基于STM32F103C8T6驱动MPU9250传感器读取九轴数据

一、MPU9250传感器模块概述

MPU9250是一款高集成度的九轴惯性测量单元（IMU），它集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计（通常集成的磁力计为AK8963）。由于其体积小、功耗低、性能稳定，MPU9250广泛应用于无人机、机器人、智能穿戴设备、虚拟现实以及运动追踪等领域。MPU9250采用MEMS（微机电系统）技术制造，能够同时采集角速度、线性加速度和地磁场数据，从而实现九自由度测量。模块内部还集成了数字运动处理器（DMP），用于执行复杂的传感器融合算法，从而降低了主控芯片的运算负担。

二、功能与特点

MPU9250整合了3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计，能够提供九轴数据。这使得系统可以实时计算出姿态、航向和运动状态，为高精度定位和运动控制提供数据支持。

1. 低功耗设计
   采用先进的低功耗设计，适合于便携式设备和电池供电的应用场景。其工作模式可根据应用需求进行灵活配置，如休眠、低功耗待机以及全速工作模式。
2. 高动态范围和分辨率
   陀螺仪：支持±250、±500、±1000和±2000°/s等不同的量程选择，可适应从微小角速度到大幅度旋转的测量。
   加速度计：支持±2g、±4g、±8g和±16g的量程，适用于多种运动状态检测。
   磁力计：内置AK8963磁力计，具有高分辨率，可以进行精确的地磁测量，用于航向计算和磁场干扰补偿。
3. 数字运动处理器（DMP）
   内置DMP可以实现基本的姿态计算和传感器融合，降低主控MCU的计算负担，并实现实时的运动检测与姿态估计。
4. 多种通信接口
   MPU9250支持I2C和SPI两种通信方式，便于在不同系统中灵活应用。标准库或HAL库均可对其进行驱动开发。
5. 内置温度传感器
   除了三轴数据，MPU9250还内置温度传感器，用于监控芯片内部温度。虽然该温度数据主要反映芯片工作时的温度状况，但在某些应用中也可作为温度补偿参考。

三、数据校准与转换

传感器输出的原始数据通常为16位有符号数。为了获得物理意义上的数值，需要根据所选的量程进行转换。例如：

1. 加速度计：如果选择±2g量程，则转换系数为16384 LSB/g，即原始数据除以16384后得到加速度值（单位g）。
2. 陀螺仪：如果选择±250°/s量程，则转换系数为131 LSB/°/s，即原始数据除以131后得到角速度值（单位°/s）。
3. 温度传感器：MPU9250的文档中未明确给出温度转换参数，温度转换公式一般参考MPU6050的公式：

温度(℃)={TEMP-OUT}/{340}+36.53

四、常用寄存器说明

1、WHO_AM_I：读取设备ID寄存器(只读不能写)，MPU9250的ID默认为0x71。


其中AK8963的设备ID固定为0x48。

2、PWR_MGMT_1：电源管理1， 此寄存器用于设置用户配置电源模式和时钟源。

H_RESET：重置内部寄存器，并恢复默认设置。写一个1来设置重置位，该位将自动清除。即复位MPU9250。
SLEEP：设置MPU9250工作模式为休眠模式。
CYCLE：周期模式。当你在 PWR_MGMT_1 寄存器中设置了 CYCLE 位，同时确保 SLEEP 和 STANDBY 位没有被设置时，MPU9250 会进入一种低功耗工作模式。在这种模式下，芯片会不断地在“休眠”与“短暂唤醒采样”之间交替工作。每次唤醒时，它只会采集一个加速度计样本，而不是连续采集数据。采样的频率由 LP_ACCEL_ODR 寄存器来控制。注意：如果你通过 PWR_MGMT_2 寄存器禁用了所有加速度计的轴（也就是关闭了加速度计），那么即使启用了周期模式，芯片仍然会按照 LP_ACCEL_ODR 寄存器设定的时间间隔定时唤醒，但由于加速度计被禁用了，所以它不会采集任何数据。简单来说，就是启用周期模式时芯片周期性地从低功耗休眠状态中唤醒，采集一次数据，然后再回到休眠状态。如果禁用加速度计：芯片仍会周期性唤醒，但不会采集数据。
GYRO_STANDBY：陀螺仪待机。设置后，陀螺仪驱动器和锁相环电路将启用，但感测路径将被禁用。这是一种低功耗模式，可快速启用陀螺仪。
PD_PTAT：关闭内部 PTAT 电压发生器和 PTAT ADC
CLKSEL[2:0]：时钟选择。可选择内部8M晶振、外部晶振或陀螺仪时钟作为时钟源。设备上电默认使用内部8M晶振作为时钟，但其精度不高。官方推荐使用陀螺仪时钟或外部晶振作为时钟源，以提高稳定性，一般设置CLKSEL=001，即选择陀螺仪X轴时钟作为时钟源即可。下表为时钟源选择。

