课题学习(十八)----捷联测试电路设计与代码实现(基于MPU6050和QMC5883L)

一、 电路设计

  本周主要工作是在项目上，抽空做了一个跟本课题相关的电路板，之前用开发板来做测试，MPU6050和QMC5883L都是用杜邦线连接的，导致接线很乱，也不美观，当然也不符合“捷联”的定义。
  下面是电路的原理图和PCB，因为已经购买了MPU6050和QMC5883L模块，所以直接使用这些模块来做，不再设计外围电路(不是懒，主要是这个电路板做测试使用，后续做课题看不会用这中比较low的MEMS传感器)。




  本次设计的电路有以下几个特点：

• 外扩排针，各模块仍然可以正常单独使用
• 外扩电源，可以使用5V电源直接供电
• 增加蓝牙模块，并设置为115200波特率，可以通过无线的方式获取传感器的数据
• 增加ICM20602，可以选择使用MPU6050或者ICM20602
• 单独设计各模块的封装库(目前无3D模型)，并标注三轴的方向已经对应模块的螺孔，可以根据封装库的位置直接增加螺孔
    部分封装库如下所示：
  
    有需要的可以联系我，或者去我的资源中进行下载。

二、 代码

  下面是相关的部分代码：
  ICM20602的代码可参考博客：STM32Cube高效开发教程＜基础篇＞(十四)----SPI通信及ICM20602软件开发，本博客后续的资源链接中也会包含ICM20602的代码。
  MPU6050.c:

#include "mpu6050.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
uint8_t addressMPU6050;

int16_t adcAccel_MPU6050[3]={
   0},adcGyro_MPU6050[3]={
   0};  
//初始化MPU6050
//返回值:0,成功
//    其他,错误代码
uint8_t MPU_Init(void)
{
    
	 
	// MPU_IIC_Init();//初始化IIC总线
	MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);	//复位MPU6050
  	HAL_Delay(100);
	MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);	//唤醒MPU6050 
	MPU_Set_Gyro_Fsr(3);					//陀螺仪传感器,±2000dps
	MPU_Set_Accel_Fsr(0);					//加速度传感器,±2g
	MPU_Set_Rate(50);						//设置采样率50Hz
	MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00);	//关闭所有中断
	MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);	//I2C主模式关闭
	MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);	//关闭FIFO
	MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80);	//INT引脚低电平有效
	addressMPU6050=MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG); 
	if(addressMPU6050==MPU_ADDR)//器件ID正确
	{
   
		MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);	//设置CLKSEL,PLL X轴为参考
		MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);	//加速度与陀螺仪都工作
		MPU_Set_Rate(50);						//设置采样率为50Hz
 	}else return 1;
//		MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X01);	//设置CLKSEL,PLL X轴为参考
//		MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X00);	//加速度与陀螺仪都工作
//		MPU_Set_Rate(50);						//设置采样率为50Hz
	MPU_IIC_SCL_HIG;
	MPU_IIC_SDA_HIG;
	return 0;
}
//设置MPU6050陀螺仪传感器满量程范围
//fsr:0,±250dps;1,±500dps;2,±1000dps;3,±2000dps
//返回值:0,设置成功
//    其他,设置失败 
uint8_t MPU_Set_Gyro_Fsr(uint8_t fsr)
{
   
	return MPU_Write_Byte(MPU_GYRO_CFG_REG,fsr<<3);//设置陀螺仪满量程范围  
}
//设置MPU6050加速度传感器满量程范围
//fsr:0,±2g;1,±4g;2,±8g;3,±16g
//返回值:0,设置成功
//    其他,设置失败 
uint8_t MPU_Set_Accel_Fsr(uint8_t fsr)
{
   
	return MPU_Write_Byte(MPU_ACCEL_CFG_REG,fsr<<3);//设置加速度传感器满量程范围  
}
//设置MPU6050的数字低通滤波器
//lpf:数字低通滤波频率(Hz)
//返回值:0,设置成功
//    其他,设置失败 
uint8_t MPU_Set_LPF(uint16_t lpf)
{
   
