基于MPU6050的陀螺儀測控系統設計

葉俊明　馬海琴

摘要：文章所述系統采用ARM Cortex微處理芯片STM32F103ZET6設計陀螺儀測控系統，采用Clinux操作系統對測量的數據進行濾波后用于控制用戶電壓輸出，采用Microwindows的上位機圖形界更好地顯示陀螺儀的參數波形，在傳輸上使用串口通信對數據進行打包發送，系統穩定，有實用意義。

關鍵詞：數字陀螺儀；測控系統；人機交互界面；?Clinux；電壓輸出 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2015）27-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.014

1 系統設計方案

本設計選用系統Clinux和ARM Cortex主控器作為本設計的操作測控裝置，采用MPU-6050傳感器芯片可準確地采樣物體角速度變化。由于溫度及陀螺儀本身存在的偏差，采樣得到的數據會有偏差，采用濾波算法來校正。本設計采用多次平均算法和卡爾曼濾波算法校正。

測控的硬件系統由兩部分構成。ARM采用IIC總線對MPU6050F進行訪問，也可采用MPU6050自帶的IIC程序進行設計。對得到的數據進行校正后可用于對用戶輸出電壓、頻率進行控制，顯示采用五寸彩色屏和電腦上位機編寫的Microwindows的圖形界進行顯示。

2 系統硬件設計

本設計的硬件平臺采用STM32F103ZET6為核心的嵌入式系統。STM32F103ZET6具有豐富的硬件資源和可靠的穩定性，其與陀螺儀芯片MPU6050通過IIC總線連接即構成通用的檢測系統。電路如圖1所示：

圖1 MPU-6050電路

3 系統軟件設計

系統軟件框架包括設備驅動程序、操作系統運行環境、根據用戶需要自定義的控制程序、高級應用程序算法、底層驅動的與操作系統的接口程序。

3.1 底層驅動的串行口接口程序

串行口通信模塊建立在操作系統驅動程序的基礎上，采用多進程技術將串口驅動接收到的數據緩沖，切割成自定義的協議封裝形式后，組裝成高級應用程序（幀字節），為高級應用程序提供程序接口函數。

Struct unsigned char DataFrames_Mangae

{

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

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

}

程序接口函數為高級應用程序提供了串口、IIC程序初始化（也可以是MPU6050F自帶的I2C總線程序）、接收發送函數。高級應用接口程序把底層結構體變量的指針傳遞到串行口模塊，再按先后發送給下一級程序進行處理。

3.2 基于卡爾曼濾波程序的濾波算法

對于MPU-6050本身存在的誤差，可采用多次測量取平均值的算法來校正，采用卡爾曼濾波算法有效地使得采樣的輸出平穩。

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的多線程控制圖形界實現

采用Microwindows的圖形設計可以方便地加入外部設備，如按鍵、顯示器等。在圖形界面高級應用程序中，消息事件循環里可以從消息隊列里面提取消息PeckMessages（）。串行口接收通信數據以及按鍵函數在應用程序中初始化后，將獲得的消息傳輸到執行消息處理函數中。圖2是陀螺儀芯片采集的數據在上位機上的顯示：

圖2 陀螺儀數據數據采集顯示圖

4 調試心得

MPU6050上電后是為睡眠狀態的，上電啟動設備后MPU6050會以主身份進行操作，如使用I2C等對MPU6050F讀寫會顯示busy的狀態，所以MPU6050的時序是很嚴格的。對陀螺儀采樣的數據進行多次平均、卡爾曼濾波會大大降低干擾。

5 結語

本作品主要在于研究一種基于MPU6050的陀螺儀測控系統，該系統在以STM32F103ZET6微處理器和?Clinux操作系統上完成了對陀螺儀采樣數據的多次平均測值量算法和濾波、基于Microwindows的GUI多線程控制、串行通信數據傳輸處理和底層AD控制等功能，具有良好的顯示界面，便于監控和操作。

參考文獻

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[2] 周立功，陳明計，陳渝，等.ARM嵌入式Linux系統構建與驅動開發范例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

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（責任編輯：周 瓊）