MPU6050和STM32L152的微功耗三維無線鼠標設計

摘要：利用運動傳感芯片MPU6050和STM32L152，設計了一款運動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、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角計算方法，實現了鼠標姿態的精確測量。

關鍵詞：STM32L152;MPU6050;三維無線鼠標

引言

針對低功耗設計問題，大多數三維無線鼠標僅考慮無線模塊的低功耗設計。本文在此基礎上，進一步將鼠標處理器模塊及慣性測量模塊功耗考慮進來，實現一款功耗更低、性能更優的三維無線鼠標。

1 方案選擇

系統主要由電源模塊、運動感測追蹤組件MPU6050模塊、串口轉無線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無線傳輸。

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總線不能通信)，并與微處理器PB8、PB9引腳相連;AD0經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WiFi模塊電路

WiFi232-s是一款實現串口到WiFi數據包的雙向透明轉發，其內部完成協議轉換。串口轉WiFi模塊電路如圖4所示。通過串口或WiFi網絡連接至電腦，可以對模塊進行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，主要實現在鼠標不工作時系統進入睡眠模式，達到功耗最低，并且能夠及時從睡眠中喚醒，進入工作狀態。因此，在微處理器STM32L152中設置一個3s定時器，用來掃描鼠標當前狀態是否符合進入睡眠模式條件。每當定時溢出中斷到來后，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行計數。若計數大于所設閾值，則鼠標仍然保持工作狀態，等待下一次定時中斷到來，此時STM32L152為低功耗運行模式，MPU6050工作模式為加速度計單獨循環模式;若計數小于所設閾值，則鼠標進入睡眠模式，此時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工作模式，三軸陀螺儀設置為Standby待機模式，此時MPU6050電流消耗500μA。

MPU6050生產商已經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。此時加速度和陀螺儀傳感器都進入Standby待機模式，陀螺儀輸出值為0，加速度傳感器輸出一個固定值，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。此時只有陀螺儀傳感器工作，加速度計進入Standby待機模式，輸出為一個固定值，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循環最后執行，在其他任務跑完后進入睡眠模式，待中斷到來時喚醒。

(3)STM32L152低功耗模式參數

低功耗睡眠模式：當靜止不動時，三維鼠標會進入不工作狀態。此時只有微處理器中的3 s定時掃描MPU6050加速度計Z軸動作的定時器在工作，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：三維鼠標進行旋轉或位移動作時，進入工作狀態，此時STM32L152處于低功耗運行模式，主頻設置為16 MHz。關閉所有無關的外設，其電流消耗在500 μA左右。

3.4 鼠標工作狀態及睡眠狀態下的總功耗

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

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