基于mpu6050的角速度测量（主控stm32f103 Sram 23LC1024，c#上位机）

大二时设计过一款角速度测量装置，用于测量特定物品的角速度，现整理下。实现效果是旋转物体开始旋转到停止时，收到上位机信号，将测量数据传给上位机，上位机分析后得出一条角速度曲线。

引言

本项目是基于stm32f103c8t6单片机的角速度测量装置及上位机的开发。目前市场上测量小型旋转轴的角速度的传感器量程相对较小，普遍在300°/sec上下，远远不够满足当前的需求。因此开发了这种小型装置用于测量相对快速的旋转轴的角速度。

下位机设计：主控stm32，数据通过mpu6050采集数存到Sram23LC1024,上位机需要数据时，发个命令数据从Sram中读出通过蓝牙传到上位机。

上位机设计：接收下位机的数据并进行数据分析得出角速度，汇出相关波形图像。

方案选择

方案一：

Mpu6050 原始数据读取，比较简单精准。传感器上传的原始数据就为三轴角速度和三轴加速度直接获取Z轴角速度即可

但其最大量程为正负2000度每秒，转速最大约5.56圈每秒，实验几次速度一加大就会超量程。

优点：速度快，测速精准，且运算时间短

缺点：量程不够大

方案二：

通过姿态融合解算出当前板子yaw轴角度，每隔一段时间测量一次，获取角度差，除上对应时间差得出角速度，当时间差足够小时（最小20ms）可近似看成瞬时角速度。

优点：量程允许理论最大可测角速度为（360/0.02=18000度每秒）

缺点：姿态融合算法复杂，较一方案误差稍大

一、基本电路原理

1、stm32最小系统电路

stm32最小系统电路包括晶振电路，复位电路，下载电路。我还在其中加了电源电压检测电路，用于实时检测电源电压

电源电路

因为该装置需要体积小巧，所以我采用了纽扣电池2032供电。一节纽扣电池为3v，整个系统需要3.3v供电，所以我采用两节2032电池串联6v 用LMS1117-3.3稳压至3.3v供电。

MPU6050外围电路

用于测量角速度

4、蓝牙外围电路

蓝牙外围电路由于蓝牙要配对，加之其电流需求较大。为了配对和调试方便，我将蓝牙电源和其他电源分离。

5、SRAM外围电路

用于拓展内存，快速存取数据加快响应时间，该模块为SPI接口，SRAM_CSN为片选端

6、LED指示灯模块

用于提示指示作用

PCB布线布局

确保传输不受影响，蓝牙天线下必须不走线不铺地甚至镂空。

高频走线旁边可放置接地过孔

正面布线

反面布线

正面全局

背面全局

下位机程序编写及分析

程序流程图

SRAM驱动编程

本项目为了加快传输速度和扩大内存，选用了外扩SRAM，具体型号为23LC1024。是一款支持SPI（SDI,SQI）串行口的储存芯片。该芯片有三种读写模式分别为连续读写（默认），字节读写，和页读写。本项目为了增加速度，选用SPI连续读写模式。以下为其时序图：

SPI采用stm32硬件spi接口速度18M 以下为spi配置：

#include "spi.h"

SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

//初始化SPI

void SPI1_Init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);

SPI_InitStructure.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;

SPI_InitStructure.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;

SPI_InitStructure.SPI_DataSize=SPI_DataSize_8b;

SPI_InitStructure.SPI_CPOL=SPI_CPOL_High;

SPI_InitStructure.SPI_CPHA=SPI_CPHA_2Edge;

SPI_InitStructure.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler=SPI_BaudRatePrescaler_256;

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit=SPI_FirstBit_MSB;

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial=7;

SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);

SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);

SPI1_ReadWriteByte(0xff);

}

//指定速度18M

void SPI1_SetSpeed(u8 SpeedSet)

{

SPI1->CR1&=0XFFC7;

SPI1->CR1|=SpeedSet;

SPI1->CR1|=1<<6;

}

//读写字节

u8 SPI1_ReadWriteByte(u8 TxData)

{

u8 retry=0;

while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE)==RESET)

{

retry++;

if(retry>200)return 0;

}

SPI_I2S_SendData(SPI1,TxData);

retry=0;

while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE)==RESET)

