基于MPU6050的陀螺仪测控系统设计

叶俊明　马海琴

摘要：文章所述系统采用ARM Cortex微处理芯片STM32F103ZET6设计陀螺仪测控系统，采用Clinux操作系统对测量的数据进行滤波后用于控制用户电压输出，采用Microwindows的上位机图形界更好地显示陀螺仪的参数波形，在传输上使用串口通信对数据进行打包发送，系统稳定，有实用意义。

关键词：数字陀螺仪；测控系统；人机交互界面；?Clinux；电压输出 文献标识码：A

中图分类号：TP242 文章编号：1009-2374（2015）27-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.014

1 系统设计方案

本设计选用系统Clinux和ARM Cortex主控器作为本设计的操作测控装置，采用MPU-6050传感器芯片可准确地采样物体角速度变化。由于温度及陀螺仪本身存在的偏差，采样得到的数据会有偏差，采用滤波算法来校正。本设计采用多次平均算法和卡尔曼滤波算法校正。

测控的硬件系统由两部分构成。ARM采用IIC总线对MPU6050F进行访问，也可采用MPU6050自带的IIC程序进行设计。对得到的数据进行校正后可用于对用户输出电压、频率进行控制，显示采用五寸彩色屏和电脑上位机编写的Microwindows的图形界进行显示。

2 系统硬件设计

本设计的硬件平台采用STM32F103ZET6为核心的嵌入式系统。STM32F103ZET6具有丰富的硬件资源和可靠的稳定性，其与陀螺仪芯片MPU6050通过IIC总线连接即构成通用的检测系统。电路如图1所示：

图1 MPU-6050电路

3 系统软件设计

系统软件框架包括设备驱动程序、操作系统运行环境、根据用户需要自定义的控制程序、高级应用程序算法、底层驱动的与操作系统的接口程序。

3.1 底层驱动的串行口接口程序

串行口通信模块建立在操作系统驱动程序的基础上，采用多进程技术将串口驱动接收到的数据缓冲，切割成自定义的协议封装形式后，组装成高级应用程序（帧字节），为高级应用程序提供程序接口函数。

Struct unsigned char DataFrames_Mangae

{

Char StartFlag；Char Index；Char Dealed；Char Type；

Char Data_A[DATA_CONTROL_SIZES]；Char Reserved；char EndFlag；

}

程序接口函数为高级应用程序提供了串口、IIC程序初始化（也可以是MPU6050F自带的I2C总线程序）、接收发送函数。高级应用接口程序把底层结构体变量的指针传递到串行口模块，再按先后发送给下一级程序进行处理。

3.2 基于卡尔曼滤波程序的滤波算法

对于MPU-6050本身存在的误差，可采用多次测量取平均值的算法来校正，采用卡尔曼滤波算法有效地使得采样的输出平稳。

void Kalmana_Filters（float Aol，Gyrol）

{Pdota[3]=Q_gyro；Pdota[2]=Pdota[2]-PPa[1][1]；

Pdota[1]=Pdota[1]-PPa[1][1]；Pdota[0]=Q_angle-PPa[0][1]-PPa[1][0]；

Angle1=Angle1+（Gyro-Q_bias）*dt1；Angle_err=Accel-Angle1；

PPa[1][1]=PPa[1][1]+Pdota[3]*dt1；PPa[1][0]=PPa[1][0]+Pdota[2]*dt1；

PPa[0][0]=PPa[0][0]+Pdota[0]*dt1；PPa[0][1]=PPa[0][1]+Pdota[1]*dt1；

Et=R_angle+C_0*PCt_0；PCt_0=C_0*PPa[0][0]；PCt_1=C_0*PPa[1][0]；

if（Et！=0）{K_0=PCt_0/Et；K_1=PCt_1/Et；}

Angle1=K_0*Angle_err+Angle1；t_0=PCt_0；

t_1=C_0*PP[0][1]；PPa[0][0]-=K_0*t_0；

PPa[0][1]=PPa[0][1]-K_0*t_1；PPa[1][0]=PPa[1][0]-K_1*t_0；

PPa[1][1]=PPa[1][1]-K_1*t_1；Qbias=K_1*Angle_err+Qbias；}

3.3 基于Microwindows的多线程控制图形界实现

采用Microwindows的图形设计可以方便地加入外部设备，如按键、显示器等。在图形界面高级应用程序中，消息事件循环里可以从消息队列里面提取消息PeckMessages（）。串行口接收通信数据以及按键函数在应用程序中初始化后，将获得的消息传输到执行消息处理函数中。图2是陀螺仪芯片采集的数据在上位机上的显示：

图2 陀螺仪数据数据采集显示图

4 调试心得

MPU6050上电后是为睡眠状态的，上电启动设备后MPU6050会以主身份进行操作，如使用I2C等对MPU6050F读写会显示busy的状态，所以MPU6050的时序是很严格的。对陀螺仪采样的数据进行多次平均、卡尔曼滤波会大大降低干扰。

5 结语

本作品主要在于研究一种基于MPU6050的陀螺仪测控系统，该系统在以STM32F103ZET6微处理器和?Clinux操作系统上完成了对陀螺仪采样数据的多次平均测值量算法和滤波、基于Microwindows的GUI多线程控制、串行通信数据传输处理和底层AD控制等功能，具有良好的显示界面，便于监控和操作。

参考文献

[1] 李善平，陈文智，等.LINUX内核指导[M].杭州：浙江大学出版社，2002.

[2] 周立功，陈明计，陈渝，等.ARM嵌入式Linux系统构建与驱动开发范例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[3] [美]Charlie Calvert.21天学通Windows编程[M].北京：电子工业出版社，1995.

（责任编辑：周 琼）