MPU6050和STM32L152的微功耗三維無線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

摘要：利用運(yùn)動(dòng)傳感芯片MPU6050和STM32L152，設(shè)計(jì)了一款運(yùn)動(dòng)感知及處理模塊功耗僅為1.2 mA左右的低功耗三維鼠標(biāo)。針對功耗問題，詳細(xì)介紹了符合鼠標(biāo)低功耗工作要求的STM32L152低功耗運(yùn)行、睡眠模式配置，以及MPU6050加速度計(jì)單獨(dú)循環(huán)、單軸加速度計(jì)工作模式的配置，給出了加速度計(jì)標(biāo)定及基于加速度計(jì)的姿態(tài)角計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)姿態(tài)的精確測量。

關(guān)鍵詞：STM32L152;MPU6050;三維無線鼠標(biāo)

引言

針對低功耗設(shè)計(jì)問題，大多數(shù)三維無線鼠標(biāo)僅考慮無線模塊的低功耗設(shè)計(jì)。本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將鼠標(biāo)處理器模塊及慣性測量模塊功耗考慮進(jìn)來，實(shí)現(xiàn)一款功耗更低、性能更優(yōu)的三維無線鼠標(biāo)。

1 方案選擇

系統(tǒng)主要由電源模塊、運(yùn)動(dòng)感測追蹤組件MPU6050模塊、串口轉(zhuǎn)無線WiFi模塊和主控芯片STM32L152構(gòu)成，系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。這里WiFi模塊只是用于遠(yuǎn)程傳輸測試，不在低功耗設(shè)計(jì)考慮之中，若考慮遠(yuǎn)程傳輸?shù)凸脑O(shè)計(jì)，則使用ZigBee無線傳輸。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2. 1 微控制器接口電路

主控芯片STM32L152與MPU6050的I2C和串口轉(zhuǎn)WiFi模塊的接口電路如圖2所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)感測追蹤組件MPU6050電路

MPU6050硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示，將其SCL、SDA端口連接4.7 kΩ上拉電阻(否則I2C總線不能通信)，并與微處理器PB8、PB9引腳相連;AD0經(jīng)4.7 kΩ電阻接地，讀寫器件地址為0xD0，若懸空或接高電平，地址為0xD2;濾波電容取值0.1μF，電荷泵電容取值10 μF，否則片上傳感器不工作。

2.3 串口轉(zhuǎn)WiFi模塊電路

WiFi232-s是一款實(shí)現(xiàn)串口到WiFi數(shù)據(jù)包的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)，其內(nèi)部完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。串口轉(zhuǎn)WiFi模塊電路如圖4所示。通過串口或WiFi網(wǎng)絡(luò)連接至電腦，可以對模塊進(jìn)行AT指令集設(shè)置其配置參數(shù)。其中9、10、12引腳接4.7 kΩ上拉電阻，5、6引腳接處理器串口引腳PD8、PD9。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 三維鼠標(biāo)低功耗設(shè)計(jì)描述

使用MPU6050可以設(shè)計(jì)兩種三維鼠標(biāo)：基于加速度計(jì)或陀螺儀，這里主要討論基于加速度計(jì)的三維鼠標(biāo)設(shè)計(jì)。

三維鼠標(biāo)低功耗設(shè)計(jì)中，主要實(shí)現(xiàn)在鼠標(biāo)不工作時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，達(dá)到功耗最低，并且能夠及時(shí)從睡眠中喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)。因此，在微處理器STM32L152中設(shè)置一個(gè)3s定時(shí)器，用來掃描鼠標(biāo)當(dāng)前狀態(tài)是否符合進(jìn)入睡眠模式條件。每當(dāng)定時(shí)溢出中斷到來后，采集加速度計(jì)Z軸輸出值并持續(xù)0.5s，采集的當(dāng)前數(shù)據(jù)與上一時(shí)刻相減得到變化值，判斷其是否大于所設(shè)的閾值，并對這些大于閾值的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。若計(jì)數(shù)大于所設(shè)閾值，則鼠標(biāo)仍然保持工作狀態(tài)，等待下一次定時(shí)中斷到來，此時(shí)STM32L152為低功耗運(yùn)行模式，MPU6050工作模式為加速度計(jì)單獨(dú)循環(huán)模式;若計(jì)數(shù)小于所設(shè)閾值，則鼠標(biāo)進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)微處理器設(shè)置為低功耗睡眠模式，MPU6050的工作模式設(shè)置為加速度計(jì)Z軸工作，其余軸為Standby待機(jī)模式。