{

retry++;

if(retry>200)return 0;

}

return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

}

以下为SRAM读写时序配置

：#include "sram.h"

#include "bluetooth.h"

#include "spi.h"

void SRAM_Init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2; //SPI CS

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //¸´ÓÃÍÆÍìÊä³ö

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);

SPI1_Init(); //³õÊ¼»¯SPI

SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_4); //ÉèÖÃÎª18MÊ±ÖÓ,¸ßËÙÄ£Ê½

}

void SRAM_WRByte_Mode()

{

SPI_SRAM_CS=0;

SPI1_ReadWriteByte(WR_MR);

SPI1_ReadWriteByte(BYTE_RW);

SPI_SRAM_CS=1;

}

void SRAM_RWSequ_Mode()

{

SPI_SRAM_CS=0;

SPI1_ReadWriteByte(WR_MR);

SPI1_ReadWriteByte(SEQU_RW);

SPI_SRAM_CS=1;

}

void SRAM_WriteOneByte(u8 WriteDataBuffer,u32 Adr)

{

SRAM_WRByte_Mode();

__NOP();

SPI_SRAM_CS=0;

SPI1_ReadWriteByte(WRITE);

SRAM_Write_Adr(Adr);

SPI1_ReadWriteByte(WriteDataBuffer);

SPI_SRAM_CS=1;

}

u8 SRAM_ReadOneByte(u32 Adr)

{

u8 ReadDataBuffer;

SRAM_WRByte_Mode();

__NOP();

SPI_SRAM_CS=0;

SPI1_ReadWriteByte(READ);

SRAM_Write_Adr(Adr);

ReadDataBuffer=SPI1_ReadWriteByte(0xff);

SPI_SRAM_CS=1;

return ReadDataBuffer;

}

void SRAM_Write_Adr(u32 Addr)

{

SPI1_ReadWriteByte((u8)((Addr)>>16)&0xff);

SPI1_ReadWriteByte((u8)((Addr)>>8)&0xff);

SPI1_ReadWriteByte((u8)(Addr)&0xff);

}

void SRAM_Write_Data(u32 Addr,u8 *pBuffer,u32 WriteBytesNum)

{

u8 i;

SRAM_RWSequ_Mode();

__NOP();

SPI_SRAM_CS=0;

SPI1_ReadWriteByte(WRITE);

SRAM_Write_Adr(Addr);

for(i = 0;i < WriteBytesNum; i++)

{

SPI1_ReadWriteByte(pBuffer[i]);

}

SPI_SRAM_CS=1;

}

void SRAM_Read_Data(u32 Addr,u8 *pBuffer,u32 ReadBytesNum)

{

u8 i;

SRAM_RWSequ_Mode();

__NOP();

SPI_SRAM_CS=0;

SPI1_ReadWriteByte(READ);

SRAM_Write_Adr(Addr);

for(i = 0;i < ReadBytesNum; i++)

{

pBuffer[i] = SPI1_ReadWriteByte(0xff);

}

SPI_SRAM_CS=1;

}

u8 sram_test()

{

SRAM_WriteOneByte(TEST_byte,0);

if(SRAM_ReadOneByte(0)==TEST_byte)

return 0;

else

return 1;

}

MPU6050编程

本项目传感器，iic接口。原始数据为三轴加速度和三轴角速度。本可以直接三轴角速度采样，但由于量程不够大，所以只能姿态解算出每个时刻的角度测角速度。姿态解算采用官方DMP移植，关于欧拉角和四元数这里就不细细讨论了。以下贴出部分代码

初始化

u8 MPU_Init(void)

{

u8 res;

MPU_IIC_Init();

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);

delay_ms(100);

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);

MPU_Set_Gyro_Fsr(3);

MPU_Set_Accel_Fsr(0);

MPU_Set_Rate(50);

MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00);

MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);

MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);

MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80);

res=MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);

if(res==MPU_ADDR)//Æ÷¼þIDÕýÈ·

{

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);

MPU_Set_Rate(50);

}else return 1;

return 0;

}

量程设置

u8 MPU_Set_Gyro_Fsr(u8 fsr)

{

return MPU_Write_Byte(MPU_GYRO_CFG_REG,fsr<<3);