3、PWR_MGMT_2：电源管理2，使能3轴加速度和3轴陀螺仪。

4、SMPLRT_DIV：采样率分频器，用于设置传感器数据采样的速率。将设置采样速率时钟通过这个寄存器进行分频，从而得到最终的数据采样率

分频计算公式如下

5、CONFIG：配置寄存器。

FIFO_MODE：控制 FIFO（数据缓冲区）在装满后如何处理新的数据。当FIFO_MODE = 0时，一旦FIFO装满，则新数据覆盖旧数据。FIFO_MODE = 1时，一旦FIFO满，则停止存储数据。
EXT_SYNC_SET[2:0]：配置外部同步，让芯片与外部触发信号同步采集数据。以下表为选择哪个传感器数据同步，其中000为禁用同步，001为温度数据同步，010-111分别为3轴陀螺仪、3轴加速度数据同步。

DLPF_CFG[2:0]：设置数字低通滤波器，用于滤除传感器信号中的高频噪声。当 FCHOICE_B [1:0] = 00 时，DLPF 由 DLPF_CFG 配置。陀螺仪和温度传感器根据 DLPF_CFG 和 FCHOICE_B 的值进行过滤，如下表所示。

6、GYRO_CONFIG：配置陀螺仪自检和满量程


7、ACCEL_CONFIG：配置加速度自检和满量程


8、INT_PIN_CFG：中断配置寄存器，用于设置INT中断引脚的电平标准和驱动方式（推挽、开漏）等；

BYPASS_EN：配置旁路模式。读取磁力计数据可以通过两种方式读取，一种是通过配置内部I2C主控模式读取，一种是直接通过旁路模式读取，一般是开启旁路模式来访问磁力计，比较简单方便。
9、CNTL1：配置磁力计工作模式。

以下为配置模式

五、接线说明

STM32F103C8T6	MPU9250 / USB转TTL
3V3	MPU9250_VCC
GND	MPU9250和TTL的GND
GPIOB10	MPU9250_SCL
GPIOB11	MPU9250_SDA
GPIOA9	TTL_RX
GPIOA10	TTL_TX

六、读取MPU9250九轴数据

代码示例：

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "mpu9250.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"

int16_t ax, ay, az, gx, gy, gz, mx, my, mz;
float temperature;
char mpu9250ID[30], ak8963ID[30], buf[100];

int main(void)
{
	SystemInit();
	MPU9250_Init();

	USART1_Init();	// USART初始化函数
	
	sprintf(mpu9250ID, "mpu9250_id = 0x%02Xrn", MPU9250_GetID());	
	USART_SendString(USART1, mpu9250ID);
	
	sprintf(ak8963ID, "ak8963_id = 0x%02Xrnrn", AK8963_GetID());
	USART_SendString(USART1, ak8963ID);
	
	while(1)
	{
		//读取加速度和陀螺仪
		MPU9250_GetData(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz, &mx, &my, &mz);
		//读取温度
		temperature = MPU6050_GetTemperature();
		
		sprintf(buf, "ax：%d  ay：%d  az：%d    gx：%d  gy：%d  gz：%drnmx：%d  my：%d  mz：%drnTemp: %.2f℃rnrn",
                ax, ay, az, gx, gy, gz, mx, my, mz, temperature);
		
		USART_SendString(USART1, buf);

        Delay_ms(500);
	}
}

MPU9250.c

#include "MyI2C.h"
#include "MPU9250_Reg.h"
#include "delay.h"

void MPU9250_WriteReg(uint8_t DeviceAddr, uint8_t RegAddress, uint8_t Data)
{
	MyI2C_Start();
	MyI2C_SendByte(DeviceAddr);
	MyI2C_ReceiveAck();
	MyI2C_SendByte(RegAddress);
	MyI2C_ReceiveAck();
	MyI2C_SendByte(Data);
	MyI2C_ReceiveAck();
	MyI2C_Stop();
}

uint8_t MPU9250_ReadReg(uint8_t DeviceAddr, uint8_t RegAddress)
{
	uint8_t Data;
	
	MyI2C_Start();
	MyI2C_SendByte(DeviceAddr);
	MyI2C_ReceiveAck();
	MyI2C_SendByte(RegAddress);
	MyI2C_ReceiveAck();
	
	MyI2C_Start();
	MyI2C_SendByte(DeviceAddr | 0x01); //指定地址读
	MyI2C_ReceiveAck();
	Data = MyI2C_ReceiveByte();
	MyI2C_SendAck(1);
	MyI2C_Stop();
	
	return Data;
}

uint8_t MPU9250_GetID(void)
{
	return MPU9250_ReadReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_WHO_AM_I);
}

uint8_t AK8963_GetID(void)
{
	return MPU9250_ReadReg(AK8963_ADDR_WRITE, AK8963_WHO_AM_I);
}

void MPU9250_GetData(int16_t *ax, int16_t *ay, int16_t *az, 
					    int16_t *gx, int16_t *gy, int16_t *gz,
						int16_t *mx, int16_t *my, int16_t *mz)
{
	uint8_t AccData[7], GyroData[7], MagData[7];  // 包括6字节数据及1字节状态(ST2)
    uint8_t i;
	
