MPU6050 数字运动处理器 (DMP)

目录

概述

1 DMP的功能和实现原理

1.1 DMP 核心功能

1.2 DMP 工作原理

2  DMP 实现步骤

2.1 加载 DMP 固件

2.2 配置 DMP 输出

2.3 读取 DMP 数据

2.4 四元数转欧拉角

3 DMP 高级应用

3.1 计步器实现

3.2 屏幕方向检测

3.3 运动唤醒功能

4 DMP 性能优化技巧

4.1 校准程序

4.2  低功耗配置

4.3 数据滤波优化

5 DMP 应用案例

5.1 无人机姿态稳定系统

5.2 VR 控制器手势识别

6 DMP 开发注意事项

6.1 处理事项解决方法

6.2 DMP 常见问题解决

---

概述

数字运动处理器（Digital Motion Processor，DMP）是 MPU6050 传感器中的嵌入式协处理器，能够独立处理传感器数据，实现高级运动处理功能，显著减轻主处理器的计算负担。

1 DMP的功能和实现原理

1.1 DMP 核心功能

1）  硬件级姿态解算

• 实时计算四元数

• 输出欧拉角（俯仰/滚转/偏航）

• 自动校准传感器偏差

2）  内置运动检测

• 手势识别（摇动、点击、翻转）

• 自由落体检测

• 运动唤醒功能

• 计步器功能

3）  传感器融合

• 加速度计 + 陀螺仪数据融合

• 可选磁力计融合（9轴）

• 自适应滤波算法

4）  低功耗优化

• 自主数据处理

• 可配置唤醒条件

• 中断驱动操作

1.2 DMP 工作原理

2  DMP 实现步骤

2.1 加载 DMP 固件

// DMP固件加载函数
int load_dmp_firmware(const struct device *dev)
{
    uint8_t firmware[3068]; // DMP固件数组（实际需包含固件数据）
    uint16_t i;
    uint8_t progBuffer[16];
    uint8_t bank = 0;
    
    // 复位DMP
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, BIT_DMP_RST);
    k_msleep(50);
    
    // 禁用FIFO
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, 0x00);
    
    // 加载固件
    for (i = 0; i < sizeof(firmware); i += 16) {
        // 写入16字节块
        memcpy(progBuffer, &firmware[i], 16);
        mpu_write_mem(dev, i, 16, progBuffer);
        
        // 验证写入
        uint8_t verify[16];
        mpu_read_mem(dev, i, 16, verify);
        if (memcmp(progBuffer, verify, 16) != 0) {
            printk("固件验证失败 @ 0x%04X\n", i);
            return -EIO;
        }
    }
    
    // 设置DMP配置
    uint8_t dmp_config[] = {0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
    mpu_write_mem(dev, DMP_CFG_1, sizeof(dmp_config), dmp_config);
    
    // 启用DMP
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, BIT_DMP_EN);
    
    return 0;
}

2.2 配置 DMP 输出

// 配置DMP输出四元数
void config_dmp_output(const struct device *dev)
{
    // 设置采样率 (200Hz)
    uint8_t rate = 1000000 / 200 / 4 - 1; // 4kHz内部速率
    mpu_write_reg(dev, 0x19, rate);
    
    // 设置FIFO速率分频器
    mpu_write_reg(dev, 0x1A, 0x00);
    
    // 配置DMP输出四元数
    mpu_write_reg(dev, 0x70, 0x03); // 启用四元数
    mpu_write_reg(dev, 0x1D, 0x01); // 设置DMP输出速率
    
    // 启用FIFO
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, BIT_DMP_EN | BIT_FIFO_EN);
    mpu_write_reg(dev, 0x23, BIT_FIFO_TEMP | BIT_DMP_OUT);
}

2.3 读取 DMP 数据

// 读取四元数数据
int read_dmp_quaternion(const struct device *dev, float *quat)
{
    uint8_t fifo_count[2];
    uint8_t fifo_buffer[16];
    
    // 读取FIFO计数
    mpu_read_reg(dev, 0x72, fifo_count, 2);
    uint16_t count = (fifo_count[0] << 8) | fifo_count[1];
    
    if (count < 16) return -ENODATA;
    
    // 读取FIFO数据
    mpu_read_reg(dev, 0x74, fifo_buffer, 16);
    