	uint8_t 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);//设置数字低通滤波器  
}
//设置MPU6050的采样率(假定Fs=1KHz)
//rate:4~1000(Hz)
//返回值:0,设置成功
//    其他,设置失败 
uint8_t MPU_Set_Rate(uint16_t rate)
{
   
	uint8_t data;
	if(rate>1000)rate=1000;
	if(rate<4)rate=4;
	data=1000/rate-1;
	data=MPU_Write_Byte(MPU_SAMPLE_RATE_REG,data);	//设置数字低通滤波器
 	return MPU_Set_LPF(rate/2);	//自动设置LPF为采样率的一半
}

//得到温度值
//返回值:温度值(扩大了100倍)
short MPU_Get_Temperature(void)
{
   
    uint8_t buf[2]; 
    short raw;
	float temp;
	MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_TEMP_OUTH_REG,2,buf); 
    raw=((uint16_t)buf[0]<<8)|buf[1];  
    temp=36.53+((double)raw)/340;  
    return temp*100;;
}
//得到陀螺仪值(原始值)
//gx,gy,gz:陀螺仪x,y,z轴的原始读数(带符号)
//返回值:0,成功
//    其他,错误代码
uint8_t MPU_Get_Gyroscope(short *gx,short *gy,short *gz)
{
   
    uint8_t buf[6],res;  
	res=MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_GYRO_XOUTH_REG,6,buf);
	if(res==0)
	{
   
		*gx=((uint16_t)buf[0]<<8)|buf[1];  
		*gy=((uint16_t)buf[2]<<8)|buf[3];  
		*gz=((uint16_t)buf[4]<<8)|buf[5];
		adcGyro_MPU6050[0]=(buf[0]<<8)|buf[1];  
		adcGyro_MPU6050[1]=(buf[2]<<8)|buf[3];  
		adcGyro_MPU6050[2]=(buf[4]<<8)|buf[5];
	} 	
    return res;;
}
//得到加速度值(原始值)
//gx,gy,gz:陀螺仪x,y,z轴的原始读数(带符号)
//返回值:0,成功
//    其他,错误代码
uint8_t MPU_Get_Accelerometer(short *ax,short *ay,short *az)
{
   
  uint8_t buf[6],res;  
	res=MPU_Read_Len(MPU_ADDR,MPU_ACCEL_XOUTH_REG,6,buf);
	if(res==0)
	{
   
		*ax=((uint16_t)buf[0]<<8)|buf[1];  
		*ay=((uint16_t)buf[2]<<8)|buf[3];  
		*az=((uint16_t)buf[4]<<8)|buf[5];
		
		adcAccel_MPU6050[0]=(buf[0]<<8)|buf[1];  
		adcAccel_MPU6050[1]=(buf[2]<<8)|buf[3];  
		adcAccel_MPU6050[2]=(buf[4]<<8)|buf[5];
	} 	
    return res;
}

  QMC5883L.c

// 模拟IIC发送单字节时序
uint8_t QMC5883L_SendByte(uint8_t Sim_i2c_data)
{
   
	uint8_t i;
	SDA1_OUT();
	QMC5883L_SCL_LOW;
	for(i=0; i<8; i++)
	{
   
		if(Sim_i2c_data&0x80) QMC5883L_SDA_HIG;
		else QMC5883L_SDA_LOW;

		Sim_i2c_data<<=1;
		QMC5883L_NOP;

