STM32CubeMX教程19 I2C - MPU6050驱动

时间：2024-01-20 21:19:35

1、准备材料

正点原子stm32f407探索者开发板V2.4

STM32CubeMX软件（Version 6.10.0）

野火DAP仿真器

keil µVision5 IDE（MDK-Arm）

ST-LINK/V2驱动

XCOM V2.6串口助手

逻辑分析仪nanoDLA

2、实验目标

使用STM32CubeMX软件配置STM32F407开发板的I2C1与MPU6050芯片通信，读取MPU6050的三轴加速度和陀螺仪数据并通过串口打印出来

3、实验流程

3.0、前提知识

本实验重点是理解I2C通信协议，而STM32CubeMX的配置则相对简单，这里不会过于详细全面的介绍I2C通信协议，但是会对所有需要知道的知识做介绍

在我们的开发板上有一颗三轴加速度计和陀螺仪传感器MPU6050，单片机通过I2C1的PB8和PB9两个引脚与MPU6050进行通信，MPU6050还有一个中断引脚，这里为3D_INT引脚，但是本实验仅仅轮询读取加速度计和陀螺仪的数据，并没有用到该引脚中断功能，我们使用的开发板上的MPU6050芯片硬件原理图如下图所示

I2C通信仅需要时钟线SCLK和数据线SDA两根线就可以让主机与挂载在I2C上的从机进行通信和数据交换，一个I2C理论上最多可挂载127个设备（从机地址用7位二进制表示）

为了让主机准确的与众多从机中的一个进行通信，每个从机都会有一个地址，I2C通信时会在通信数据中先发送从机地址，然后对应地址的从机才会响应

而且I2C通信使用的时钟线SCLK和数据线SDA两根线必须要做上拉设置，因为I2C的两个引脚被配置为开漏输出，因此无法输出高电平，I2C总线连线图如下图所示 （注释1）

MPU6050的从机地址由芯片上的AD0引脚确定，当AD0引脚接地时，从机地址为0X68；

当AD0引脚接VCC时，从机地址为0X69；

根据上面MPU6050芯片硬件原理图可知此时MPU6050的从机地址为0X68

根据MPU6050 datasheet 9.3 I2C Communications Protocol 小节可知 （注释2），主机要通过I2C写入/读取MPU6050某一个寄存器一字节的数据，其通信步骤序列应该如下图所示

我们以读取内部寄存器单个字节数据为例做详细介绍，首先确定通信的目的为主机Master从从机Slave内部某个寄存器internal register中读取一个字节数据，以下为详细通信步骤

  1. 主机时钟线SCLK和数据线SDA两根线产生起始信号（当 SCL 线是高电平时 SDA 线从高电平向低电平切换）
  2. 接下来时钟线SCLK的8个时钟节拍中，由数据线SDA发送一字节8位的数据，其中高7位为从机的地址，最后一位为0（1表示读操作，0表示写操作）
  3. 接下来1个时钟节拍，从机应该产生应答信号ACK
  4. 接下来8个时钟节拍，主机发送一字节8位的数据，该数据为要读取的从机内部寄存器地址
  5. 接下来1个时钟节拍，从机应该产生应答信号ACK
  6. 主机重新产生一个起始信号
  7. 接下来8个时钟节拍，重新发送一字节8位的数据，其中高7位为从机的地址，最后一位为1，表示这次要读
  8. 接下来1个时钟节拍，从机应该产生应答信号ACK
  9. 接下来8个时钟节拍，主机读取一字节8位数据
  10. 接下来1个时钟节拍，主机应该产生应答信号NACK
  11. 主机时钟线SCLK和数据线SDA两根线产生停止信号（当 SCL 线是高电平时 SDA 线由低电平向高电平切换）

接下来我们用逻辑分析仪捕获下主机使用I2C1读取MPU6050寄存器WHO_AM_I（0X75）时，时钟线SCLK和数据线SDA的逻辑电平变化，如下图所示，从图上可知I2C读取读取MPU6050内部寄存器的时序与上面我们所描述的一致

用逻辑分析仪捕获主机使用I2C1向MPU6050寄存器PWR_MGMT_1（0X6B）写入一字节0X00数据时，时钟线SCLK和数据线SDA的逻辑电平变化，如下图所示

