CW32L012读取MPU6050姿态数据
描述
引言
随着物联网、可穿戴设备、工业倾角检测等场景的普及，低成本、低功耗的姿态检测方案成为嵌入式领域的研究热点。MPU6050 作为集成三轴加速度计和三轴陀螺仪的六轴传感器，凭借低成本、小体积的优势被广泛应用，但单一传感器存在明显缺陷：加速度计易受运动加速度干扰（动态精度差），陀螺仪存在零漂累积误差（静态精度差）。
CW32L012 是武汉芯源半导体推出的 32 位 ARM Cortex-M0 + 内核 MCU，具备超低功耗（睡眠模式电流 μA 级）、高性价比、丰富的外设接口（I2C、UART 等）的特点，非常适合边缘端低资源、低功耗的传感融合场景。
本文基于 CW32L012 主控，实现 MPU6050 的传感器数据读取、基础姿态解算，并通过卡尔曼滤波完成加速度计与陀螺仪的数据融合，最终输出高精度、高鲁棒性的姿态角。
意义
基于 CW32L012 的 MPU6050 数据读取、姿态解算与卡尔曼数据融合方案，一方面针对性破解了 MPU6050 单一传感器加速度计易受运动加速度干扰、陀螺仪存在零漂累积误差的精度短板，依托卡尔曼滤波实现的多源数据融合，在 CW32L012 μA 级低功耗与 96MHz 主频兼顾运算效率的硬件支撑下，在边缘端低资源、低功耗的约束中实现了姿态检测静态与动态精度的同步提升，完美适配物联网、可穿戴设备、工业倾角检测等场景对 “低成本 + 低功耗 + 高精度” 姿态检测的需求；
另一方面该方案以国产 CW32L012 为核心载体，验证了国产 Cortex-M0 + 内核 MCU 在传感数据处理、轻量化算法运算场景下的性能潜力，打破了低功耗传感融合领域对进口 MCU 的依赖，同时这套覆盖传感器读取、解算、融合全流程的轻量化方案，也为嵌入式开发者提供了可直接移植的参考模板，降低了中小厂商的研发门槛，助力国产嵌入式芯片在感知层细分领域的产业化落地。
CW32L012C8T6介绍
CW32L012 是武汉芯源半导体 (CW) 推出的 32 位低功耗 MCU，基于 ARM Cortex-M0 + 内核，主频高达 96MHz，集成64KB Flash和8KB RAM，专为需要高性价比和低功耗的应用设计。
一、核心规格：
二、关键特性
高性能计算单元
扩展算术运算单元 (EAU)：硬件加速除法和开方运算，大幅提升数学计算效率
CORDIC 硬件单元：支持三角函数、矢量旋转等复杂运算
双 12 位 ADC：最高 1M SPS 转换速度，内置 1.2V 基准电压，支持单端 / 差分模式
双 12 位 DAC：高精度模拟输出，支持 DMA 传输
丰富外设资源
模拟外设：4 路电压比较器、双路轨到轨运算放大器
通信接口：3 路 UART (支持 LIN)、2 路 I2C (支持 SMBus)、3 路 SPI (最高 24Mbps)
定时器阵列：高级定时器 (6 路 PWM)、4 个通用定时器、低功耗定时器、霍尔传感器专用定时器等
40 路 GPIO：全部支持中断和唤醒功能，推挽 / 开漏输出
超低功耗设计
多种低功耗模式：Sleep、DeepSleep
灵活时钟管理：可独立关断各外设时钟，降低功耗
低功耗定时器：支持低功耗模式下的定时唤醒
可编程 LVD：低电压检测，防止异常断电
三、应用场景
电机控制领域
无刷直流电机 (BLDC) 控制 (如智能水泵)
家电电机控制 (风扇、空调)
工业自动化设备
测量与监测设备
充电器控制
电池管理系统 (BMS)
智能插座、电表
消费电子
智能家居控制器
便携式设备 (MP3 播放器)
智能玩具 (如 "哈基汪" 智能小车)
MPU6050介绍与开发
一、MPU6050介绍
1.1MPU6050简介
MPU6050是一款高性能的六轴运动传感器，集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪。它能够测量加速度和角速度，广泛应用于姿态测量、运动检测、机器人控制等领域。MPU6050的主要特性如下：
三轴加速度计：测量范围为±2g/±4g/±8g/±16g（可选 单位g为重力加速度）。
三轴陀螺仪：测量范围为±250°/s/±500°/s/±1000°/s/±2000°/s（可选）。
数字运动处理器（DMP）：支持复杂的运动处理算法，如姿态解算。
IIC接口：支持标准IIC通信协议，易于与微控制器连接。
低功耗：适合电池供电的便携式设备。
高精度：能够提供高精度的加速度和角速度数据。
1.2 MPU6050的引脚定义
MPU6050模块通常具有以下引脚：
VCC：电源正极（3.3V或5V）。
GND：电源地。
SDA：IIC数据线。
SCL：IIC时钟线。
INT：中断输出引脚（可选）。
AD0：地址选择引脚，用于设置IIC设备地址。
1.3MPU6050寄存器解析
MPU6050通过IIC接口与微控制器通信，数据存储在内部寄存器中。下面将介绍我们完成功能所主要用寄存器：
PWR_MGMT_1：电源管理寄存器，用于设置传感器的工作模式。
