一、MPU9250傳感器模塊概述

MPU9250是一款高集成度的九軸慣性測(cè)量單元（IMU），它集成了三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)（通常集成的磁力計(jì)為AK8963）。由于其體積小、功耗低、性能穩(wěn)定，MPU9250廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、智能穿戴設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)以及運(yùn)動(dòng)追蹤等領(lǐng)域。MPU9250采用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)制造，能夠同時(shí)采集角速度、線性加速度和地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)九自由度測(cè)量。模塊內(nèi)部還集成了數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP），用于執(zhí)行復(fù)雜的傳感器融合算法，從而降低了主控芯片的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。

二、功能與特點(diǎn)

MPU9250整合了3軸加速度計(jì)、3軸陀螺儀和3軸磁力計(jì)，能夠提供九軸數(shù)據(jù)。這使得系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)計(jì)算出姿態(tài)、航向和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為高精度定位和運(yùn)動(dòng)控制提供數(shù)據(jù)支持。

1. 低功耗設(shè)計(jì)
   采用先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)，適合于便攜式設(shè)備和電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。其工作模式可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行靈活配置，如休眠、低功耗待機(jī)以及全速工作模式。
2. 高動(dòng)態(tài)范圍和分辨率
   陀螺儀：支持±250、±500、±1000和±2000°/s等不同的量程選擇，可適應(yīng)從微小角速度到大幅度旋轉(zhuǎn)的測(cè)量。
   加速度計(jì)：支持±2g、±4g、±8g和±16g的量程，適用于多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)。
   磁力計(jì)：內(nèi)置AK8963磁力計(jì)，具有高分辨率，可以進(jìn)行精確的地磁測(cè)量，用于航向計(jì)算和磁場(chǎng)干擾補(bǔ)償。
3. 數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP）
   內(nèi)置DMP可以實(shí)現(xiàn)基本的姿態(tài)計(jì)算和傳感器融合，降低主控MCU的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與姿態(tài)估計(jì)。
4. 多種通信接口
   MPU9250支持I2C和SPI兩種通信方式，便于在不同系統(tǒng)中靈活應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)或HAL庫(kù)均可對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。
5. 內(nèi)置溫度傳感器
   除了三軸數(shù)據(jù)，MPU9250還內(nèi)置溫度傳感器，用于監(jiān)控芯片內(nèi)部溫度。雖然該溫度數(shù)據(jù)主要反映芯片工作時(shí)的溫度狀況，但在某些應(yīng)用中也可作為溫度補(bǔ)償參考。

三、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與轉(zhuǎn)換

傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)通常為16位有符號(hào)數(shù)。為了獲得物理意義上的數(shù)值，需要根據(jù)所選的量程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如：

1. 加速度計(jì)：如果選擇±2g量程，則轉(zhuǎn)換系數(shù)為16384 LSB/g，即原始數(shù)據(jù)除以16384后得到加速度值（單位g）。
2. 陀螺儀：如果選擇±250°/s量程，則轉(zhuǎn)換系數(shù)為131 LSB/°/s，即原始數(shù)據(jù)除以131后得到角速度值（單位°/s）。
3. 溫度傳感器：MPU9250的文檔中未明確給出溫度轉(zhuǎn)換參數(shù)，溫度轉(zhuǎn)換公式一般參考MPU6050的公式：