为什么上图中从机地址从0X68变为0XD0了？

HAL库中的I2C写入函数HAL_I2C_Mem_Write()和读取函数HAL_I2C_Mem_Read()对传入从机地址DevAddress参数做了要求，该地址必须将数据手册中提到的地址左移才可以调用该接口

0X68（0110 1000）向左移动直到遇到1即为0XD0（1101 0000），在I2C通信中使用上述两个API，从机地址传入0XD0表示对从机地址为0X68的从机进行写操作，传入0XD1表示对从机地址为0X68的从机进行读操作

如下图为HAL库HAL_I2C_Mem_Read()函数说明

上面提到，当启用I2C之后，其I2C_SCL和I2C_SDA两个引脚被配置为了复用功能开漏输出，而开漏输出无法输出高电平，因此I2C_SCL和I2C_SDA两个引脚需要外部上拉，一般的开发板都会考虑到这一点，在设计原理图的时候将使用的I2C两根线给外部上拉到3.3V，如果你使用的是自己设计的板子，请务必记住I2C需要上拉

细心的同学可能又发现了，你上面给出的MPU6050硬件原理图I2C两根线并没有外部上拉呀？

虽然MPU6050硬件原理图I2C两根线没有上拉，但是在开发板的其他I2C通信的芯片上进行了外部上拉，如下图所示

3.1、CubeMX相关配置

3.1.0、工程基本配置

打开STM32CubeMX软件，单击ACCESS TO MCU SELECTOR选择开发板MCU（选择你使用开发板的主控MCU型号），选中MCU型号后单击页面右上角Start Project开始工程，具体如下图所示

开始工程之后在配置主页面System Core/RCC中配置HSE/LSE晶振，在System Core/SYS中配置Debug模式，具体如下图所示

详细工程建立内容读者可以阅读“STM32CubeMX教程1 工程建立”

3.1.1、时钟树配置

系统时钟使用8MHz外部高速时钟HSE，HCLK、PCLK1和PCLK2均设置为STM32F407能达到的最高时钟频率，具体如下图所示

3.1.2、外设参数配置

实验需要通过串口来输出与MPU6050进行I2C通信读取的陀螺仪和加速度计数据，因此外设需要初始化USART1和I2C1

单击Pinout & Configuration页面左边Connectivity/USART1选项，然后按照“STM32CubeMX教程9 USART/UART 异步通信”实验中将USART1配置为异步通信模式，无需开启中断，如下图所示

在Pinout ＆ Configuration页面右边芯片引脚预览Pinout view中找到与开发板上MPU6050芯片连接的I2C的两个通信引脚PB8和PB9，左边单击将其分别配置为I2C1_SCL和I2C1_SDA

然后单击Connectivity/I2C1选项，在其模式中选择I2C，在下方Master Features中将 I2C Speed Mode 根据用户需求选择快速模式（400kkHz）或者标准模式（100kHz），这两种模式仅仅影响通信速率，对于本实验两个模式均可随意选择

其他参数保持默认即可，具体配置如下图所示

3.1.3、外设中断配置

本实验无需启用中断，如果需要启用I2C1的中断，请单击System Core/NVIC，然后根据需求勾选I2C1的事件或错误中断，并选择合适的中断优先级即可，具体配置如下图所示

3.2、生成代码

3.2.0、配置Project Manager页面

单击进入Project Manager页面，在左边Project分栏中修改工程名称、工程目录和工具链，然后在Code Generator中勾选“Gnerate peripheral initialization as a pair of 'c/h' files per peripheral”，最后单击页面右上角GENERATE CODE生成工程，具体如下图所示

详细Project Manager配置内容读者可以阅读“STM32CubeMX教程1 工程建立”实验3.4.3小节

3.2.1、外设初始化调用流程

还是一模一样的流程，与该系列教程所有的外设初始化一致

在生成的工程代码主函数中新增了MX_I2C1_Init()函数，在该函数中实现了对I2C1的模式及参数配置

在MX_I2C1_Init()函数中调用了HAL_I2C_Init()函数使用配置的参数对I2C1进行了初始化

在HAL_I2C_Init()函数中又调用了HAL_I2C_MspInit()函数对I2C1引脚复用设置，I2C1时钟使能，如果开启了中断该函数中还会有中断相关设置及使能

