReceiveByte();I2C_SendAck(1); //主机不应答，主机收回主动权，让从机停止发送数据字节I2C_Stop();return Data;}void MPU6050_Init()
{I2C_INIT();MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1,0x01); //解除睡眠，选择陀螺仪时钟MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1,0x00); //6个轴均不待机MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV,0x09); //采样分频为10MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);  //滤波参数给最大MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18); //最大陀螺仪量程MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18); //最大加速度量程}uint8_t MPU6050_GetID()
{return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}void MPU6050_GetData(int16_t* AccX,int16_t* AccY,int16_t* AccZ,int16_t* GyroX,int16_t* GyroY,int16_t* GyroZ)
{uint8_t DataH,DataL;DataH=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);DataL=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);*AccX=(DataH<<8)|DataL;DataH=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);DataL=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);*AccY=(DataH<<8)|DataL;DataH=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);DataL=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);*AccZ=(DataH<<8)|DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);*GyroX = (DataH << 8) | DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);*GyroY = (DataH << 8) | DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;}

第一个代码块是对MPU6050一些寄存器地址的宏定义，主要有采样分频寄存器、陀螺仪配置寄存器、加速度配置寄存器、加速度数据寄存器、陀螺仪数据寄存器、状态寄存器1/2、地址寄存器。

对于MPU6050的读写，采用了IIC通信时序实现
写时序：
读时序：

数据存储器为16位存储；

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MPU6050.h"uint8_t ID;
int16_t AX,AY,AZ,GX,GY,GZ;int main()
{OLED_Init();MPU6050_Init();OLED_ShowString(1,1,"ID:");ID=MPU6050_GetID();OLED_ShowHexNum(1,4,ID,2);while(1){MPU6050_GetData(&AX,&AY,&AZ,&GX,&GY,&GZ);OLED_ShowSignedNum(2,1,AX,5);OLED_ShowSignedNum(3,1,AY,5);OLED_ShowSignedNum(4,1,AZ,5);OLED_ShowSignedNum(2,8,GX,5);OLED_ShowSignedNum(3,8,GY,5);OLED_ShowSignedNum(4,8,GZ,5);}
}

硬件IIC实现MPU6050

连接方式与软件的保持一致。由于是硬件外设，需要注意引脚有没有支持该IIC功能。
在这里插入图片描述
对于硬件外设，我们只需要对软件实现部分的IIC通信进行修改。
MPU6050.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "MPU6050_rag.h"#define MPU6050_ADDRESS 0xD0void MPU6050_WaitEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT)
{uint32_t Timeout;Timeout = 10000;while (I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) != SUCCESS){Timeout --;if (Timeout == 0){break;}}
}void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress,uint8_t Data)
{I2C_GenerateSTART(I2C2,ENABLE); //SMPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT); //EV5I2C_Send7bitAddress(I2C2,MPU6050_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter);MPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED); //EV6I2C_SendData(I2C2,RegAddress);MPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTING); //EV8I2C_SendData(I2C2,Data);MPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED); //EV8_2I2C_GenerateSTOP(I2C2,ENABLE);
}uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{uint8_t Data;I2C_GenerateSTART(I2C2,ENABLE); //SMPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT); //EV5I2C_Send7bitAddress(I2C2,MPU6050_ADDRESS,I2C_Direction_Transmitter); MPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED); //EV6I2C_SendData(I2C2,RegAddress); MPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);I2C_GenerateSTART(I2C2,ENABLE); //SMPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT); //EV5I2C_Send7bitAddress(I2C2,MPU6050_ADDRESS,I2C_Direction_Receiver);MPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_RECEIVER_MODE_SELECTED); //EV6//EV7_1I2C_AcknowledgeConfig(I2C2,DISABLE);//应答位禁用    I2C_GenerateSTOP(I2C2,ENABLE); //PMPU6050_WaitEvent(I2C2,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_RECEIVED); //EV7Data=I2C_ReceiveData(I2C2);I2C_AcknowledgeConfig(I2C2,ENABLE); //应答位启用return Data;}void MPU6050_Init()
{RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C2,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_OD; //复用开漏输出GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;I2C_InitStructure.I2C_Ack=I2C_Ack_Enable; //启用应答位I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress=I2C_AcknowledgedAddress_7bit; //确认地址模式I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed=50000; //时钟频率I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle=I2C_DutyCycle_2; //占空比I2C_InitStructure.I2C_Mode=I2C_Mode_I2C; //模式选择I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1=0x00;I2C_Init(I2C2,&I2C_InitStructure);I2C_Cmd(I2C2,ENABLE);MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1,0x01); //解除睡眠，选择陀螺仪时钟MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1,0x00); //6个轴均不待机MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV,0x09); //采样分频为10MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06);  //滤波参数给最大MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18); //最大陀螺仪量程MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18); //最大加速度量程}uint8_t MPU6050_GetID()
{return MPU6050_ReadReg(MPU6050_WHO_AM_I);
}void MPU6050_GetData(int16_t* AccX,int16_t* AccY,int16_t* AccZ,int16_t* GyroX,int16_t* GyroY,int16_t* GyroZ)
{uint8_t DataH,DataL;DataH=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H);DataL=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L);*AccX=(DataH<<8)|DataL;DataH=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H);DataL=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L);*AccY=(DataH<<8)|DataL;DataH=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H);DataL=MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L);*AccZ=(DataH<<8)|DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L);*GyroX = (DataH << 8) | DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L);*GyroY = (DataH << 8) | DataL;DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H);DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L);*GyroZ = (DataH << 8) | DataL;}

这里的初始化，GPIO引脚需要用到复用模式，因为IIC外设是片上外设；
接收数据和发送数据要根据STM32的要求，

根据响应事件来确定事件的产生效果，所以会在每条条件后执行响应事件。
对于所给的库函数，有些事件（EVX）没有提供，一些可以省略，一些需要对程序进行一定的整改。
如上面的EV8_1,确保数据寄存器和移位寄存器为空，在我们一开始调用时，就为空，所以可以对它进行忽略。

接收数据的EV7_1，描述到，设置应答位为无应答，和Stop请求；对于连续接收的数据，需要在最后一个数据之前进行EV7_1响应，在进行EV7_1响应时，因为最后一个数据会先放到移位寄存器中，最后第二个会在数据寄存器中。需要提前STOP请求，表示，接收结束。
而在程序中，我们只是对一个数据进行接收，并没有连续接收数据，但道理一样，需要提前STOP请求。而在库函数中刚好没有对应的函数，需要自己禁用ACK和STOP请求。

上软下硬：
在这里插入图片描述

这时软件和硬件的波形对比，会发现，在应答位硬件会更快应答，只要到到SCL下降沿和SDA上升沿，就会产生应答。这就是硬件的优势；

在软件中，由于是同步时序，对于时间没有严格要求，只要在对应时间完成对应的电平操作即可，所以IIC通信才可以实现软件编程。而软件编程相对来说，也比较容易理解。