    // 解析四元数 (Q30格式)
    int32_t q[4];
    q[0] = (fifo_buffer[0] << 24) | (fifo_buffer[1] << 16) | (fifo_buffer[2] << 8) | fifo_buffer[3];
    q[1] = (fifo_buffer[4] << 24) | (fifo_buffer[5] << 16) | (fifo_buffer[6] << 8) | fifo_buffer[7];
    q[2] = (fifo_buffer[8] << 24) | (fifo_buffer[9] << 16) | (fifo_buffer[10] << 8) | fifo_buffer[11];
    q[3] = (fifo_buffer[12] << 24) | (fifo_buffer[13] << 16) | (fifo_buffer[14] << 8) | fifo_buffer[15];
    
    // 转换为浮点数 (除以2^30)
    const float scale = 1.0f / (1 << 30);
    quat[0] = q[0] * scale;
    quat[1] = q[1] * scale;
    quat[2] = q[2] * scale;
    quat[3] = q[3] * scale;
    
    return 0;
}

2.4 四元数转欧拉角

// 四元数转欧拉角 (弧度)
void quaternion_to_euler(float *q, float *roll, float *pitch, float *yaw)
{
    // 四元数分量
    float w = q[0], x = q[1], y = q[2], z = q[3];
    
    // 滚转角 (X轴)
    *roll = atan2(2*(w*x + y*z), 1 - 2*(x*x + y*y));
    
    // 俯仰角 (Y轴)
    float sinp = 2*(w*y - z*x);
    if (fabs(sinp) >= 1)
        *pitch = copysign(M_PI/2, sinp);
    else
        *pitch = asin(sinp);
    
    // 偏航角 (Z轴)
    *yaw = atan2(2*(w*z + x*y), 1 - 2*(y*y + z*z));
}

// 弧度转角度
void rad_to_deg(float *roll, float *pitch, float *yaw)
{
    *roll *= 180.0f / M_PI;
    *pitch *= 180.0f / M_PI;
    *yaw *= 180.0f / M_PI;
}

3 DMP 高级应用

3.1 计步器实现

// 启用计步器功能
void enable_pedometer(const struct device *dev)
{
    // 加载计步器固件段
    uint8_t pedo_config[] = {0x3B, 0x00, 0x00, 0x1B, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
    mpu_write_mem(dev, D_0_22, sizeof(pedo_config), pedo_config);
    
    // 设置计步器参数
    uint8_t pedo_params[] = {0x0A, 0x14, 0x1E, 0x28}; // 阈值参数
    mpu_write_mem(dev, D_PEDSTD_BP_B, sizeof(pedo_params), pedo_params);
    
    // 启用计步器
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, BIT_DMP_EN | BIT_PEDO_EN);
}

// 读取步数
uint16_t read_step_count(const struct device *dev)
{
    uint8_t step_count[2];
    mpu_read_reg(dev, 0x78, step_count, 2);
    return (step_count[0] << 8) | step_count[1];
}

3.2 屏幕方向检测

// 配置屏幕方向检测
void config_screen_orientation(const struct device *dev)
{
    // 设置屏幕方向阈值
    uint8_t orient_params[] = {0x3C, 0x00, 0x00, 0x00};
    mpu_write_mem(dev, D_0_1C, sizeof(orient_params), orient_params);
    
    // 启用屏幕方向检测
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, BIT_DMP_EN | BIT_ORIENT_EN);
}

// 获取当前方向
enum ScreenOrientation {
    PORTRAIT,
    LANDSCAPE,
    REVERSE_PORTRAIT,
    REVERSE_LANDSCAPE
};

enum ScreenOrientation get_screen_orientation(const struct device *dev)
{
    uint8_t orient;
    mpu_read_reg(dev, 0x7E, &orient, 1);
    
    switch (orient & 0x03) {
        case 0: return PORTRAIT;
        case 1: return LANDSCAPE;
        case 2: return REVERSE_PORTRAIT;
        case 3: return REVERSE_LANDSCAPE;
        default: return PORTRAIT;
    }
}

3.3 运动唤醒功能

// 配置运动唤醒
void config_motion_wakeup(const struct device *dev, uint8_t threshold, uint8_t duration)
{
    // 设置运动检测阈值
    mpu_write_reg(dev, 0x1F, threshold);
    
    // 设置运动检测持续时间
    mpu_write_reg(dev, 0x20, duration);
    
