HaaS EDU場景式應用整體介紹

1、實驗介紹

手機上的“重力感應”想必大家都不陌生，基于重力感應可以實作飛車、輔助瞄準等各種體感非常強的互動功能，所謂的“重力感應”，其實就可以使用“加速度計及陀螺儀傳感器”來實作，

本節實驗中，我們將會基于 MPU-6050 實作一個根據開發板姿態滾動的小球，當我們傾斜 HaaS EDU K1 時，會看見小球根據我們的傾斜方向發生相對應的偏移，

2、涉及知識點

• MPU-6050 的驅動和使用
• OLED繪圖

3、軟硬體環境準備

3.1、硬體

開發用電腦一臺

HAAS EDU K1 開發板一塊 （開發板內置 MPU-6050 傳感器）

USB2TypeC 資料線一根

3.2、軟體

"陀螺儀小球"功能已經包含在edu_demo應用中，并且包含在發布版本中，

3.2.1、韌體版本

韌體版本：V1.0.0

3.2.2、代碼路徑

git clone https://gitee.com/alios-things/AliOS-Things.git -b dev_3.1.0_haas

cd AliOS-Things/application/example/edu_demo/k1_apps/gyroscope

3.2.3、編譯

進入代碼的頂層目錄如AliOS-Things進行編譯，直接編譯application/example/目錄下的edu_demo應用，

兩種方法進行編譯

命令列方式

aos make distclean

aos make edu_demo@haaseduk1 -c config

aos make

AliOS Studio IDE方式

3.2.4、燒錄

見開發環境章節

4、硬體介紹 - MPU-6050

4.1、硬體規格

MPU-60X0是世界上第一款集成 6 軸MotionTracking設備，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器 DMP（ DigitalMotion Processor），可用I2C介面連接一個第三方的數字傳感器，比如磁力計，

MPU-6050具有三個用于將陀螺儀輸出數字化的16位模數轉換器（ADC）和三個用于將加速度計輸出數字化的16位ADC， 為了精確跟蹤快速和慢速運動，這些部件具有用戶可編程的陀螺儀滿量程范圍，范圍為±250，±500，±1000和±2000°/ sec（dps），以及用戶可編程的加速度計滿量程范圍 范圍為±2g，±4g，±8g和±16g，使用400kHz的I2C與設備的所有暫存器進行通信，其他功能包括嵌入式溫度傳感器和片上振蕩器，在整個作業溫度范圍內誤差±1％，

更多硬體規格請參考 DataSheet，

4.2、傳感原理

陀螺儀由1850年法國物理學家萊昂·傅科在研究地球自傳中獲得靈感而發明出來的，類似像是把一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，和現在小巧的芯片造型大相徑庭，

那么如何將這么龐大的機械設備，塞進小小的芯片當中呢？以目前廣泛使用的MPU-6050為例，它屬于傳感MEMS分支，傳感MEMS技術是指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉換電信號的器件和系統，感興趣的同學可以來這里學習亞德諾半導體的公開課 —— MEMS傳感器2：加速，旋轉——陀螺儀作業原理，

我們使用的MPU-6050是一款經典的MEMS陀螺儀，即硅微機電陀螺儀，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)是指集機械元素、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、介面電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統，絕大多數的MEMS陀螺儀依賴于相互正交的振動和轉動引起的交變科里奧利力，在MPU-6050內部，存在一質量塊，當器件上電后，會觸發質量塊以固定頻率橫向運動，當器件遭受外力具備加速度時，就會觸發質量塊的縱向運動，從而改變四周梳齒之間的距離，改變輸出的電容，進而通過ADC將模擬信號轉換為數字信號，輸出給外部[2]，

4.3、原理圖

在原理圖中我們可以看出，器件使用I2C通訊介面，并且，器件支持使用過INT引腳，當資料到來時可以在該引腳上觸發中斷，需要注意的是，AD0引腳決定了器件地址的第 0 bit，當AD0連接高電平，即AD0 = 1，此時器件地址為0x69，

4.4、驅動方式

4.4.1、通訊介面

由DataSheet可知，MPU-6050采用的通訊方式為I2C，默認7bit設備地址：0x69 (DataSheet P33 9.2)

在 AliOS Things 中，開發者只需要關心器件的設備地址即可，因為只要知道了設備地址，讀寫地址也可以計算出，AliOS Things 會自動處理這些計算，如果我們需要為了 MPU-6050 初始化I2C介面，那么對應的代碼為：

// components\peripherals\sensor\drv\drv_mag_honeywell_qmc5883l.c

static i2c_dev_t i2c_dev;



i2c_dev.port                 = 1;                               // HaaS EDK 默認使用I2C 1

i2c_dev.config.address_width = I2C_HAL_ADDRESS_WIDTH_7BIT;     

i2c_dev.config.freq          = I2C_BUS_BIT_RATES_400K;         

i2c_dev.config.mode          = I2C_MODE_MASTER;

i2c_dev.config.dev_addr      = MPU_ADDR;                        // MPU_ADDR 0X69



 hal_i2c_init(&i2c_dev);