	//3轴加速度
	for(i = 0; i < 7; i++){
        AccData[i] = MPU9250_ReadReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_ACCEL_XOUT_H + i);
    }
	*ax = (int16_t)(((int16_t)AccData[0] < < 8) | AccData[1]);
    *ay = (int16_t)(((int16_t)AccData[2] < < 8) | AccData[3]);
    *az = (int16_t)(((int16_t)AccData[4] < < 8) | AccData[5]);
	
	//3轴陀螺仪
	for(i = 0; i < 7; i++){
        GyroData[i] = MPU9250_ReadReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_GYRO_XOUT_H + i);
    }
	*gx = (int16_t)(((int16_t)GyroData[0] < < 8) | GyroData[1]);
    *gy = (int16_t)(((int16_t)GyroData[2] < < 8) | GyroData[3]);
    *gz = (int16_t)(((int16_t)GyroData[4] < < 8) | GyroData[5]);
	
	//3轴磁力计
	for(i = 0; i < 7; i++){
        MagData[i] = MPU9250_ReadReg(AK8963_ADDR_WRITE, AK8963_HXL + i);
    }
    /* 注意：AK8963数据寄存器采用低字节在前的格式 */
    *mx = (int16_t)(((int16_t)MagData[1] < < 8) | MagData[0]);
    *my = (int16_t)(((int16_t)MagData[3] < < 8) | MagData[2]);
    *mz = (int16_t)(((int16_t)MagData[5] < < 8) | MagData[4]);
	
	/* 可以在此检查ST2寄存器(Data[6])中的溢出标志 */
}

float MPU6050_GetTemperature(void)
{
	int16_t TempData;
	uint8_t tempH, tempL;
	
	tempH = MPU9250_ReadReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_TEMP_OUT_H);
	tempL = MPU9250_ReadReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_TEMP_OUT_L);
	
	TempData = (int16_t)(tempH < < 8) | tempL;
	
	return((float)TempData) / 340.0f + 36.53f;
}

void MPU9250_Init()
{
	MyI2C_Init();
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_PWR_MGMT_1, 0x01);
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_PWR_MGMT_2, 0x00);
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_SMPLRT_DIV, 0x09);	//采样分频器
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_CONFIG, 0x06);	//配置寄存器，配置同步时钟和低通滤波
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_GYRO_CONFIG, 0x18); //配置陀螺仪自测和满量程
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_ACCEL_CONFIG, 0x18);
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_INT_PIN_CFG, 0x02);  //开启旁路模式
	MPU9250_WriteReg(AK8963_ADDR_WRITE, AK8963_CNTL1, 0x16);  //设置连续测量模式
	Delay_ms(10);
}

效果展示：

七、读取不到磁力计数据的可能原因及解决方法

获取磁力计是根据AK8963来测量，在读取磁力计数据前，先读取下AK8963设备的ID值是否返回正常。如果不正常，可能的原因有以下几点：

1. 旁路模式未开启
   MPU9250内部连接了AK8963，只有在设置旁路模式后，外部I2C才能直接访问AK8963。如果旁路模式没有正确配置，I2C总线上可能读不到AK8963的数据。
   如果旁路模式已开启，常见原因是MPU9250内部I2C主控功能没有被关闭，导致旁路模式虽然设置了但仍然屏蔽了对AK8963的直接访问。通常在启用旁路模式之前，需要先清除MPU9250的I2C_MST_EN，以确保外部I2C能直接访问AK8963。否则，即便旁路模式配置正确，也可能读不到AK8963的寄存器，返回0x00。
   建议检查初始化流程，确保在设置INT_PIN_CFG寄存器为0x02以启用旁路模式之前，先在USER_CTRL寄存器中清除I2C主控使能位，然后再进行后续的AK8963初始化流程。
2. I2C通信问题
   检查下I2C初始化和通讯时序是否正确。
   值得注意的是I2C地址的位宽上，AK8963的7位从地址是0x0C，如果你的I2C位操作中，传递的是8位地址。对于8位地址，写操作应使用(0x0C<<1)=0x18，而读操作应使用0x18|0x01=0x19。如果直接使用0x0C，就相当于地址错误，I2C总线读取时由于找不到设备，返回的自然就是上拉电平（0xFF）。
3. 供电或复位问题
   如果AK8963没有正确上电或者处于复位状态，也可能返回0x00。确保传感器的电源电压和启动顺序符合要求。

总结

MPU9250作为一款集成了九轴传感器的高性能IMU，凭借其小巧的体积、低功耗和多种通信接口，成为了广泛应用于无人机、机器人、可穿戴设备和VR等领域的首选传感器模块。其内部集成的DMP不仅简化了外部数据处理，也为实现高精度姿态估计提供了强有力的支持。然而，在实际应用中，校准、磁干扰和信号完整性等问题依然需要开发者认真对待，通过软硬件设计优化实现更稳定可靠的系统。

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审核编辑 黄宇