如下图所示为I2C1初始化调用流程

3.2.2、外设中断调用流程

本实验无需中断，因此未启动任何I2C1的中断

3.2.3、添加其他必要代码

需要添加MPU6050的驱动文件，文件中至少应该包括

  1. MPU6050初始化函数
  2. MPU6050获取三轴加速度计原始数据函数
  3. MPU6050获取三轴陀螺仪原始数据函数

注意本实验只使用而不会介绍MPU6050具体驱动文件的原理，具体源代码如下所示 （注释3）

mpu6050.c文件

#include "mpu6050.h"
 
/**
* @brief 		MPU6050初始化函数
* @alter		无
* @param		无
* @retval 		成功返回0，失败返回1
*/
uint8_t MPU6050_Init(I2C_HandleTypeDef *I2Cx)
{
	uint8_t check;
	uint8_t Data;
 
	// check device ID WHO_AM_I
	HAL_I2C_Mem_Read(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_DEVICE_ID_REG, 1, &check, 1, I2C_TimeOut);
	// 0x68 will be returned by the sensor if everything goes well
	if (check == 104) 
	{
			// power management register 0X6B we should write all 0's to wake the sensor up
			Data = 0;
			HAL_I2C_Mem_Write(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_PWR_MGMT1_REG, 1, &Data, 1, I2C_TimeOut);
 
			// Set DATA RATE of 1KHz by writing SMPLRT_DIV register
			Data = 0x07;
			HAL_I2C_Mem_Write(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_SAMPLE_RATE_REG, 1, &Data, 1, I2C_TimeOut);
 
			// Set accelerometer configuration in ACCEL_CONFIG Register
			// XA_ST=0,YA_ST=0,ZA_ST=0, FS_SEL=0 ->   2g
			Data = 0x00;
			HAL_I2C_Mem_Write(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_ACCEL_CFG_REG, 1, &Data, 1, I2C_TimeOut);
 
			// Set Gyroscopic configuration in GYRO_CONFIG Register
			// XG_ST=0,YG_ST=0,ZG_ST=0, FS_SEL=0 ->   250  /s
			Data = 0x00;
			HAL_I2C_Mem_Write(I2Cx, MPU6050_ADDR, MPU_GYRO_CFG_REG, 1, &Data, 1, I2C_TimeOut);
			return 0;
	}
	return 1;
}
 
 
/**
* @brief 		MPU6050温度值获取函数
* @alter		无
* @param		无
* @retval 		温度值
*/
float MPU_Get_Temperature(void)
{
	uint8_t buf[2]; 
	short raw;
	float temp;
	HAL_I2C_Mem_Read(&MPU6050_I2C, MPU6050_ADDR, MPU_TEMP_OUTH_REG, 1, buf, 2, I2C_TimeOut);
	raw=((int16_t)buf[0]<<8)|buf[1];  
	temp=36.53+((double)raw)/340;  
	return temp;;
}
 
/**
* @brief 		MPU6050陀螺仪值获取函数(三轴原始值)
* @alter		无
* @param		gx,gy,gz:陀螺仪x,y,z轴的原始读数(带符号)
* @retval 		正常：0，错误：其他
*/
uint8_t MPU_Get_RAW_Gyroscope(int16_t *gx,int16_t *gy,int16_t *gz)
{
	uint8_t buf[6],res;  
	res = HAL_I2C_Mem_Read(&MPU6050_I2C, MPU6050_ADDR, MPU_GYRO_XOUTH_REG, 1, buf, 6, I2C_TimeOut);
	if(res==0)
	{
		*gx=((int16_t)buf[0]<<8)|buf[1];  
		*gy=((int16_t)buf[2]<<8)|buf[3];  
		*gz=((int16_t)buf[4]<<8)|buf[5];
	} 	
    return res;
}
 
/**
* @brief 		MPU6050加速度值获取函数(三轴原始值)
* @alter		无
* @param		ax,ay,az:加速度计x,y,z轴的原始读数(带符号)
* @retval 		正常：0，错误：其他
*/
uint8_t MPU_Get_RAW_Accelerometer(int16_t *ax,int16_t *ay,int16_t *az)
{
	uint8_t buf[6],res;  
	res = HAL_I2C_Mem_Read(&MPU6050_I2C, MPU6050_ADDR, MPU_ACCEL_XOUTH_REG, 1, buf, 6, I2C_TimeOut);
	if(res==0)
	{
		*ax=((int16_t)buf[0]<<8)|buf[1];  
		*ay=((int16_t)buf[2]<<8)|buf[3];  
		*az=((int16_t)buf[4]<<8)|buf[5];
	} 	
    return res;
}

mpu6050.h文件

#ifndef __MPU6050_H
#define __MPU6050_H
#include "main.h"
#include "i2c.h"
#endif
 
