<p style="line-height:1.8;">注：* 为必填项</p> <p style="line-height:1.8;"><strong><span style="color:#0093e6;">请在报名阶段填写 ↓</span></strong></p> <p style="line-height:1.8;"> </p> <h3 style="line-height:1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <p></p><hr><p style="line-height:1.8;">基于国民技术芯片N32G430单片机做的一个姿态显示的方案，可以实现俯仰角，横滚角，航向角3个脚的显示，并且在OLED屏幕上显示出一个正方形，并随着角度的变化而变化，感觉非常好玩的。本人在模块上面印出了4个引脚来作为PWM的的输出，并控制舵机的旋转，这一部分还在实现当中，以后做好会立刻补全的。</p> <p style="line-height:1.8;"> </p> <h3 style="line-height:1.8;">*2、方案介绍</h3> <h2> </h2> <div>一. 系统方案结构</div> <div> <div>本方案设计的架构如下图 1 所示，主要分为以下几个部分，上位机，主控制器 N32G430C8L7， MPU6050 传感器，OLED 显示模块几个部分，旨在使用 MPU6050 传感器采集原始的加速度与陀螺仪加速度，N32G430 接收到数据后换算成模块的姿态，使用 OLED 以及上位机显示出来。</div> <div><span style="background-color:#000000;"><img src="https://image.lceda.cn/pullimage/p3KHvoxxEj9yepgKzwGrZ3yvQLPX9nRZ9w6KvFjj.png" alt=""></span></div> <div> </div> <div> <div>二、主控制器 N32G430 介绍</div> <div> <div>N32G430C8L7 微控制器产品采用高性能 32 位 ARM Cortex™-M4F 内核，集成浮点运算单元（FPU）和数字信号处理（DSP），支持并行计算指令。最高工作主频 128MHz，集成高达64KB 片内加密存储 Flash，并支持多用户分区权限管理，支持 16KB 的嵌入式 SRAM。内置一个内部高速 AHB 总线，两个低速外设时钟总线 APB 及总线矩阵，支持40个可复用 I/Os，提供丰富的高性能模拟接口，包括 1 个 12 位 4.7Msps ADC，支持16个外部输入通道和3个内部通道，同时提供多种数字通信接口，包括 4个U(S)ART、2个I2C、2个SPI/I2S、1个CAN 2.0B通信接口。N32G430C8L7 微控制器产品可稳定工作于-40°C 至+105°C 的温度范围，供电电压 2.4V至 3.6V，提供多种功耗模式供用。下图是N32G430C8L7微控制器的引脚分布图；</div> <div><img src="https://image.lceda.cn/pullimage/SQmqQBHAg9P6RnZNDH3rNBomZNZAGIa1GcMIVsu4.png" alt="图片.png"><strong><span style="font-size:36px;">                                                     </span></strong></div> </div> <h1> </h1> <div>三、传感器介绍</div> <h2> </h2> <div>3.1 MPU6050模块</div> <div>MPU6050是InvenSense公司推出的全球首款整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了安装空间。MPU6050内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个第二 IIC 接口，可用于连接外部磁力传感器，并利用自带的数字运动处理器（ DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通过主 IIC 接口，向应用端输出完整的9轴融合演算数据。有了DMP，我们可以使用 InvenSense 公司提供的运动处理资料库，非常方便的实现姿态解算，降低了处理运算对操作系统的负荷，同时大大降低了开发难度。</div> <h4> </h4> <div>MPU6050 的特点包括</div> <ul><li>以数字形式输出 6 轴或 9 轴（需外接磁传感器）的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(Euler Angle forma)的融合演算数据（需 DMP 支持）</li> <li>具有 131 LSBs/° /sec 敏感度与全格感测范围为± 250、± 500、± 1000 与±2000°/sec 的 3 轴角速度感测器(陀螺仪)、</li> <li>集成可程序控制，范围为± 2g、± 4g、± 8g 和± 16g 的 3 轴加速度传感器、</li> <li>移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移；</li> <li>自带数字运动处理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可减少 MCU 复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷；</li> <li>内建运作时间偏差与磁力感测器校正演算技术，免除了客户须另外进行校正的需求；</li> <li>自带一个数字温度传感器；</li> <li>带数字输入同步引脚(Sync