SMPLRT_DIV：采样率分频寄存器，用于设置数据采样率。
CONFIG：配置寄存器，用于设置数字低通滤波器（DLPF）。
GYRO_CONFIG：陀螺仪配置寄存器，用于设置测量范围。
ACCEL_CONFIG：加速度计配置寄存器，用于设置测量范围。
ACCEL_XOUT_H/L、ACCEL_YOUT_H/L、ACCEL_ZOUT_H/L：加速度数据寄存器。
GYRO_XOUT_H/L、GYRO_YOUT_H/L、GYRO_ZOUT_H/L：陀螺仪数据寄存器
二、MPU6050驱动开发
2.1 寄存器描述
配置寄存器用于设置MPU6050的工作模式、采样率、滤波器等参数。以下是几个常用配置寄存器的详细说明：
PWR_MGMT_1（0x6B）：
位7：设备复位位，写入0x80复位设备。
位0-2：时钟源选择，通常设置为0x00，使用内部时钟。
GYRO_CONFIG（0x1B）：
位3-0：陀螺仪量程选择，可选范围为±250°/s、±500°/s、±1000°/s、±2000°/s。
ACCEL_CONFIG（0x1C）：
位3-0：加速度计量程选择，可选范围为±2g、±4g、±8g、±16g。
SMPLRT_DIV（0x19）：
位7-0：采样率分频值，设置为0时，采样率最高
为了方便，先在MPU6050_Reg.h里面宏定义常用的寄存器：
#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
2.2 对MPU6050寄存器进行读写
2.2.1 写入寄存器
通过IIC接口向MPU6050的寄存器写入数据，可以配置传感器的工作模式、量程、采样率等参数。以下是写入寄存器的代码实现：
/**
* 函 数：MPU6050写寄存器
* 参 数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述
* 参 数：Data 要写入寄存器的数据，范围：0x00~0xFF
* 返 回 值：无
*/
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
MyI2C_Start(); //I2C起始
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS); //发送从机地址，读写位为0，表示即将写入
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
MyI2C_SendByte(RegAddress); //发送寄存器地址
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
MyI2C_SendByte(Data); //发送要写入寄存器的数据
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
MyI2C_Stop(); //I2C终止
}
2.2.2读取寄存器
通过IIC接口从MPU6050的寄存器读取数据，可以获取传感器的配置状态或测量数据。以下是读取寄存器的代码实现：
/**
* 函 数：MPU6050读寄存器
* 参 数：RegAddress 寄存器地址，范围：参考MPU6050手册的寄存器描述
* 返 回 值：读取寄存器的数据，范围：0x00~0xFF
*/
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress)
{
uint8_t Data;
MyI2C_Start(); //I2C起始
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS); //发送从机地址，读写位为0，表示即将写入
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
MyI2C_SendByte(RegAddress); //发送寄存器地址
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
MyI2C_Start(); //I2C重复起始
MyI2C_SendByte(MPU6050_ADDRESS | 0x01); //发送从机地址，读写位为1，表示即将读取
MyI2C_ReceiveAck(); //接收应答
Data = MyI2C_ReceiveByte(); //接收指定寄存器的数据
MyI2C_SendAck(1); //发送应答，给从机非应答，终止从机的数据输出
MyI2C_Stop(); //I2C终止
return Data;
}
2.3 初始化MPU6050
根据上述的读/写寄存器函数，对6050的寄存器进行初始化配置：
/**
* 函 数：MPU6050初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void MPU6050_Init(void)