 
#define MPU6050_I2C      		hi2c1
#define MPU6050_ADDR     		0xD0   
#define I2C_TimeOut  			100
 
/*MPU6050内部寄存器地址*/
#define MPU_SAMPLE_RATE_REG		0X19	//采样频率分频器
#define MPU_GYRO_CFG_REG		0X1B	//陀螺仪配置寄存器
#define MPU_ACCEL_CFG_REG		0X1C	//加速度计配置寄存器
#define MPU_ACCEL_XOUTH_REG		0X3B	//加速度值,X轴高8位寄存器
#define MPU_TEMP_OUTH_REG		0X41	//温度值高八位寄存器
#define MPU_GYRO_XOUTH_REG		0X43	//陀螺仪值,X轴高8位寄存器
#define MPU_PWR_MGMT1_REG		0X6B	//电源管理寄存器1
#define MPU_DEVICE_ID_REG		0X75	//器件ID寄存器
 
uint8_t MPU6050_Init(I2C_HandleTypeDef *I2Cx);
float MPU_Get_Temperature(void);
uint8_t MPU_Get_RAW_Gyroscope(int16_t *gx,int16_t *gy,int16_t *gz);
uint8_t MPU_Get_RAW_Accelerometer(int16_t *ax,int16_t *ay,int16_t *az);
 
/*
MPU6050内部所有寄存器地址
#define MPU_SELF_TESTX_REG		0X0D	//自检寄存器X
#define MPU_SELF_TESTY_REG		0X0E	//自检寄存器Y
#define MPU_SELF_TESTZ_REG		0X0F	//自检寄存器Z
#define MPU_SELF_TESTA_REG		0X10	//自检寄存器A
#define MPU_SAMPLE_RATE_REG		0X19	//采样频率分频器
#define MPU_CFG_REG				0X1A	//配置寄存器
#define MPU_GYRO_CFG_REG		0X1B	//陀螺仪配置寄存器
#define MPU_ACCEL_CFG_REG		0X1C	//加速度计配置寄存器
#define MPU_MOTION_DET_REG		0X1F	//运动检测阀值设置寄存器
#define MPU_FIFO_EN_REG			0X23	//FIFO使能寄存器
#define MPU_I2CMST_CTRL_REG		0X24	//IIC主机控制寄存器
#define MPU_I2CSLV0_ADDR_REG	0X25	//IIC从机0器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV0_REG			0X26	//IIC从机0数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV0_CTRL_REG	0X27	//IIC从机0控制寄存器
#define MPU_I2CSLV1_ADDR_REG	0X28	//IIC从机1器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV1_REG			0X29	//IIC从机1数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV1_CTRL_REG	0X2A	//IIC从机1控制寄存器
#define MPU_I2CSLV2_ADDR_REG	0X2B	//IIC从机2器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV2_REG			0X2C	//IIC从机2数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV2_CTRL_REG	0X2D	//IIC从机2控制寄存器
#define MPU_I2CSLV3_ADDR_REG	0X2E	//IIC从机3器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV3_REG			0X2F	//IIC从机3数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV3_CTRL_REG	0X30	//IIC从机3控制寄存器
#define MPU_I2CSLV4_ADDR_REG	0X31	//IIC从机4器件地址寄存器
#define MPU_I2CSLV4_REG			0X32	//IIC从机4数据地址寄存器
#define MPU_I2CSLV4_DO_REG		0X33	//IIC从机4写数据寄存器
#define MPU_I2CSLV4_CTRL_REG	0X34	//IIC从机4控制寄存器
#define MPU_I2CSLV4_DI_REG		0X35	//IIC从机4读数据寄存器
#define MPU_I2CMST_STA_REG		0X36	//IIC主机状态寄存器
#define MPU_INTBP_CFG_REG		0X37	//中断/旁路设置寄存器
#define MPU_INT_EN_REG			0X38	//中断使能寄存器
#define MPU_INT_STA_REG			0X3A	//中断状态寄存器
#define MPU_ACCEL_XOUTH_REG		0X3B	//加速度值,X轴高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_XOUTL_REG		0X3C	//加速度值,X轴低8位寄存器
#define MPU_ACCEL_YOUTH_REG		0X3D	//加速度值,Y轴高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_YOUTL_REG		0X3E	//加速度值,Y轴低8位寄存器
#define MPU_ACCEL_ZOUTH_REG		0X3F	//加速度值,Z轴高8位寄存器
#define MPU_ACCEL_ZOUTL_REG		0X40	//加速度值,Z轴低8位寄存器
#define MPU_TEMP_OUTH_REG		0X41	//温度值高八位寄存器
#define MPU_TEMP_OUTL_REG		0X42	//温度值低8位寄存器
#define MPU_GYRO_XOUTH_REG		0X43	//陀螺仪值,X轴高8位寄存器
#define MPU_GYRO_XOUTL_REG		0X44	//陀螺仪值,X轴低8位寄存器
#define MPU_GYRO_YOUTH_REG		0X45	//陀螺仪值,Y轴高8位寄存器
#define MPU_GYRO_YOUTL_REG		0X46	//陀螺仪值,Y轴低8位寄存器
#define MPU_GYRO_ZOUTH_REG		0X47	//陀螺仪值,Z轴高8位寄存器
#define MPU_GYRO_ZOUTL_REG		0X48	//陀螺仪值,Z轴低8位寄存器
#define MPU_I2CSLV0_DO_REG		0X63	//IIC从机0数据寄存器
#define MPU_I2CSLV1_DO_REG		0X64	//IIC从机1数据寄存器
#define MPU_I2CSLV2_DO_REG		0X65	//IIC从机2数据寄存器
#define MPU_I2CSLV3_DO_REG		0X66	//IIC从机3数据寄存器
#define MPU_I2CMST_DELAY_REG	0X67	//IIC主机延时管理寄存器
#define MPU_SIGPATH_RST_REG		0X68	//信号通道复位寄存器
#define MPU_MDETECT_CTRL_REG	0X69	//运动检测控制寄存器
#define MPU_USER_CTRL_REG		0X6A	//用户控制寄存器
#define MPU_PWR_MGMT1_REG		0X6B	//电源管理寄存器1
#define MPU_PWR_MGMT2_REG		0X6C	//电源管理寄存器2 
#define MPU_FIFO_CNTH_REG		0X72	//FIFO计数寄存器高八位
#define MPU_FIFO_CNTL_REG		0X73	//FIFO计数寄存器低八位
#define MPU_FIFO_RW_REG			0X74	//FIFO读写寄存器
#define MPU_DEVICE_ID_REG		0X75	//器件ID寄存器
*/