溫度(℃)={TEMP-OUT}/{340}+36.53

四、常用寄存器說(shuō)明

1、WHO_AM_I：讀取設(shè)備ID寄存器(只讀不能寫(xiě))，MPU9250的ID默認(rèn)為0x71。


其中AK8963的設(shè)備ID固定為0x48。

2、PWR_MGMT_1：電源管理1， 此寄存器用于設(shè)置用戶(hù)配置電源模式和時(shí)鐘源。

H_RESET：重置內(nèi)部寄存器，并恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置。寫(xiě)一個(gè)1來(lái)設(shè)置重置位，該位將自動(dòng)清除。即復(fù)位MPU9250。
SLEEP：設(shè)置MPU9250工作模式為休眠模式。
CYCLE：周期模式。當(dāng)你在 PWR_MGMT_1 寄存器中設(shè)置了 CYCLE 位，同時(shí)確保 SLEEP 和 STANDBY 位沒(méi)有被設(shè)置時(shí)，MPU9250 會(huì)進(jìn)入一種低功耗工作模式。在這種模式下，芯片會(huì)不斷地在“休眠”與“短暫?jiǎn)拘巡蓸印敝g交替工作。每次喚醒時(shí)，它只會(huì)采集一個(gè)加速度計(jì)樣本，而不是連續(xù)采集數(shù)據(jù)。采樣的頻率由 LP_ACCEL_ODR 寄存器來(lái)控制。注意：如果你通過(guò) PWR_MGMT_2 寄存器禁用了所有加速度計(jì)的軸（也就是關(guān)閉了加速度計(jì)），那么即使啟用了周期模式，芯片仍然會(huì)按照 LP_ACCEL_ODR 寄存器設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)喚醒，但由于加速度計(jì)被禁用了，所以它不會(huì)采集任何數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是啟用周期模式時(shí)芯片周期性地從低功耗休眠狀態(tài)中喚醒，采集一次數(shù)據(jù)，然后再回到休眠狀態(tài)。如果禁用加速度計(jì)：芯片仍會(huì)周期性喚醒，但不會(huì)采集數(shù)據(jù)。
GYRO_STANDBY：陀螺儀待機(jī)。設(shè)置后，陀螺儀驅(qū)動(dòng)器和鎖相環(huán)電路將啟用，但感測(cè)路徑將被禁用。這是一種低功耗模式，可快速啟用陀螺儀。
PD_PTAT：關(guān)閉內(nèi)部 PTAT 電壓發(fā)生器和 PTAT ADC
CLKSEL[2:0]：時(shí)鐘選擇?？蛇x擇內(nèi)部8M晶振、外部晶振或陀螺儀時(shí)鐘作為時(shí)鐘源。設(shè)備上電默認(rèn)使用內(nèi)部8M晶振作為時(shí)鐘，但其精度不高。官方推薦使用陀螺儀時(shí)鐘或外部晶振作為時(shí)鐘源，以提高穩(wěn)定性，一般設(shè)置CLKSEL=001，即選擇陀螺儀X軸時(shí)鐘作為時(shí)鐘源即可。下表為時(shí)鐘源選擇。

3、PWR_MGMT_2：電源管理2，使能3軸加速度和3軸陀螺儀。

4、SMPLRT_DIV：采樣率分頻器，用于設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)采樣的速率。將設(shè)置采樣速率時(shí)鐘通過(guò)這個(gè)寄存器進(jìn)行分頻，從而得到最終的數(shù)據(jù)采樣率

分頻計(jì)算公式如下

5、CONFIG：配置寄存器。

FIFO_MODE：控制 FIFO（數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）在裝滿(mǎn)后如何處理新的數(shù)據(jù)。當(dāng)FIFO_MODE = 0時(shí)，一旦FIFO裝滿(mǎn)，則新數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù)。FIFO_MODE = 1時(shí)，一旦FIFO滿(mǎn)，則停止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
EXT_SYNC_SET[2:0]：配置外部同步，讓芯片與外部觸發(fā)信號(hào)同步采集數(shù)據(jù)。以下表為選擇哪個(gè)傳感器數(shù)據(jù)同步，其中000為禁用同步，001為溫度數(shù)據(jù)同步，010-111分別為3軸陀螺儀、3軸加速度數(shù)據(jù)同步。

DLPF_CFG[2:0]：設(shè)置數(shù)字低通濾波器，用于濾除傳感器信號(hào)中的高頻噪聲。當(dāng) FCHOICE_B [1:0] = 00 時(shí)，DLPF 由 DLPF_CFG 配置。陀螺儀和溫度傳感器根據(jù) DLPF_CFG 和 FCHOICE_B 的值進(jìn)行過(guò)濾，如下表所示。

6、GYRO_CONFIG：配置陀螺儀自檢和滿(mǎn)量程


7、ACCEL_CONFIG：配置加速度自檢和滿(mǎn)量程


8、INT_PIN_CFG：中斷配置寄存器，用于設(shè)置INT中斷引腳的電平標(biāo)準(zhǔn)和驅(qū)動(dòng)方式（推挽、開(kāi)漏）等；

BYPASS_EN：配置旁路模式。讀取磁力計(jì)數(shù)據(jù)可以通過(guò)兩種方式讀取，一種是通過(guò)配置內(nèi)部I2C主控模式讀取，一種是直接通過(guò)旁路模式讀取，一般是開(kāi)啟旁路模式來(lái)訪問(wèn)磁力計(jì)，比較簡(jiǎn)單方便。
9、CNTL1：配置磁力計(jì)工作模式。

以下為配置模式

五、接線說(shuō)明

六、讀取MPU9250九軸數(shù)據(jù)

