手表关于MPU6050中的功能实现

MPU6050 OV-Watch 中的睡眠和唤醒功能实现

OV-Watch 项目为 MPU6050 传感器实施了复杂的电源管理，以优化电池寿命，同时保持手腕检测和计步功能。以下是对睡眠和唤醒机制的详细分析：

内核休眠/唤醒功能实现

MPU6050 有两个主要功能来控制其电源状态：

void MPU_Sleep()  
{  
    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0x48);//sleep=1,cycle=0,temp_dis=1,internal 8MHz  
}  
  
void MPU_Wakeup()  
{  
    //low power modes  
    MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0x28);//sleep=0,cycle=1,temp_dis=1,internal 8MHz  
}

这些函数写入 MPU6050 的电源管理寄存器（MPU_PWR_MGMT1_REG，地址 0x6B）以配置：

• Sleep bit：控制设备是否处于睡眠模式 （1） 或不处于 （0）
• Cycle bit：启用 （1） 或禁用 （0） 循环模式，其中设备在睡眠和测量之间循环
• 温度传感器：禁用 （1） 以节省电量
• 时钟源：使用内部 8MHz 振荡器（位 0-2 = 0）

【STM32】MPU6050初始化常用寄存器说明及示例代码

初始化过程

MPU6050配置为在初始化期间实现节能运行：

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X28);  //SET the internal 8MHz,sleep=0,cycle=1,TEMP_DIS=1//low power modes  
MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG,0X87);  //enable accelerometer,disanable gyroscope,set the wake up frequence=20Hz  
MPU_Set_Rate(50);                        //采样率50Hz

此初始配置：

1. 将 MPU6050 设置为低功耗循环模式 （0x28）
2. 在保持启用加速度计的同时禁用陀螺仪 （0x87）
3. 将唤醒频率设置为 20Hz
4. 配置 50Hz 采样率

DMP 运动处理配置

OV-Watch 通过数字运动处理器 （DMP） 功能进一步优化了功耗：

u8 mpu_dmp_init(void)  
{  
    u8 res=0;  
    MPU_Bus_Init();  
    if(mpu_init()==0) //初始化MPU6050  
    {	  
        res = mpu_lp_accel_mode(20);  
        if(res)return -1;   
        res=mpu_configure_fifo(INV_XYZ_ACCEL);//配置FIFO  
        if(res)return 2;   
        res=mpu_set_sample_rate(DEFAULT_MPU_HZ);	//设置采样率  
        if(res)return 3;   
        res=dmp_load_motion_driver_firmware();		//加载dmp固件  
        if(res)return 4;   
        res=dmp_enable_feature(DMP_FEATURE_TAP| DMP_FEATURE_SEND_RAW_ACCEL| DMP_FEATURE_PEDOMETER);//使能dmp功能  
        if(res)return 6;   
        res=dmp_set_fifo_rate(DEFAULT_MPU_HZ);	//设置DMP输出速率(最大不超过200Hz)  
        if(res)return 7;     
        res=mpu_set_dmp_state(1);	//使能DMP  
        if(res)return 9;   
    }else return 10;  
    return 0;  
}

此初始化：

1. 将低功耗加速度计模式配置为 20Hz 唤醒频率
2. 为加速度计数据设置 FIFO
3. 加载 DMP 固件以进行高级运动处理
4. 启用特定功能：点击检测、原始加速度数据和计步器
5. 设置适当的数据速率

低功耗加速度计模式

mpu_lp_accel_mode 功能对于电源效率至关重要：

int mpu_lp_accel_mode(unsigned char rate)  
{  
    unsigned char tmp[2];  
  
    if (rate > 40)  
        return -1;  
  
    if (!rate) {  
        mpu_set_int_latched(0);  
        tmp[0] = 0;  
        tmp[1] = BIT_STBY_XYZG;  
        if (i2c_write(st.hw->addr, st.reg->pwr_mgmt_1, 2, tmp))  
            return -1;  
        st.chip_cfg.lp_accel_mode = 0;  
        return 0;  
    }  
      