		QMC5883L_SCL_HIG;
		QMC5883L_NOP;
		QMC5883L_SCL_LOW;
		QMC5883L_NOP;
	}
	return QMC5883L_READY;
}

// 模拟IIC发送单字节时序
uint8_t QMC5883L_ReceiveByte(void)
{
   
	uint8_t i,Sim_i2c_data;
	SDA1_IN();
	//QMC5883L_SDA_HIG;
// QMC5883L_SCL_LOW;
	Sim_i2c_data=0;

	for(i=0; i<8; i++)
	{
   
		QMC5883L_SCL_LOW;
		QMC5883L_NOP;
		QMC5883L_SCL_HIG;
		// QMC5883L_NOP;
		Sim_i2c_data<<=1;
		SDA_Pin_State = QMC5883L_SDA_STATE;
		if(QMC5883L_SDA_STATE)	Sim_i2c_data|=0x01;

		// QMC5883L_SCL_LOW;
		QMC5883L_NOP;
	}
	QMC5883L_SendNACK();
	return Sim_i2c_data;
}

// 模拟IIC读单字节，带应答
uint8_t QMC5883L_ReceiveByte_WithACK(void)
{
   

	uint8_t i,Sim_i2c_data;
	SDA1_IN();
	//QMC5883L_SDA_HIG;
// QMC5883L_SCL_LOW;
	Sim_i2c_data=0;

	for(i=0; i<8; i++)
	{
   
		QMC5883L_SCL_LOW;
		QMC5883L_NOP;
		QMC5883L_SCL_HIG;
		// QMC5883L_NOP;
		Sim_i2c_data<<=1;

		if(QMC5883L_SDA_STATE)	Sim_i2c_data|=0x01;

		// QMC5883L_SCL_LOW;
		QMC5883L_NOP;
	}
	QMC5883L_SendACK();
	return Sim_i2c_data;
}

// 模拟IIC的多字节读
uint8_t QMC5883L_Read8(uint8_t moni_dev_addr, uint8_t moni_reg_addr, uint8_t moni_i2c_len, uint8_t *moni_i2c_data_buf)
{
   

	QMC5883L_START();
	QMC5883L_SendByte(moni_dev_addr << 1 | WRITE );
	QMC5883L_Wait_Ack();
	QMC5883L_SendByte(moni_reg_addr);
	QMC5883L_Wait_Ack();
	//QMC5883L_STOP();
	
	QMC5883L_START();
	QMC5883L_SendByte(moni_dev_addr <<1 | READ );
	QMC5883L_Wait_Ack();
	while (moni_i2c_len)
	{
   
		if (moni_i2c_len==1) *moni_i2c_data_buf =QMC5883L_ReceiveByte();
		else *moni_i2c_data_buf =QMC5883L_ReceiveByte_WithACK();
		moni_i2c_data_buf++;
		moni_i2c_len--;
	}
	QMC5883L_STOP();
	return 0x00;
}

// 模拟IIC的多字节写
int8_t QMC5883L_Write8(uint8_t moni_dev_addr, uint8_t moni_reg_addr, uint8_t moni_i2c_len, uint8_t *moni_i2c_data_buf)
{
   
	uint8_t i;
	QMC5883L_START();
	QMC5883L_SendByte(moni_dev_addr << 1 | WRITE);  // 写指令
	QMC5883L_Wait_Ack();
	QMC5883L_SendByte(moni_reg_addr);
	QMC5883L_Wait_Ack();
	
	//QMC5883L_START();
	for (i=0; i<moni_i2c_len; i++)
	{
   
		QMC5883L_SendByte(moni_i2c_data_buf[i]);
		QMC5883L_Wait_Ack();
	}
	QMC5883L_STOP();	
	return 0;
}

uint8_t highByte(uint16_t value)
{
   
	uint8_t ret;
	value = value>>8;
	ret = (uint8_t)value;
  return ret;
}

uint8_t lowByte(uint16_t value)
{
   
	uint8_t ret;
	value = value&0x00ff;
	ret = (uint8_t)value;
  return ret;
}

// 读一个字节
uint8_t readOneByte(uint8_t in_adr)
{
   
  uint8_t retVal = -1;
	