pin)支持视频电子影相稳定技术与 GPS；</li> <li>可程序控制的中断(interrupt)，支持姿势识别、摇摄、画面放大缩小、滚动、快速下降中断、 high-G 中断、零动作感应、触击感应、摇动感应功能；</li> <li>VDD 供电电压为 2.5V± 5%、 3.0V± 5%、 3.3V± 5%； VLOGIC 可低至 1.8V± 5%；</li> <li>陀螺仪工作电流： 5mA，陀螺仪待机电流： 5uA；加速器工作电流： 500uA，加速器省电模式电流：40uA@10Hz；</li> <li>自带 1024 字节 FIFO，有助于降低系统功耗；</li> <li>高达 400Khz 的 IIC 通信接口；</li> <li>超小封装尺寸： 4x4x0.9mm（ QFN）</li> </ul><h4> </h4> <div>MPU6050传感器的检测轴及其方向如下图1所示：</div> <div><img src="https://image.lceda.cn/pullimage/bwsghFSrEkJoQ1iSApdOssOUChbOYlQdHEJUv4v9.png" alt="图片.png"></div> <div> </div> <div> </div> <div> </div> <div> <div><strong><span style="font-size:36px;">MPU6050和主控的连接</span></strong></div> <div> </div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/chESWaGg1FJ3e9SEfeneAR2vCWe27PLq3EwW76Vh.jpeg" alt="" width="490" height="499"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/bYKXsNj8lictHXOE9ZSmf9HLCGiLx1i5LdeXmbNI.jpeg" alt=""></div> <div><strong><span style="font-size:36px;">   </span></strong></div> </div> <div> </div> <div> </div> <div> <div> <div>如上图所示，这里我们的MCU通过这个I2C接口（IIC_SCL/IIC_SDA连接MCU的 PB13/PB14）来控制 MPU6050,AD0是从I2C接口（接 MCU）的地址控制引脚，该引脚控制IIC 地址的最低位。如果接 GND，则 MPU6050 的 IIC 地址是：0x68，如果接VDD，则是0x69，本项目中，该引脚直连到MCU的PB2，软件是直接拉低的，故MPU6050的I2C地址为 0x68。</div> <div><strong>说明：</strong> 为了利于I2C协议的学习，本例程的MPU6050的驱动代码采用的时GPIO模拟的I2C接口。</div> <div><strong>注意：</strong> 这里的地址是不包含数据传输的最低位的（最低位用来表示读写）！</div> </div> <h3> </h3> <div>2.MPU6050 初始化配置流程</div> <div> <div><strong>1. 初始化 IIC 接口:</strong></div> <div>初始化与 MPU6050 连接的SDA和SCL数据线，设置AD0为低电平，进而选择I2C地址为0x68。</div> <div><strong>2. 复位 MPU6050：</strong></div> <div>这一步让 MPU6050内部所有寄存器恢复默认值，通过对电源管理寄存器1（0X6B）的bit7写1 实现。复位后，电源管理寄存器1恢复默认值(0X40)，然后必须设置该寄存器为0X00，以唤醒MPU6050，进入正常工作状态。</div> <div><strong>3. 设置角速度传感器（陀螺仪）和加速度传感器的满量程范围：</strong></div> <div>这一步，我们设置两个传感器的满量程范围(FSR)，分别通过陀螺仪配置寄存器（0X1B），和加速度传感器配置寄存器（0X1C）设置。我们一般设置陀螺仪的满量程范围为± 2000dps，加速度传感器的满量程范围为±2g。</div> <div><strong>4. 设置其他参数:</strong></div> <div>这里，我们还需要配置的参数有：关闭中断、关闭 AUX IIC接口、禁止FIFO、设置陀螺仪采样率和设置数字低通滤波器（DLPF）等。本章我们不用中断方式读取数据，所以关闭中断，然后也没用到AUXIIC接口外接其他传感器，所以也关闭这个接口。分别通过中断使能寄存器（0X38）和用户控制寄存器（0X6A）控制。MPU6050可以使用 FIFO 存储传感器数据，不过本章我们没有用到，所以关闭所有FIFO 通道，这个通过 FIFO使能寄存器（0X23）控制，默认都是0（即禁止FIFO），所以用默认值就可以了。陀螺仪采样率通过采样率分频寄存器（0X19）控制，这个采样率我们一般设置为 50 即可。数字低通滤波器(DLPF)则通过配置寄存器（0X1A）设置，一般设置 DLPF 为带宽的 1/2 即可；</div> <div><strong>5. 配置系统时钟源并使能角速度传感器和加速度传感器:</strong></div> <div>系统时钟源同样是通过电源管理寄存器1（0X1B）来设置，该寄存器的最低三位用于设置系统时钟源选择，默认值是0（内部8MRC震荡）,不过我们一般设置为 1，选择x轴陀螺 PLL作为时钟源，以获得更高精度的时钟。