    /* For LP accel, we automatically configure the hardware to produce latched  
     * interrupts. In LP accel mode, the hardware cycles into sleep mode before  
     * it gets a chance to deassert the interrupt pin; therefore, we shift this  
     * responsibility over to the MCU.  
     */  
    mpu_set_int_latched(1);  
#if defined MPU6050  
    //tmp[0] = BIT_LPA_CYCLE;  
    tmp[0] = 0x28;

此功能：

1. 设置低功耗作所需的锁存中断
2. 使用 0x28 配置电源管理寄存器 （cycle=1， sleep=0， temp_dis=1）sleep=1：将设备置于睡眠模式cycle=0：禁用循环模式（周期性唤醒）temp_dis=1：禁用温度传感器以节省电量使用内部 8MHz 振荡器进行定时
3. 根据请求的速率选择合适的唤醒频率
4. 禁用陀螺仪以节省电量

手腕检测实现

OV-Watch 使用MPU6050进行手腕检测，以确定何时唤醒设备：

//MPU Check  
if(HWInterface.IMU.wrist_is_enabled)  
{  
    uint8_t hor;  
    hor = MPU_isHorizontal();  
    if(hor && HWInterface.IMU.wrist_state == WRIST_DOWN)  
    {  
        HWInterface.IMU.wrist_state = WRIST_UP;  
        Wrist_Flag = 1;  
        //resume, go on  
    }  
    else if(!hor && HWInterface.IMU.wrist_state == WRIST_UP)  
    {  
        HWInterface.IMU.wrist_state = WRIST_DOWN;  
        IdleTimerCount  = 0;  
        goto sleep;  
    }  
}

此机制：

1. 检查是否启用了手腕检测
2. 确定手表是否处于水平位置
3. 更新手腕状态（UP 或 DOWN）
4. 控制设备是应唤醒还是返回睡眠状态

水平位置检测使用加速度计数据来计算滚动和俯仰：

uint8_t MPU_isHorizontal(void)  
{  
    float roll,pitch;  
    MPU_Get_Angles(&roll,&pitch);  
    if(roll<=0.50 && roll>=-0.50 && pitch<=0.50 && pitch>=-0.50)  
    {return 1;}  
    return 0;  
}

硬件接口层

OV-Watch 实现了一个硬件抽象层来管理手腕检测：

void HW_MPU_Wrist_Enable(void)  
{  
    #if HW_USE_IMU  
        HWInterface.IMU.wrist_is_enabled = 1;  
    #endif  
}  
  
void HW_MPU_Wrist_Disable(void)  
{  
    #if HW_USE_IMU  
        HWInterface.IMU.wrist_is_enabled = 0;  
    #endif  
}

这些函数控制手腕检测功能是否处于活动状态，这直接影响何时调用 MPU6050 睡眠/唤醒函数。

笔记

1. OV-Watch 中的 MPU6050 实现通过以下方式最大限度地降低功耗：

   • 在不需要时禁用陀螺仪
   • 禁用温度传感器
   • 使用循环模式而不是恒定作
   • 仔细选择合适的唤醒频率

2. 手腕检测功能允许手表保持睡眠模式，直到用户抬起手腕，在保持可用性的同时显着延长电池寿命。

3. 数字运动处理器 （DMP） 可高效处理复杂的运动检测任务，使主处理器保持低功耗状态。

OV-Watch 智能手表使用 MPU6050 IMU 传感器来保持计步功能，即使设备处于睡眠模式也是如此。这种方法是手表能效战略的核心。

Power Mode 架构

OV-Watch 有三种不同的电源模式：

1. 正常运行模式 - 功能齐全（消耗 70-80mA）
2. 睡眠模式 - 当 MCU 处于停止模式（约 800μA）时，MPU6050继续计数步数
3. 关断模式 - 完全断电，仅 RTC 处于活动状态 README_Eng.md：142-146

MPU6050 低功耗配置

在初始化期间，MPU6050 专门配置为在低功耗模式下运行，同时保持步数功能：

u8 mpu_dmp_init(void)  
{  
    u8 res=0;  
    MPU_Bus_Init();  
    if(mpu_init()==0)//初始化MPU6050  
    {      
        res = mpu_lp_accel_mode(20);  
        if(res)return -1;   
        //...  
        res=dmp_enable_feature(DMP_FEATURE_TAP| DMP_FEATURE_SEND_RAW_ACCEL| DMP_FEATURE_PEDOMETER);//enable dmp features  
        if(res)return 6;   
        //...  
    }  
    return 0;  
}