}

u8 MPU_Set_Accel_Fsr(u8 fsr)

{

return MPU_Write_Byte(MPU_ACCEL_CFG_REG,fsr<<3);

}

低通滤波器设置

u8 MPU_Set_LPF(u16 lpf)

{

u8 data=0;

if(lpf>=188)data=1;

else if(lpf>=98)data=2;

else if(lpf>=42)data=3;

else if(lpf>=20)data=4;

else if(lpf>=10)data=5;

else data=6;

return MPU_Write_Byte(MPU_CFG_REG,data);

}

采样频率

u8 MPU_Set_Rate(u16 rate)

{

u8 data;

if(rate>1000)rate=1000;

if(rate<4)rate=4;

data=1000/rate-1;

data=MPU_Write_Byte(MPU_SAMPLE_RATE_REG,data);

return MPU_Set_LPF(rate/2);

}

温度值

short MPU_Get_Temperature(void)

{

u8 buf[2];

short raw;

float temp;

MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_TEMP_OUTH_REG,2,buf);

raw=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];

temp=36.53+((double)raw)/340;

return temp*100;;

}

得到原始数据

u8 MPU_Get_Gyroscope(short *gx,short *gy,short *gz)

{

u8 buf[6],res;

res=MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_GYRO_XOUTH_REG,6,buf);

if(res==0)

{

*gx=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];

*gy=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];

*gz=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];

}

return res;;

}

u8 MPU_Get_Accelerometer(short *ax,short *ay,short *az)

{

u8 buf[6],res;

res=MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_ACCEL_XOUTH_REG,6,buf);

if(res==0)

{

*ax=((u16)buf[0]<<8)|buf[1];

*ay=((u16)buf[2]<<8)|buf[3];

*az=((u16)buf[4]<<8)|buf[5];

}

return res;;

}

写

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

{

u8 i;

MPU_IIC_Start();

MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);

if(MPU_IIC_Wait_Ack())

{

MPU_IIC_Stop();

return 1;

}

MPU_IIC_Send_Byte(reg);

MPU_IIC_Wait_Ack();

for(i=0;i<len;i++)

{

MPU_IIC_Send_Byte(buf[i]);

if(MPU_IIC_Wait_Ack())

{

MPU_IIC_Stop();

return 1;

}

MPU_IIC_Stop();

return 0;

}

读

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

{

MPU_IIC_Start();

MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|0);

if(MPU_IIC_Wait_Ack())

{

MPU_IIC_Stop();

return 1;

}

MPU_IIC_Send_Byte(reg);

MPU_IIC_Wait_Ack();

MPU_IIC_Start();

MPU_IIC_Send_Byte((addr<<1)|1);

MPU_IIC_Wait_Ack();

while(len)

{

if(len==1)*buf=MPU_IIC_Read_Byte(0);

else *buf=MPU_IIC_Read_Byte(1);

len--;

buf++;

}

MPU_IIC_Stop(); //²úÉúÒ»¸öÍ£Ö¹Ìõ¼þ

return 0;

}

u8 MPU_Write_Byte(u8 reg,u8 data)

{

MPU_IIC_Start();

MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);

if(MPU_IIC_Wait_Ack())

{

MPU_IIC_Stop();

return 1;

}

MPU_IIC_Send_Byte(reg);

MPU_IIC_Wait_Ack();

MPU_IIC_Send_Byte(data);

if(MPU_IIC_Wait_Ack())

{

MPU_IIC_Stop();

return 1;

}

MPU_IIC_Stop();

return 0;

}

u8 MPU_Read_Byte(u8 reg)

{

u8 res;

MPU_IIC_Start();

MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|0);

MPU_IIC_Wait_Ack();

MPU_IIC_Send_Byte(reg);

MPU_IIC_Wait_Ack();

MPU_IIC_Start();

MPU_IIC_Send_Byte((MPU_ADDR<<1)|1);

MPU_IIC_Wait_Ack();

res=MPU_IIC_Read_Byte(0);

MPU_IIC_Stop();

return res;

}

姿态解算

int dmp_read_fifo(short *gyro, short *accel, long *quat,

unsigned long *timestamp, short *sensors, unsigned char *more)