同时，使能角速度传感器和加速度传感器，这两个操作通过电源管理寄存器 2（0X6C）来设置，设置对应位为0可开启；</div> </div> <h3> </h3> <div>3.MPU6050 重要寄存器说明</div> <div>该部分可以参考《MPU-6000 & MPU-6050 寄存器表及其描述(中文版)》文档</div> <h3> </h3> <div>4.DMP 使用</div> <div> <div>从MPU6050相关寄存器中，我们可以读出加速度传感器和角速度传感器的原始数据。不过这些原始数据，对想搞四轴之类的初学者来说，用处不大，我们期望得到的是姿态数据，也就是欧拉角：航向角（ yaw）、横滚角（ roll）和俯仰角（ pitch）。有了这三个角，我们就可以得到当前四轴的姿态，这才是我们想要的结果。要得到欧拉角数据，就得利用我们的原始数据，进行姿态融合解算，这个比较复杂，知识点比较多，初学者 不易掌握。而 MPU6050 自带了数字运动处理器，即 DMP，并且，InvenSense 提供了一个MPU6050 的嵌入式运动驱动库，结合 MPU6050 的 DMP，可以将我们的原始数据，直接转换成四元数输出，而得到四元数之后，就可以很方便的计算出欧拉角，从而得到yaw、roll和 pitch。使用内置的 DMP，大大简化了四轴的代码设计，且 MCU 不用进行姿态解算过程，大大降低了 MCU 的负担，从而有更多的时间去处理其他事件，提高系统实时性。</div> <div>官方 DMP 驱动库移植起来，还是比较简单的，首先将inv_mpu.c 和inv_mpu_dmp_motion_driver.c两个文件加入到工程中，其次实现这 4 个函数：i2c_write，i2c_read， delay_ms 和 get_ms，具体细节，我们就不详细介绍了，移植后的驱动代码，我们放在本例程src eMPL 文件夹内，总共 6 个文件，如图下图所示：</div> <div><img src="https://image.lceda.cn/pullimage/Y4RoemtXRSPKPhiKL4okZQgR66NgiKey9TEI4rHa.png" alt="图片.png"></div> <div>其中我们在 inv_mpu.c 添加了几个函数，方便我们使用，重点是两个函数：mpu_dmp_init 和mpu_dmp_get_data 这两个函数，这里我们简单介绍下这两个函数。u8 mpu_dmp_init(void)；//mpu初始化，注意：这个函数比较耗时，大概3-4s，无实测。u8 mpu_dmp_get_data(float *pitch,float *roll,float *yaw)；获取姿态数据pitch，roll，yaw。该函数的具体实现可以参考源码注释。</div> <div> </div> <div> </div> <div>MPU6050淘宝上买8块多，很不错，性能也很好。</div> <div> </div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/PQe2xOYSxbjLITLQDwfyV3cowVPk38VOrZOdYjxf.jpeg" alt=""></div> <div> </div> <div> </div> <div> <div>3.2 OLED 模块</div> <h3> </h3> <div>1.OLED 模块硬件连接</div> <div> <div>如上图7所示，这里我们的MCU通过IIC接口（OLED_SCL/ OLED_SDA连接MCU的 PA4/PA5）来控制OLED的显示。为了尽快熟悉N32G430这颗芯片，OLED的I2C驱动，本案例采用的是硬件I2C1。如上图6所示，该OLED模块背面的地址选择电阻跳到了左边，那么它的从机地址为0x78。注意：这里的地址是不包含数据传输的最低位的（最低位用来表示读写）！</div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/MmSm21GYvYU5V0mQv4Gm1MU95MwyBpmvygWN08UQ.jpeg" alt="" width="289" height="386"></div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/jOLXpw7Q8sHDpfoNYCwQhjpZNjD1y32jPMYYMUwP.jpeg" alt=""></div> <div> </div> <div> </div> </div> <div>2.OLED 初始化配置流程</div> <div> <div><strong>1. 初始化 IIC 接口</strong></div> <div>初始化与 OLED 连接的SDA和SCL数据线。</div> <div><strong>2. 关闭OLED显示，设置OLED寄存器参数</strong></div> <div>关闭OLED显示之后，配置寄存器的参数，例如设置时钟分频因子，震荡频率，设置显示对比度，扫描方向，预充电周期，亮度等参数，具体含义可以参考OLED的寄存器说明文档，或者网上其他资料，这里就不做具体的阐述。</div> <div><strong>3. 开启OLED显示</strong></div> <div>4.3 OLED 重要寄存器说明</div> <div>该部分可以参考一下网址：<a href="https://wenku.baidu.com/view/fb23e3a4bfeb19e8b8f67c1cfad6195f302be849.html%EF%BC%9B" target="_blank">https://wenku.baidu.com/view/fb23e3a4bfeb19e8b8f67c1cfad6195f302be849.html；</a></div> <div>OLED淘宝买十来块钱。