关键部分是调用，它将 MPU6050 配置为在低功耗模式下以 20Hz 采样率运行。此功能专门将加速度计设置为继续运行，同时最大限度地降低功耗。mpu_lp_accel_mode(20)

睡眠模式实现

当设备进入睡眠模式时，MCU 进入 STOP 模式，同时保持 MPU6050 处于活动状态：

void StopEnterTask(void *argument)  
{  
    //...  
    if(osMessageQueueGet(Stop_MessageQueue,&Stopstr,NULL,0)==osOK)  
    {  
        //...  
        //enter stop mode  
        HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON,PWR_STOPENTRY_WFI);  
          
        //here is the sleep period  
        //...  
    }  
    //...  
}

值得注意的是，虽然 LCD 和 UART 等其他外设在进入睡眠模式之前被取消初始化，但 MPU6050 有意保持运行状态，允许它在 MCU 处于 STOP 模式时继续计算步数。

跨电源周期的步数持久性

步数通过 EEPROM 存储在整个休眠周期中保留：

void DataSaveTask(void *argument)  
{  
    while(1)  
    {  
        //...  
        RTC_DateTypeDef nowdate;  
        HAL_RTC_GetDate(&hrtc,&nowdate,RTC_FORMAT_BIN);  
          
        SettingGet(dat,0x20,3);  
        if(dat[0] != nowdate.Date)  
        {  
            //...  
        }  
        else  
        {  
            uint16_t temp = HWInterface.IMU.GetSteps();  
            dat[0] = nowdate.Date;  
            dat[2] = temp & 0xff;  
            dat[1] = temp>>8 & 0xff;  
            SettingSave(dat,0x20,3);  
        }  
        //...  
    }  
}

当系统初始化时，它会从 EEPROM 恢复上一步计数：

// EEPROM  
EEPROM_Init();  
if(!EEPROM_Check())  
{  
    //...  
    SettingGet(recbuf,0x20,3);  
    if(recbuf[0] == nowdate.Date)  
    {  
        uint16_t steps=0;  
        steps = recbuf[1]&0x00ff;  
        steps = steps<<8 | recbuf[2];  
        if(!HWInterface.IMU.ConnectionError)  
            dmp_set_pedometer_step_count((unsigned long)steps);  
    }  
}

步数计算实现

MPU6050 使用其 DMP（数字运动处理器）在内部计算步数。OV-Watch 仅在需要时检索此计数：

uint16_t HW_MPU_Get_Steps(void)  
{  
    #if HW_USE_IMU  
        unsigned long STEPS = 0;  
        if(!HWInterface.IMU.ConnectionError)  
            dmp_get_pedometer_step_count(&STEPS);  
        return (uint16_t)STEPS;  
    #endif  
        return 0;  
}

笔记

该项目需要对 MPU6050 DMP 库进行自定义修改，以实现低功耗。如 README 中所述：“MPU6050 不能直接使用 DMP 库。初始化后，功耗很高，需要进行一些修改以降低功耗。

这种实现方式允许 OV-Watch 在睡眠模式下保持连续计步，与正常工作时的 70-80mA 相比，实现了约 800μA 的极低功耗。

我将解释为什么以这种方式编写代码，以便从两个 8 位字节重新构造 16 位值。

了解步数检索中的字节作

查看 OV-Watch 项目中的相关代码：

steps = recbuf[1]&0x00ff; steps = steps<<8 | recbuf[2];

此代码从数组中存储的两个 8 位字节重建一个 16 位整数 （steps）。让我解释一下为什么它是这样写的：

准则的目的

此代码出现在硬件初始化任务中，系统正在从 EEPROM 内存中检索之前保存的步数。步数存储为 16 位值（可表示 0-65535 步），但作为两个独立的 8 位字节保存在 EEPROM 中。

重建如何运作

1. 第一行：steps = recbuf[1]&0x00ff;
   • 这将获取高字节 （recbuf[1]） 并用 0x00FF 掩码它
   • 掩码作 （） 在技术上是多余的，因为 recbuf[1] 已经是一个 8 位值，但它确保只使用低 8 位&0x00ff
2. 第二行：steps = steps<<8 | recbuf[2];
   • 将高字节左移 8 位（为低字节腾出空间）
   • 然后使用按位 OR 运算将其与低字节 （recbuf[2]） 组合