{

unsigned char fifo_data[MAX_PACKET_LENGTH];

unsigned char ii = 0;

/* TODO: sensors[0] only changes when dmp_enable_feature is called. We can

* cache this value and save some cycles.

sensors[0] = 0;

/* Get a packet. */

if (mpu_read_fifo_stream(dmp.packet_length, fifo_data, more))

return -1;

/* Parse DMP packet. */

if (dmp.feature_mask & (DMP_FEATURE_LP_QUAT | DMP_FEATURE_6X_LP_QUAT)) {

#ifdef FIFO_CORRUPTION_CHECK

long quat_q14[4], quat_mag_sq;

#endif

quat[0] = ((long)fifo_data[0] << 24) | ((long)fifo_data[1] << 16) |

((long)fifo_data[2] << 8) | fifo_data[3];

quat[1] = ((long)fifo_data[4] << 24) | ((long)fifo_data[5] << 16) |

((long)fifo_data[6] << 8) | fifo_data[7];

quat[2] = ((long)fifo_data[8] << 24) | ((long)fifo_data[9] << 16) |

((long)fifo_data[10] << 8) | fifo_data[11];

quat[3] = ((long)fifo_data[12] << 24) | ((long)fifo_data[13] << 16) |

((long)fifo_data[14] << 8) | fifo_data[15];

ii += 16;

#ifdef FIFO_CORRUPTION_CHECK

/* We can detect a corrupted FIFO by monitoring the quaternion data and

* ensuring that the magnitude is always normalized to one. This

* shouldn't happen in normal operation, but if an I2C error occurs,

* the FIFO reads might become misaligned.

* Let's start by scaling down the quaternion data to avoid long long

* math.

quat_q14[0] = quat[0] >> 16;

quat_q14[1] = quat[1] >> 16;

quat_q14[2] = quat[2] >> 16;

quat_q14[3] = quat[3] >> 16;

quat_mag_sq = quat_q14[0] * quat_q14[0] + quat_q14[1] * quat_q14[1] +

quat_q14[2] * quat_q14[2] + quat_q14[3] * quat_q14[3];

if ((quat_mag_sq < QUAT_MAG_SQ_MIN) ||

(quat_mag_sq > QUAT_MAG_SQ_MAX)) {

/* Quaternion is outside of the acceptable threshold. */

mpu_reset_fifo();

sensors[0] = 0;

return -1;

}

sensors[0] |= INV_WXYZ_QUAT;

#endif

}

if (dmp.feature_mask & DMP_FEATURE_SEND_RAW_ACCEL) {

accel[0] = ((short)fifo_data[ii+0] << 8) | fifo_data[ii+1];

accel[1] = ((short)fifo_data[ii+2] << 8) | fifo_data[ii+3];

accel[2] = ((short)fifo_data[ii+4] << 8) | fifo_data[ii+5];

ii += 6;

sensors[0] |= INV_XYZ_ACCEL;

}

if (dmp.feature_mask & DMP_FEATURE_SEND_ANY_GYRO) {

gyro[0] = ((short)fifo_data[ii+0] << 8) | fifo_data[ii+1];

gyro[1] = ((short)fifo_data[ii+2] << 8) | fifo_data[ii+3];

gyro[2] = ((short)fifo_data[ii+4] << 8) | fifo_data[ii+5];

ii += 6;

sensors[0] |= INV_XYZ_GYRO;

}

/* Gesture data is at the end of the DMP packet. Parse it and call

* the gesture callbacks (if registered).

if (dmp.feature_mask & (DMP_FEATURE_TAP | DMP_FEATURE_ANDROID_ORIENT))

decode_gesture(fifo_data + ii);

get_ms(timestamp);

return 0;

}

得到姿态角 pitch roll yaw

我们需要的是yaw轴数据

串口响应程序

收到 0x0d 0x0a结尾的数据立即送Sram发送数据。

if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)

{

Res =USART_ReceiveData(USART1);

if((USART_RX_STA&0x8000)==0)

{

if(USART_RX_STA&0x4000)

if(Res!=0x0a)USART_RX_STA=0;

else

{

USART_RX_STA|=0x8000;

LED5=~LED5;

TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);

Send_Data_From_Sram(Data_buffer,i_address);