	QMC5883L_Read8(QMC5883L_ADDR,in_adr,1,&retVal);
	QMC5883L_NOP;
  return retVal;
}

// 读两个字节
uint16_t readTwoBytes(uint8_t in_adr_hi, uint8_t in_adr_lo)
{
   
  uint16_t retVal = -1;
  uint8_t low=0,high=0;
	
  /* Read Low Byte */
	low = readOneByte(in_adr_lo);
	
	
  /* Read High Byte */  
  high = readOneByte(in_adr_hi);
  
	//printf("high:%d,low:%d  ",high,low);
  retVal = high << 8;
  retVal = retVal | low;
  //printf("retVal:%d\r\n",retVal);
  return retVal;
}


// 写一个字节
void writeOneByte(uint8_t adr_in, uint8_t dat_in)
{
   
	uint8_t dat = dat_in;
  QMC5883L_Write8(QMC5883L_ADDR,adr_in,1,&dat);
}

// 获取地址
int16_t getAddress()
{
   
  return QMC5883L_ADDR; 
}

//************************写入单字节数据***************************

//初始化QMC5883，根据需要请参考pdf进行修改****
void Init_QMC5883()
{
   
	uint8_t addrVale;
	addrVale = 0x1D;
	QMC5883L_Write8(QMC5883L_ADDR,CONTROL_REG_1,1,&addrVale);  //控制寄存器配置
	addrVale = 0x01;
	QMC5883L_Write8(QMC5883L_ADDR,SET_RESET_REG,1,&addrVale);  //设置清除时间寄存器
}

void GetMagValue(void)
{
   
		QMC5883L_Read8(QMC5883L_ADDR,XOUT_L,6,Buff);
		MagnetRawAd[0] = ((int16_t)Buff[1] << 8) | Buff[0];
		MagnetRawAd[1] = ((int16_t)Buff[3] << 8) | Buff[2];
		MagnetRawAd[2] = ((int16_t)Buff[5] << 8) | Buff[4];
}

  QMC5883L.h

#ifndef __MD_AS5600_H
#define __MD_AS5600_H

#include "stm32f1xx_hal.h"  //这个需要根据不同的芯片类型进行变换
#include "main.h"

// QMC地址
#define QMC5883L_ADDR               0x0D

// 三轴磁力计输出寄存器
#define XOUT_L               0x00
#define XOUT_H               0x01

#define YOUT_L               0x02
#define YOUT_H               0x03

#define ZOUT_L               0x04
#define ZOUT_H               0x05

// 状态寄存器
#define STATUS               0x06

// 温度输出寄存器
#define TEMP_L               0x07
#define TEMP_H               0x08

// 控制寄存器
#define CONTROL_REG_1               0x09
#define CONTROL_REG_2               0x0A

// SET/RESET,推荐写入0x01
#define SET_RESET_REG               0x0B

// 芯片ID号
#define CHIP_ID               0x0D

#define QMC5883L_SCL_LOW           HAL_GPIO_WritePin(QMC_SCL_GPIO_Port,QMC_SCL_Pin,GPIO_PIN_RESET)
#define QMC5883L_SCL_HIG           HAL_GPIO_WritePin(QMC_SCL_GPIO_Port,QMC_SCL_Pin,GPIO_PIN_SET)
#define QMC5883L_SDA_LOW           HAL_GPIO_WritePin(QMC_SDA_GPIO_Port,QMC_SDA_Pin,GPIO_PIN_RESET)
#define QMC5883L_SDA_HIG           HAL_GPIO_WritePin(QMC_SDA_GPIO_Port,QMC_SDA_Pin,GPIO_PIN_SET)

//#define Sim_I2C1_SDA_STATE        (IIC_SDA_GPIO_Port->IDR &= (IIC_SDA_Pin))
#define QMC5883L_SDA_STATE        (QMC_SDA_GPIO_Port->IDR &= (QMC_SDA_Pin))
//#define QMC5883L_SDA_STATE        HAL_GPIO_ReadPin(QMC_SDA_GPIO_Port,QMC_SDA_Pin)