    // 配置中断
    mpu_write_reg(dev, 0x37, 0x80); // 启用INT引脚
    mpu_write_reg(dev, 0x38, 0x40); // 启用运动检测中断
    
    // 启用低功耗运动唤醒
    mpu_write_reg(dev, 0x6C, 0xC0); // 周期唤醒模式
    mpu_write_reg(dev, 0x6B, 0x20); // 低功耗加速度模式
}

4 DMP 性能优化技巧

4.1 校准程序

void calibrate_dmp(const struct device *dev)
{
    // 进入校准模式
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, BIT_DMP_EN | BIT_CALIB_EN);
    k_msleep(5000); // 保持设备静止5秒
    
    // 保存校准数据
    uint8_t calib_data[12];
    mpu_read_mem(dev, D_ACCEL_BIAS, 12, calib_data);
    
    // 写入永久存储 (Flash/EEPROM)
    save_calibration_data(calib_data);
    
    // 恢复DMP操作
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, BIT_DMP_EN);
}

// 启动时加载校准数据
void load_calibration(const struct device *dev)
{
    uint8_t calib_data[12];
    read_calibration_data(calib_data); // 从存储读取
    mpu_write_mem(dev, D_ACCEL_BIAS, 12, calib_data);
}

4.2  低功耗配置

void config_dmp_low_power(const struct device *dev)
{
    // 降低采样率 (20Hz)
    uint8_t rate = 1000000 / 20 / 4 - 1;
    mpu_write_reg(dev, 0x19, rate);
    
    // 禁用未使用功能
    mpu_write_reg(dev, 0x70, 0x01); // 仅启用四元数
    
    // 配置低功耗模式
    mpu_write_reg(dev, 0x6C, 0xC0); // 周期唤醒模式
    mpu_write_reg(dev, 0x6B, 0x28); // 低功耗加速度+陀螺仪
}

4.3 数据滤波优化

// 应用卡尔曼滤波到DMP输出
struct KalmanFilter {
    float Q_angle;   // 过程噪声协方差
    float Q_bias;    // 过程噪声协方差
    float R_measure; // 测量噪声协方差
    float angle;     // 计算的角度
    float bias;      // 计算的偏移
    float P[2][2];   // 误差协方差矩阵
};

float kalman_update(struct KalmanFilter *kf, float new_angle, float new_rate, float dt)
{
    // 预测步骤
    kf->angle += dt * (new_rate - kf->bias);
    kf->P[0][0] += dt * (dt * kf->P[1][1] - kf->P[0][1] - kf->P[1][0] + kf->Q_angle);
    kf->P[0][1] -= dt * kf->P[1][1];
    kf->P[1][0] -= dt * kf->P[1][1];
    kf->P[1][1] += kf->Q_bias * dt;
    
    // 更新步骤
    float S = kf->P[0][0] + kf->R_measure;
    float K[2] = {kf->P[0][0] / S, kf->P[1][0] / S};
    
    float y = new_angle - kf->angle;
    kf->angle += K[0] * y;
    kf->bias += K[1] * y;
    
    // 更新协方差矩阵
    float P00_temp = kf->P[0][0];
    float P01_temp = kf->P[0][1];
    
    kf->P[0][0] -= K[0] * P00_temp;
    kf->P[0][1] -= K[0] * P01_temp;
    kf->P[1][0] -= K[1] * P00_temp;
    kf->P[1][1] -= K[1] * P01_temp;
    
    return kf->angle;
}

5 DMP 应用案例

5.1 无人机姿态稳定系统

// PID控制器实现
struct PIDController {
    float Kp, Ki, Kd;
    float integral;
    float prev_error;
};

float pid_update(struct PIDController *pid, float setpoint, float input, float dt)
{
    float error = setpoint - input;
    
    // 比例项
    float P = pid->Kp * error;
    
    // 积分项
    pid->integral += error * dt;
    float I = pid->Ki * pid->integral;
    
    // 微分项
    float derivative = (error - pid->prev_error) / dt;
    float D = pid->Kd * derivative;
    
    pid->prev_error = error;
    
    return P + I + D;
}

// 主控制循环
void flight_control_loop(const struct device *dev)
{
    struct PIDController roll_pid = {2.5, 0.05, 0.8, 0, 0};
    struct PIDController pitch_pid = {2.5, 0.05, 0.8, 0, 0};
    struct PIDController yaw_pid = {1.8, 0.01, 0.5, 0, 0};
    
    while (1) {
        float quat[4];
        if (read_dmp_quaternion(dev, quat) == 0) {
            float roll, pitch, yaw;
            quaternion_to_euler(quat, &roll, &pitch, &yaw);
            rad_to_deg(&roll, &pitch, &yaw);
            
