MPU6050和STM32L152的微功耗三維無(wú)線(xiàn)鼠標設計

摘要：利用運動(dòng)傳感芯片MPU6050和STM32L152，設計了一款運動(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。針對功耗問(wèn)題，詳細介紹了符合鼠標低功耗工作要求的STM32L152低功耗運行、睡眠模式配置，以及MPU6050加速度計單獨循環(huán)、單軸加速度計工作模式的配置，給出了加速度計標定及基于加速度計的姿態(tài)角計算方法，實(shí)現了鼠標姿態(tài)的精確測量。

關(guān)鍵詞：STM32L152;MPU6050;三維無(wú)線(xiàn)鼠標

引言

針對低功耗設計問(wèn)題，大多數三維無(wú)線(xiàn)鼠標僅考慮無(wú)線(xiàn)模塊的低功耗設計。本文在此基礎上，進(jìn)一步將鼠標處理器模塊及慣性測量模塊功耗考慮進(jìn)來(lái)，實(shí)現一款功耗更低、性能更優(yōu)的三維無(wú)線(xiàn)鼠標。

1 方案選擇

系統主要由電源模塊、運動(dòng)感測追蹤組件MPU6050模塊、串口轉無(wú)線(xiàn)WiFi模塊和主控芯片STM32L152構成，系統功能框圖如圖1所示。這里WiFi模塊只是用于遠程傳輸測試，不在低功耗設計考慮之中，若考慮遠程傳輸低功耗設計，則使用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸。

2 硬件電路設計

2. 1 微控制器接口電路

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

2.2 運動(dòng)感測追蹤組件MPU6050電路

MPU6050硬件電路設計如圖3所示，將其SCL、SDA端口連接4.7 kΩ上拉電阻(否則I2C總線(xiàn)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(xiě)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WiFi模塊電路

WiFi232-s是一款實(shí)現串口到WiFi數據包的雙向透明轉發(fā)，其內部完成協(xié)議轉換。串口轉WiFi模塊電路如圖4所示。通過(guò)串口或WiFi網(wǎng)絡(luò )連接至電腦，可以對模塊進(jìn)行AT指令集設置其配置參數。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 軟件設計

3.1 三維鼠標低功耗設計描述

使用MPU6050可以設計兩種三維鼠標：基于加速度計或陀螺儀，這里主要討論基于加速度計的三維鼠標設計。

三維鼠標低功耗設計中，主要實(shí)現在鼠標不工作時(shí)系統進(jìn)入睡眠模式，達到功耗最低，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中設置一個(gè)3s定時(shí)器，用來(lái)掃描鼠標當前狀態(tài)是否符合進(jìn)入睡眠模式條件。每當定時(shí)溢出中斷到來(lái)后，采集加速度計Z軸輸出值并持續0.5s，采集的當前數據與上一時(shí)刻相減得到變化值，判斷其是否大于所設的閾值，并對這些大于閾值的數據進(jìn)行計數。若計數大于所設閾值，則鼠標仍然保持工作狀態(tài)，等待下一次定時(shí)中斷到來(lái)，此時(shí)STM32L152為低功耗運行模式，MPU6050工作模式為加速度計單獨循環(huán)模式;若計數小于所設閾值，則鼠標進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)微處理器設置為低功耗睡眠模式，MPU6050的工作模式設置為加速度計Z軸工作，其余軸為Standby待機模式。

3.2 MPU6050低功耗設置

(1)MPU6050加速度計單獨循環(huán)工作模式

三維鼠標的MPU6050模塊中的三軸加速度計設置為循環(huán)工作模式，三軸陀螺儀設置為Standby待機模式，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設置為0x40。此時(shí)加速度和陀螺儀傳感器都進(jìn)入Standby待機模式，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陀螺儀單獨運行模式：電源管理1寄存器PWR_MGMT_1設置為0x0C，電源管理2寄存器PWR_MGMT_2設置為0x38。此時(shí)只有陀螺儀傳感器工作，加速度計進(jìn)入Standby待機模式，輸出為一個(gè)固定值，MPU6050電流消耗為3.6 mA。

3.3 STM32L152低功耗設置

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

(3)STM32L152低功耗模式參數

低功耗睡眠模式：當靜止不動(dòng)時(shí)，三維鼠標會(huì )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。

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

3.4 鼠標工作狀態(tài)及睡眠狀態(tài)下的總功耗

鼠標正常工作狀態(tài)：STM32L152工作在低功耗運行模式，MPU6050工作在加速度計單獨循環(huán)模式，電流消耗在1.2 mA左右。

• STM32單片機中文官網(wǎng)
• STM32單片機官方開(kāi)發(fā)工具
• STM32單片機參考設計

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