#define QMC5883L_DELAY 		QMC5883L_Delay(100000)
#define QMC5883L_NOP		  QMC5883L_Delay(1000)  //25 

#define QMC5883L_READY			  0x00
#define QMC5883L_BUS_BUSY		0x01
#define QMC5883L_BUS_ERROR	  0x02

#define QMC5883L_NACK	        0x00
#define QMC5883L_ACK				  0x01

#define SDA_Pin_Num  1


#define WRITE  0x00
#define READ   0x01


extern uint16_t rawdata;
extern float degress ;

extern int16_t MagnetRawAd[3];  // 磁力计数据

void SDA1_IN ( void );
void SDA1_OUT ( void );

void QMC5883L_Delay(uint32_t delay);
uint8_t QMC5883L_START(void);
void QMC5883L_STOP(void);
unsigned char QMC5883L_Wait_Ack(void);
void QMC5883L_SendACK(void);
void 	QMC5883L_SendNACK(void);
uint8_t QMC5883L_SendByte(uint8_t Sim_i2c_data);
uint8_t QMC5883L_ReceiveByte(void);
uint8_t QMC5883L_ReceiveByte_WithACK(void);
uint8_t QMC5883L_Read8(uint8_t moni_dev_addr, uint8_t moni_reg_addr, uint8_t moni_i2c_len, uint8_t *moni_i2c_data_buf);
int8_t  QMC5883L_Write8(uint8_t moni_dev_addr, uint8_t moni_reg_addr, uint8_t moni_i2c_len, uint8_t *moni_i2c_data_buf);
uint8_t highByte(uint16_t value);
uint8_t lowByte(uint16_t value);
uint8_t readOneByte(uint8_t in_adr);
uint16_t readTwoBytes(uint8_t in_adr_hi, uint8_t in_adr_lo);
void writeOneByte(uint8_t adr_in, uint8_t dat_in);
int16_t getAddress();

void Init_QMC5883();
void GetMagValue(void);

#endif 		

  有关QMC5883L芯片会在假期之后更新一篇，讲解IIC通信以及该芯片，后续会补充上链接。
  资源链接：
基于STM32F103C6T6的九轴传感器的工程
STM32F103C6T6模块、MPU6050模块、ICM20602模块等封装库

三、往期回顾

课题学习(一)----静态测量
课题学习(二)----倾角和方位角的动态测量方法（基于磁场的测量系统）
课题学习(三)----倾角和方位角的动态测量方法（基于陀螺仪的测量系统）
课题学习(四)----四元数解法
课题学习(五)----阅读论文《抗差自适应滤波的导向钻具动态姿态测量方法》
课题学习(六)----安装误差校准、实验方法
课题学习(七)----粘滑运动的动态算法
课题学习(八)----卡尔曼滤波动态求解倾角、方位角
课题学习(九)----阅读《导向钻井工具姿态动态测量的自适应滤波方法》论文笔记
课题学习(十)----阅读《基于数据融合的近钻头井眼轨迹参数动态测量方法》论文笔记
课题学习(十一)----阅读《Attitude Determination with Magnetometers and Accelerometers to Use in Satellite》
课题学习(十二)----阅读《Extension of a Two-Step Calibration Methodology to Include Nonorthogonal Sensor Axes》
课题学习(十三)----阅读《Calibration of Strapdown Magnetometers in Magnetic Field Domain》论文笔记
课题学习(十四)----三轴加速度计+三轴陀螺仪传感器-ICM20602
课题学习(十五)----阅读《测斜仪旋转姿态测量信号处理方法》论文
课题学习(十六)----阅读《Continuous Wellbore Surveying While Drilling Utilizing MEMS Gyroscopes Based…》论文
课题学习(十七)----姿态更新的四元数算法总结