{
MyI2C_Init(); //先初始化底层的I2C
/*MPU6050寄存器初始化，需要对照MPU6050手册的寄存器描述配置，此处仅配置了部分重要的寄存器*/
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_1, 0x01); //电源管理寄存器1，取消睡眠模式，选择时钟源为X轴陀螺仪
MPU6050_WriteReg(MPU6050_PWR_MGMT_2, 0x00); //电源管理寄存器2，保持默认值0，所有轴均不待机
MPU6050_WriteReg(MPU6050_SMPLRT_DIV, 0x09); //采样率分频寄存器，配置采样率
MPU6050_WriteReg(MPU6050_CONFIG, 0x06); //配置寄存器，配置DLPF
MPU6050_WriteReg(MPU6050_GYRO_CONFIG, 0x18); //陀螺仪配置寄存器，选择满量程为±2000°/s
MPU6050_WriteReg(MPU6050_ACCEL_CONFIG, 0x18); //加速度计配置寄存器，选择满量程为±16g
}
2.4MPU6050数据读取
根据上述的读/写寄存器函数，将6050的数据从对应的寄存器读出来：
/**
* 函 数：MPU6050获取数据
* 参 数：AccX AccY AccZ 加速度计X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767
* 参 数：GyroX GyroY GyroZ 陀螺仪X、Y、Z轴的数据，使用输出参数的形式返回，范围：-32768~32767
* 返 回 值：无
*/
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; //定义数据高8位和低8位的变量
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_H); //读取加速度计X轴的高8位数据
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_XOUT_L); //读取加速度计X轴的低8位数据
*AccX = (DataH < < 8) | DataL; //数据拼接，通过输出参数返回
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_H); //读取加速度计Y轴的高8位数据
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_YOUT_L); //读取加速度计Y轴的低8位数据
*AccY = (DataH < < 8) | DataL; //数据拼接，通过输出参数返回
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_H); //读取加速度计Z轴的高8位数据
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_ACCEL_ZOUT_L); //读取加速度计Z轴的低8位数据
*AccZ = (DataH < < 8) | DataL; //数据拼接，通过输出参数返回
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_H); //读取陀螺仪X轴的高8位数据
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_XOUT_L); //读取陀螺仪X轴的低8位数据
*GyroX = (DataH < < 8) | DataL; //数据拼接，通过输出参数返回
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_H); //读取陀螺仪Y轴的高8位数据
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_YOUT_L); //读取陀螺仪Y轴的低8位数据
*GyroY = (DataH < < 8) | DataL; //数据拼接，通过输出参数返回
DataH = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_H); //读取陀螺仪Z轴的高8位数据
DataL = MPU6050_ReadReg(MPU6050_GYRO_ZOUT_L); //读取陀螺仪Z轴的低8位数据
*GyroZ = (DataH < < 8) | DataL; //数据拼接，通过输出参数返回
}
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