代碼示例：

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初始化函數(shù)
	
	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)
	{
		//讀取加速度和陀螺儀
		MPU9250_GetData(&ax, &ay, &az, &gx, &gy, &gz, &mx, &my, &mz);
		//讀取溫度
		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); //指定地址讀
	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字節(jié)數(shù)據(jù)及1字節(jié)狀態(tài)(ST2)
    uint8_t i;
	
	//3軸加速度
	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軸陀螺儀
	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軸磁力計(jì)
	for(i = 0; i < 7; i++){
        MagData[i] = MPU9250_ReadReg(AK8963_ADDR_WRITE, AK8963_HXL + i);
    }
    /* 注意：AK8963數(shù)據(jù)寄存器采用低字節(jié)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]);
	
	/* 可以在此檢查ST2寄存器(Data[6])中的溢出標(biāo)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);	//采樣分頻器
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_CONFIG, 0x06);	//配置寄存器，配置同步時(shí)鐘和低通濾波
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_GYRO_CONFIG, 0x18); //配置陀螺儀自測(cè)和滿(mǎn)量程
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_ACCEL_CONFIG, 0x18);
	MPU9250_WriteReg(MPU9250_ADDR_WRITE, MPU9250_INT_PIN_CFG, 0x02);  //開(kāi)啟旁路模式
	MPU9250_WriteReg(AK8963_ADDR_WRITE, AK8963_CNTL1, 0x16);  //設(shè)置連續(xù)測(cè)量模式
	Delay_ms(10);
}

效果展示：

七、讀取不到磁力計(jì)數(shù)據(jù)的可能原因及解決方法

獲取磁力計(jì)是根據(jù)AK8963來(lái)測(cè)量，在讀取磁力計(jì)數(shù)據(jù)前，先讀取下AK8963設(shè)備的ID值是否返回正常。如果不正常，可能的原因有以下幾點(diǎn)：

1. 旁路模式未開(kāi)啟
   MPU9250內(nèi)部連接了AK8963，只有在設(shè)置旁路模式后，外部I2C才能直接訪問(wèn)AK8963。如果旁路模式?jīng)]有正確配置，I2C總線上可能讀不到AK8963的數(shù)據(jù)。
   如果旁路模式已開(kāi)啟，常見(jiàn)原因是MPU9250內(nèi)部I2C主控功能沒(méi)有被關(guān)閉，導(dǎo)致旁路模式雖然設(shè)置了但仍然屏蔽了對(duì)AK8963的直接訪問(wèn)。通常在啟用旁路模式之前，需要先清除MPU9250的I2C_MST_EN，以確保外部I2C能直接訪問(wèn)AK8963。否則，即便旁路模式配置正確，也可能讀不到AK8963的寄存器，返回0x00。
   建議檢查初始化流程，確保在設(shè)置INT_PIN_CFG寄存器為0x02以啟用旁路模式之前，先在USER_CTRL寄存器中清除I2C主控使能位，然后再進(jìn)行后續(xù)的AK8963初始化流程。
2. I2C通信問(wèn)題
   檢查下I2C初始化和通訊時(shí)序是否正確。
   值得注意的是I2C地址的位寬上，AK8963的7位從地址是0x0C，如果你的I2C位操作中，傳遞的是8位地址。對(duì)于8位地址，寫(xiě)操作應(yīng)使用(0x0C<<1)=0x18，而讀操作應(yīng)使用0x18|0x01=0x19。如果直接使用0x0C，就相當(dāng)于地址錯(cuò)誤，I2C總線讀取時(shí)由于找不到設(shè)備，返回的自然就是上拉電平（0xFF）。
3. 供電或復(fù)位問(wèn)題
   如果AK8963沒(méi)有正確上電或者處于復(fù)位狀態(tài)，也可能返回0x00。確保傳感器的電源電壓和啟動(dòng)順序符合要求。

總結(jié)

MPU9250作為一款集成了九軸傳感器的高性能IMU，憑借其小巧的體積、低功耗和多種通信接口，成為了廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、可穿戴設(shè)備和VR等領(lǐng)域的首選傳感器模塊。其內(nèi)部集成的DMP不僅簡(jiǎn)化了外部數(shù)據(jù)處理，也為實(shí)現(xiàn)高精度姿態(tài)估計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，校準(zhǔn)、磁干擾和信號(hào)完整性等問(wèn)題依然需要開(kāi)發(fā)者認(rèn)真對(duì)待，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)。

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審核編輯 黃宇