3.2 MPU6050低功耗設(shè)置

(1)MPU6050加速度計(jì)單獨(dú)循環(huán)工作模式

三維鼠標(biāo)的MPU6050模塊中的三軸加速度計(jì)設(shè)置為循環(huán)工作模式，三軸陀螺儀設(shè)置為Standby待機(jī)模式，此時(shí)MPU6050電流消耗500μA。

MPU6050生產(chǎn)商已經(jīng)給出了編程所需頭文件mpu6050.h，其將編程中所用到的寄存器都做了定義，如MPU6050 DEFAULT ADDRESS，在頭文件中對應(yīng)地址為0xD0或0xD2。

(2)MPU6050其他工作模式配置

MPU6050睡眠模式：電源管理1寄存器PWR_MGMT_1設(shè)置為0x40。此時(shí)加速度和陀螺儀傳感器都進(jìn)入Standby待機(jī)模式，陀螺儀輸出值為0，加速度傳感器輸出一個(gè)固定值，MPU 6050電流消耗為5μA。

MPU6050陀螺儀單獨(dú)運(yùn)行模式：電源管理1寄存器PWR_MGMT_1設(shè)置為0x0C，電源管理2寄存器PWR_MGMT_2設(shè)置為0x38。此時(shí)只有陀螺儀傳感器工作，加速度計(jì)進(jìn)入Standby待機(jī)模式，輸出為一個(gè)固定值，MPU6050電流消耗為3.6 mA。

3.3 STM32L152低功耗設(shè)置

注意，一般睡眠函數(shù)放置在while循環(huán)最后執(zhí)行，在其他任務(wù)跑完后進(jìn)入睡眠模式，待中斷到來時(shí)喚醒。

(3)STM32L152低功耗模式參數(shù)

低功耗睡眠模式：當(dāng)靜止不動(dòng)時(shí)，三維鼠標(biāo)會進(jìn)入不工作狀態(tài)。此時(shí)只有微處理器中的3 s定時(shí)掃描MPU6050加速度計(jì)Z軸動(dòng)作的定時(shí)器在工作，在1.8 V或3 V電壓下，微處理器功耗為6.1μA。

低功耗運(yùn)行模式：三維鼠標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或位移動(dòng)作時(shí)，進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)STM32L152處于低功耗運(yùn)行模式，主頻設(shè)置為16 MHz。關(guān)閉所有無關(guān)的外設(shè)，其電流消耗在500 μA左右。

3.4 鼠標(biāo)工作狀態(tài)及睡眠狀態(tài)下的總功耗

鼠標(biāo)正常工作狀態(tài)：STM32L152工作在低功耗運(yùn)行模式，MPU6050工作在加速度計(jì)單獨(dú)循環(huán)模式，電流消耗在1.2 mA左右。[!--empirenews.page--]

鼠標(biāo)睡眠狀態(tài)：STM32L152工作在睡眠模式(定時(shí)器中斷喚醒)，MPU6050只有加速度計(jì)Z軸工作，電流消耗在200μA左右。

3.5 三維鼠標(biāo)算法實(shí)現(xiàn)

三軸加速度計(jì)精度在出廠時(shí)便存在工藝誤差，制成MPU6050模塊后還存在安裝誤差等，所以大多數(shù)情況下加速度計(jì)所測得的值與真實(shí)值有所差別，需要進(jìn)行加速度計(jì)標(biāo)定過程。