            // 获取目标姿态 (来自遥控器)
            float target_roll = get_target_roll();
            float target_pitch = get_target_pitch();
            float target_yaw = get_target_yaw();
            
            // 计算PID输出
            float dt = 0.005; // 200Hz
            float roll_correction = pid_update(&roll_pid, target_roll, roll, dt);
            float pitch_correction = pid_update(&pitch_pid, target_pitch, pitch, dt);
            float yaw_correction = pid_update(&yaw_pid, target_yaw, yaw, dt);
            
            // 调整电机转速
            adjust_motors(roll_correction, pitch_correction, yaw_correction);
        }
        k_msleep(5);
    }
}

5.2 VR 控制器手势识别

// 手势检测状态机
enum Gesture {
    GESTURE_NONE,
    GESTURE_SWIPE_LEFT,
    GESTURE_SWIPE_RIGHT,
    GESTURE_TAP,
    GESTURE_DOUBLE_TAP
};

void detect_gestures(const struct device *dev)
{
    static uint32_t last_tap_time = 0;
    static enum Gesture current_gesture = GESTURE_NONE;
    
    uint8_t motion_status;
    mpu_read_reg(dev, 0x7E, &motion_status, 1);
    
    // 检测点击
    if (motion_status & BIT_TAP_DETECTED) {
        uint32_t now = k_uptime_get();
        if (now - last_tap_time < 300) { // 300ms内
            current_gesture = GESTURE_DOUBLE_TAP;
        } else {
            current_gesture = GESTURE_TAP;
        }
        last_tap_time = now;
    }
    // 检测滑动
    else if (motion_status & BIT_SWIPE_DETECTED) {
        uint8_t swipe_dir;
        mpu_read_reg(dev, 0x7F, &swipe_dir, 1);
        
        if (swipe_dir & BIT_SWIPE_POS_X) {
            current_gesture = GESTURE_SWIPE_RIGHT;
        } else if (swipe_dir & BIT_SWIPE_NEG_X) {
            current_gesture = GESTURE_SWIPE_LEFT;
        }
    }
    
    // 处理检测到的手势
    if (current_gesture != GESTURE_NONE) {
        handle_gesture(current_gesture);
        current_gesture = GESTURE_NONE;
    }
}

6 DMP 开发注意事项

6.1 处理事项解决方法

1） 中断处理优化

// 高效中断处理
void mpu_isr(const struct device *gpio, struct gpio_callback *cb, uint32_t pins)
{
    uint8_t int_status;
    mpu_read_reg(mpu_dev, 0x3A, &int_status, 1);
    
    if (int_status & BIT_DMP_INT) {
        k_work_submit(&dmp_work); // 提交工作队列任务
    }
}

2） FIFO 溢出处理

void handle_fifo_overflow(const struct device *dev)
{
    // 重置FIFO
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, BIT_FIFO_RST);
    k_msleep(10);
    mpu_write_reg(dev, 0x6A, BIT_DMP_EN | BIT_FIFO_EN);
    
    // 增加读取频率
    set_dmp_read_rate(100); // 100Hz
}

3） 实时性能监控

void monitor_dmp_performance()
{
    static uint32_t last_count = 0;
    static uint32_t last_time = 0;
    
    uint32_t current_time = k_uptime_get();
    uint16_t step_count = read_step_count(mpu_dev);
    
    if (current_time - last_time > 1000) {
        float steps_per_sec = (step_count - last_count) / ((current_time - last_time) / 1000.0f);
        printk("DMP处理速率: %.1f steps/s\n", steps_per_sec);
        
        last_count = step_count;
        last_time = current_time;
    }
}

6.2 DMP 常见问题解决

问题	可能原因	解决方案
DMP无法加载	固件不匹配	验证传感器版本和固件兼容性
姿态漂移	未校准	执行完整校准程序
无数据输出	FIFO配置错误	检查FIFO使能和速率设置
欧拉角翻转	四元数方向错误	调整传感器安装方向
响应延迟	采样率过低	提高DMP输出速率
功耗过高	未使用低功耗模式	启用周期唤醒和低功耗配置
中断丢失	中断处理过慢	简化中断处理程序