在keil中添加.c/.h文件步骤如下图所示

然后将源代码复制到新建的.c/.h文件中，最后将.c文件添加到工程即可，如下图所示

在主函数中初始化MPU6050，主循环中获取原始的三轴加速度数据和三轴陀螺仪数据，并通过串口打印信息

源代码如下

/*main.c中定义的变量*/
int16_t ax,ay,az,gx,gy,gz;
 
/*初始化代码*/
while(MPU6050_Init(&hi2c1) != HAL_OK){HAL_Delay(1);}
 
/*主循环中代码*/
MPU_Get_RAW_Gyroscope(&ax,&ay,&az);
MPU_Get_RAW_Accelerometer(&gx,&gy,&gz);
printf("ax:%d,ay:%d,az:%d,",ax,ay,az);
printf("gx:%d,gy:%d,gz:%d\r\n",gx,gy,gz);
HAL_Delay(100);

4、常用函数

/*I2C读函数*/
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Read(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
 
/*I2C写函数*/
HAL_StatusTypeDef HAL_I2C_Mem_Write(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t DevAddress, uint16_t MemAddress, uint16_t MemAddSize, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)

5、烧录验证

烧录程序，上电后开启串口，可以看到源源不断的输出当前MPU6050三轴加速度数据和三轴陀螺仪数据，移动开发板会发现数据有规律改变，如下图所示为串口输出的数据

6、注释详解

注释1：图片来源 I2C通信协议介绍 - 知乎

注释2：MPU6050 Datasheet https://invensense.tdk.com/wp-content/uploads/2015/02/MPU-6000-Datasheet1.pdf

注释3：MPU6050驱动库参考 https://github.com/leech001/MPU6050

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