4.4.2、暫存器

一般，使用I2C通訊的器件，都是通過讀寫暫存器的方式來完成對設備的讀取和配置，因此了解暫存器的分布就非常重要，由于 MPU-6050 的暫存器數量較多，建議讀者們查閱 Regsiter Map 檔案來獲取這些資訊，我們進列出部分較為關鍵的暫存器，

0x3B-0x40 三軸加速度暫存器 每軸資料2Byte

0x41-0x42 溫度暫存器 2Byte

0x43-0x48 三軸陀螺儀暫存器 每軸資料2Byte

4.4.3、驅動實作

uint8_t MPU_Init(void)

器件初始化，

// components/peripherals/sensor/drv/drv_acc_gyro_inv_mpu6050.c

uint8_t MPU_Init(void)

{

    uint8_t device_id = 0;



    // 初始化I2C

    i2c_dev.port = 1;

    i2c_dev.config.address_width = I2C_HAL_ADDRESS_WIDTH_7BIT;

    i2c_dev.config.freq = I2C_BUS_BIT_RATES_100K;

    i2c_dev.config.mode = I2C_MODE_MASTER;

    i2c_dev.config.dev_addr = MPU_ADDR;

    hal_i2c_init(&i2c_dev);



    // 復位MPU6050

    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X80);

    aos_msleep(100);

    // 喚醒MPU6050

    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X00);

    // 設定陀螺儀傳感器量程,±2000dps

    MPU_Set_Gyro_Fsr(3);   

    // 設定加速度傳感器量程,±2g

    MPU_Set_Accel_Fsr(0);  

    // 關閉所有中斷

    MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG, 0X00);   

    // I2C主模式關閉

    MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG, 0X00);

    // 關閉FIFO

    MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG, 0X00);  

    // 讀取器件ID

    device_id = MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);

    // 如果讀取的器件ID與預期一致

    if (device_id == MPU_DEV_ID)

    {

        LOGI("APP", "MPU init OK\n");

        //設定CLKSEL,PLL X軸為參考

        MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X01);

        //加速度與陀螺儀都作業

        MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG, 0X00);

        //設定采樣率為50Hz

        MPU_Set_Rate(50);                       

    }

    else

    {

        LOGI("APP", "MPU init Error -- %x\n", device_id);

        return 1;

    }

    return 0;

}

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

讀取三軸陀螺儀資料，由Register Map得知，只需要從GYRO_XOUTH向后依次讀出6個暫存器內容即可，

// components/peripherals/sensor/drv/drv_acc_gyro_inv_mpu6050.c

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

{

    uint8_t buf[6];



    MPU_Read_Len(MPU_GYRO_XOUTH_REG, 6, buf);

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

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

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

}

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

讀取三軸加速度資料，由Register Map得知，只需要從ACCEL_XOUTH向后依次讀出6個暫存器內容即可，

// components/peripherals/sensor/drv/drv_acc_gyro_inv_mpu6050.c

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

{

    uint8_t buf[6];



    MPU_Read_Len(MPU_ACCEL_XOUTH_REG, 6, buf);

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

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

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

}

5、應用開發

本實驗的應用較為簡單，只需要讀出加速度資料，并顯示在螢屏上即可，OLED的相關介面中已經給出了豐富的繪圖函式，具體實作如下，

void gyroscope_task(void)

{

    while (1)

    {

        // 清除螢屏memory

        OLED_Clear();

        // 獲取三軸加速度資訊

        MPU_Get_Accelerometer(&r_ax, &r_ay, &r_az);

        // 畫出固定的圓形邊框

        OLED_DrawCircle(66, 32, 10, 1, 1);

        // 畫出填充的圓

        OLED_FillCircle(66 - r_ax / 250, 32 + r_ay / 500, 8, 1);

        // 將螢屏memory顯示出來

        OLED_Refresh_GRAM();

        // 暫停20ms

        aos_msleep(20);

    }

}

6、更多應用

本實驗展示的僅是六軸傳感器的一個非常簡單的應用，隨著類似傳感器的體積越來越小，精度越來越高，它們也被應用在各種消費類電子產品，如穿戴設備、手機上，

使用它們可以進行一些非常有趣的應用，例如，手環中經常會使用到的計步演算法，運動狀態檢測演算法，都是基于其中的六軸傳感器資料，近年來，還有很多學術界的作業，使用手環中的六軸傳感器來實作空中寫字的識別，

除此之外，它也廣泛應用于輔助定位、飛行設備的姿態檢測，攝像機云臺的水平保持等等，期待讀者們能夠發掘出更多有價值的使用場景，

7、參考

[1] Gyroscope invented by Léon Foucault in 1852. Replica built by Dumoulin-Froment for the Exposition universelle in 1867. National Conservatory of Arts and Crafts museum, Paris.

By Stéphane Magnenat - Own work by uploader, subject public domain, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4302903

[2] 圖片來自 https://www.analog.com/cn/education/education-library/videos/5996766351001.html

8、開發者技術支持

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