</div> <div><img src="//image.lceda.cn/pullimage/uTQNE1OeXYrplbS3rR6nyXBxUAnEG53pKLKBpKYg.jpeg" alt="" width="764" height="285"></div> <div> </div> <div> <div>四、空间坐标转换算法</div> <h2> </h2> <div>4.1 三维坐标系转换</div> <div>空间中三维坐标变换一般由以下三种方式实现：</div> <ul><li>旋转矩阵和旋转向量；</li> <li>欧拉角；</li> <li> <div>四元数。</div> <div>这里我们介绍旋转矩阵(旋转向量)与欧拉角实现三维空间坐标变换的方法以及两者之间的关系。这里以常见的相机坐标系转换到世界坐标系，也就是比较通用的 body 到世界坐标系间的转换为例。那么旋转的欧拉角按从世界坐标系转换到相机坐标系的过程，先按z轴旋转、之后y轴旋转、之后x轴旋转，最终得到相机坐标系，得到的角度分别是 yaw、pitch、roll，那么从相机坐标系到世界坐标系的旋转矩阵按如下方式定义。</div> </li> </ul><div> <div><img src="https://image.lceda.cn/pullimage/lv2saFmt19hlTcH6pxlkT8ouM7iZ0xZMHFOXoiXr.png" alt="图片.png"></div> <div><img src="https://image.lceda.cn/pullimage/7SroRJE6xos3JpxWqyployNQX4DgZFByy0PKMMPh.png" alt="图片.png"></div> <div>以上的矩阵算法，可以参考百度相关的资料，由于代码中由于立方体的 x，y 轴与传感器的x，y轴方向不一致，代码将Rx，Ry做了交换，以保证 OLED 的立方体的方向与传感器的方向一致，从而将姿态调整一致。由于要将立体的坐标点显示在二维平面上，故假如点 P（x0，y0，z0），需要将 P 点 XOY平面上投影，即 z0 = 0，即在平面上的 P1 坐标为（x0，y0）。基于以上的分析，则如果要显示立方体在平面上，那么只要将转换后的立方体八个坐标点，投影到 XOY 平面上，然后依次连接以上点，即可以得到一个立方体。本例程为了突出显示立方体姿态变化，故多连接了一个x型面。</div> <div> <div>五、软件设计流程</div> <h3> </h3> <div>5.1 软件流程图</div> <div>软件的初始化流程分为以下几个步骤：</div> <ul><li> <div>初始化：</div> <div>部分包括串口，硬件 IIC，GPIO 模拟 I2C，OLED，MPU6050 以及 DMP 初始化; -log_init()：500000Bd, no parity, 8-bit data,1 stop bit。该接口可以收发数据以及 log 打印；-i2c_master_init ()：为了提高 OLED 的刷新速度, IIC 速度设置为 400k,无 ACK 应答的方式；-oled_init()：主要是 OLED 的寄存器参数配置，具体可以参考 SSD1306 控制器；-MPU_Init()：配置 MPU6050 的寄存器参数配置，包括地址，采样率，加速度/陀螺仪满量程范围等参数的配置。-mpu_dmp_init()：DMP 初始化，这里等待 DMP 的初始化完成.</div> <div><img src="https://image.lceda.cn/pullimage/jIR8dansNI45s0EmIOHHxF4Weukkz9UeZeYEdVzv.png" alt="图片.png"></div> </li> </ul></div> </div> </div> </div> </div> </div> </div> </div> <p></p></div> <h3 style="line-height:1.8;">* 6、效果及照片</h3> <p></p><hr><p style="line-height:1.8;"> </p> <p style="line-height:1.8;"> </p> <p style="line-height:1.8;"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/mLtezgTFLyBHZK6fcZP54xBTbAcjXhYWid2f6zHm.jpeg" alt="" width="356" height="771"></p> <p style="line-height:1.8;"> </p> <p style="line-height:1.8;"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/aWiLzRLMf4f8sw9fCiUvHww7AxqUglX7LfG77IZC.jpeg" alt="" width="470" height="1018"></p> <p style="line-height:1.8;"> </p> <p style="line-height:1.8;"> </p> <p style="line-height:1.8;"><span style="font-size:14px;">更多详情：<a href="/posts/06c94d90c2c447dfbd9ed7339ff4a5b1" target="_blank">https://diy.szlcsc.com/posts/d76d9cb41705430e9a54e7a5feed07a5</a></span></p> <p style="line-height:1.8;"> </p>