(1)加速度計(jì)標(biāo)定方法

標(biāo)定模型：ai=Kiui+Bi，i=x、y、z，其中ai為加速度計(jì)真值，ki為測量斜率，ui為測量值，Bi為零偏。

取多個(gè)靜態(tài)位置的加速度計(jì)測量值，當(dāng)三軸加速度計(jì)靜止時(shí)，有如下狀態(tài)關(guān)系式：

g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎?。將?biāo)定模型代入狀態(tài)關(guān)系式，并作相關(guān)變量代換，可得表達(dá)式：

其中，pi是與測量斜率ki和零偏bi有關(guān)的替換變量。

本文測量20組不同位置的加速度計(jì)測量值，并除以對應(yīng)的系數(shù)轉(zhuǎn)換成以g為單位，分別求取每組中各軸的均值和平方值，代入上式中求出最小二乘解，接著求出標(biāo)定參數(shù)中的斜率和零偏。

(2)MPU6050加速度計(jì)不同量程標(biāo)定及結(jié)果

MPU6050加速度計(jì)有4種量程，分別是±2g、±4g、±8g、±16g，并且傳感器輸出單位分別是1 6 384 LSB/g、8 192 LSB/g、4 096 LSB/g、2 048 LSB/g，表1給出了±2g、±4g量程標(biāo)定結(jié)果，當(dāng)?shù)刂亓铀俣热≈禐?.8。

當(dāng)量程選取±2g時(shí)，通過下式計(jì)算加速度值：

ai=9.8 Kiui/16 384+Bi

當(dāng)量程選取±4g時(shí)，通過下式計(jì)算加速度值：

ai=9.8 Kiui/8 192+Bi

(3)姿態(tài)角計(jì)算

俯仰角pitch和橫滾角roll的計(jì)算公式：

pitch=arcsin(-ay)，roll=arctan(-ax/az)

三軸加速度計(jì)只有在靜止或勻速運(yùn)動(dòng)下，加速度測量合成矢量與重力矢量重合時(shí)，才能準(zhǔn)確測量姿態(tài)角。在測量精度要求不高的情況下，可以通過放寬對合成矢量的要

求，獲得姿態(tài)角連續(xù)測量。圖5(a)、圖5(b)以橫滾角為例，給出了不同閾值情況下的計(jì)算結(jié)果，其中黑點(diǎn)和細(xì)線分別為滿足于測量閾值條件時(shí)的橫滾角度計(jì)算值，可見對于三維鼠標(biāo)，使用0.15g的閾值，能夠滿足連續(xù)測量的要求?？煽啃耘卸l件如下：

(4)三維鼠標(biāo)在屏幕上坐標(biāo)映射計(jì)算

三維鼠標(biāo)在屏幕上坐標(biāo)映射的兩種計(jì)算方式為：

①旋轉(zhuǎn)角度判定方向、角度變化映射成坐標(biāo)位置：加速度傳感器計(jì)算橫滾、俯仰兩個(gè)傾角θ、ψ，θ角變化表示鼠標(biāo)在屏幕水平方向移動(dòng);ψ角變化表示在屏幕垂直方向移動(dòng)。角度變化按一個(gè)比例系數(shù)轉(zhuǎn)換為鼠標(biāo)的位移。

②旋轉(zhuǎn)角度判定方向、加速度積分映射光標(biāo)位移：鼠標(biāo)光標(biāo)在屏幕移動(dòng)方向的判斷同上。對加速度計(jì)動(dòng)作軸的輸出值在時(shí)間軸上積分得到位移，從而得到屏幕映射坐標(biāo)位置。

結(jié)語

從硬件選型到軟件設(shè)計(jì)都充分考慮了功耗問題，兼顧了三維鼠標(biāo)操作時(shí)的精度、穩(wěn)定性，克服了傳統(tǒng)鼠標(biāo)在某些環(huán)境不能懸空操作及靈敏度不高的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一款低成本、低功耗、操作簡單、穩(wěn)定性高的三維鼠標(biāo)。