USART_RX_STA=0;

}

else

{

if(Res==0x0d)USART_RX_STA|=0x4000;

else

{

USART_RX_BUF[USART_RX_STA&0X3FFF]=Res ;

USART_RX_STA++;

if(USART_RX_STA>(USART_REC_LEN-1))USART_RX_STA=0;

}

整体框架及算法

初始化及主函数

先模块初始化然后在中断中写入数据直到串口获得信号输出数据

u8 Init()

{

u8 Flag_MPU;

TIM3_Int_Init(500,71);

uart_init(115200);

delay_init();

LED_Init();

SRAM_Init();

MPU_Init();

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

Flag_MPU=mpu_dmp_init()||sram_test();

return Flag_MPU;

}

int main(void)

{

u8 Flag;

Flag=Init();

while(Flag)

{

LED1=0;

Flag=mpu_dmp_init()||sram_test();

}

while(1)

{

}

中断函数

十毫秒采一次样写入SRAM 数据帧格式为 0xaa 0x 0x 0xbb

short gyrox,gyroy,gyroz;

//u8 tbuf[2];u8 tbuf[5];

u32 i_address;

float pitch,roll,yaw;

int last_yaw,now_yaw,temp_yaw,error_yaw;

void TIM3_IRQHandler(void)

{

static u8 ms10 = 0;

static u16 ms1000=0;

if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) {

TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);

ms10++;

ms1000++;

if(ms10==20)

{

ms10=0;

if(mpu_dmp_get_data(&pitch,&roll,&yaw)==0);

temp_yaw=now_yaw;

now_yaw=(int)(yaw*10000);

last_yaw=temp_yaw;

error_yaw=now_yaw-last_yaw;

if(error_yaw!=0)

{

tbuf[0]=0xaa;

tbuf[1]=(u8)((error_yaw>>16)&0XFF);

tbuf[2]=(u8)((error_yaw>>8)&0XFF);

tbuf[3]=(u8)(error_yaw&0XFF);

tbuf[4]=0xbb;

SRAM_Write_Data(i_address,tbuf,5);

i_address+=5;

if(i_address>=131070)

{

LED3=0; i_address=131070;

}

if(ms1000==2000)

{

ms1000=0;

LED1=~LED1;

}

上位机程序编写及分析

上位机简介

此项目用的上位机是基于c#编写而成，分为串口调试助手和波形显示两部分。波形绘制基于GDI库

串口助手部分

波形显示部分

数据处理

下位机上传数据分析

这里的图被word吃掉了。。。。。。。

0处为初始化位置。

顺时针转0~-180 对应yaw*10000数据为FFFFFF~E488BF 此方向标记为负方向

逆时针转0~180 对应yaw*10000数据为000000~1B7740 次方向标记为正方向

上传数据为十毫秒间隔的相邻位置差。

负方向数据处理 -（（0-差值）&0x00ffffff/10000*100）

正方向数据处理差值/10000*100

上传数据>7fffff 为负方向数据

<7fffff 为正方向数据

越过1的数据点自动忽略不计入数据

具体实现代码

if (Data[i + 1]>=0X7f)

buffer = (double)(-((0-(int)((Data[i + 1] << 16) | (Data[i + 2] <<8) | (Data[i + 3])))&0X00FFFFFF)/100.00);

else

buffer = (double)((int)((Data[i + 1] << 16) | (Data[i + 2] << 8) | (Data[i + 3])) / 100.00);

换算出来的数据单位为度每秒

Data_Save 将换算后的数据保存为excel表格导入matlab 出来结果单位为R\min

部分数据

不带纺轮带纺轮

Matlab代码

A = xlsread('C:\Users\Administrator\Desktop\二类四次.xlsx');

t=A(:,1);

y=A(:,3);

plot(t,y);

hold on;

B = xlsread('C:\Users\Administrator\Desktop\一类三次.xlsx');

t=B(:,1);

y=B(:,3);

plot(t,y);

MATLAB图像

图像解释：

不带纺轮加速度比较大，速度回到0的时间较短而且会正转

带纺轮角速度比较小，可以转的时间比较长而且回到零速度时不太会正转。

最下面的平线我觉得还是有点问题，可能是超过量程，精度。

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