为什么以这种方式存储数据？

该器件中的 EEPROM 存储使用简单的字节可寻址格式。保存 16 位步数时，它被分成两个字节：

dat[0] = nowdate.Date;  
dat[2] = temp & 0xff;         // Low byte of step count  
dat[1] = temp>>8 & 0xff;      // High byte of step count  
SettingSave(dat,0x20,3);

检索数据时，该过程将相反，以重建原始的 16 位值。

字节序注意事项

此实现使用 big-endian 格式进行存储（最高有效字节在前）：

• 高字节存储在 recbuf[1] 中
• 低字节存储在 recbuf[2] 中

这是嵌入式系统中的常见约定，尤其是在 EEPROM 或其他字节可寻址存储中存储多字节值时。

完整上下文

此代码是设备初始化期间步数恢复过程的一部分。如果当前日期与存储的日期匹配，则系统会检索之前保存的步数并在MPU6050的计步器中进行设置：

if(recbuf[0] == nowdate.Date)  
{  
  uint16_t steps=0;  
  steps = recbuf[1]&0x00ff;  
  steps = steps<<8 | recbuf[2];  
  if(!HWInterface.IMU.ConnectionError)  
    dmp_set_pedometer_step_count((unsigned long)steps);  
}

这可确保步数在设备重启或睡眠周期中保持不变，从而保持准确的每日步数。

笔记

代码可以更简洁地编写为：

steps = (recbuf[1] << 8) | recbuf[2];

但是，对于某些开发人员，尤其是那些不太熟悉按位运算的开发人员，两步方法可能更具可读性。

MPU6050 OV-Watch 中的点击检测功能

您询问的是为什么MPU6050（一个运动传感器）会有点击检测功能，而这看起来应该是触摸屏的功能。这是一个很好的问题，让我来解释一下。

MPU6050的点击检测功能

在OV-Watch项目中，MPU6050确实被配置为启用了点击检测（tap detection）功能。这可以在初始化代码中看到： inv_mpu.c：2974

这里启用了三个DMP功能：

1. DMP_FEATURE_TAP- 点击检测
2. DMP_FEATURE_SEND_RAW_ACCEL- 原始加速度数据
3. DMP_FEATURE_PEDOMETER- 计步器功能

点击检测与触摸屏的区别

虽然OV-Watch确实有触摸屏（在功能列表中可以看到），但MPU6050的点击检测功能与触摸屏的触摸检测是完全不同的：

1. 触摸屏检测：检测用户在屏幕表面的触摸动作，是基于电容或电阻变化的。

2. MPU6050点击检测：检测的是整个设备受到的物理冲击或敲击，是基于加速度传感器检测到的突然加速度变化。

MPU6050点击检测的工作原理

MPU6050的点击检测是通过其内置的DMP（数字运动处理器）实现的，它能够识别出特定的加速度模式，这些模式对应于设备被敲击或轻拍的动作。在代码中，这个功能被设置为检测X、Y、Z三个轴向的敲击： 

为什么需要这个功能？

在智能手表中，点击检测功能可以用于：

1. 唤醒设备：当手表处于睡眠模式时，轻敲手表可以唤醒它，而不需要按按钮。

2. 手势控制：可以通过不同方向的敲击来实现简单的手势控制，例如双击表面来确认操作。

3. 节省电量：与持续监听触摸屏输入相比，使用加速度传感器检测敲击可能更省电。

在OV-Watch中的应用

在OV-Watch的低功耗设计中，MPU6050在手表睡眠模式下仍然保持活跃，以便继续计步和检测手腕动作：

虽然最终OV-Watch项目选择使用RTC定时中断而不是MPU6050的运动检测来唤醒设备（因为需要较大的动作才能触发中断），但点击检测功能仍然被保留在代码中，可能用于其他交互功能。

笔记

1. OV-Watch同时拥有触摸屏和MPU6050的点击检测功能，它们服务于不同的用途。

2. 虽然在提供的代码片段中没有明确看到MPU6050的点击检测功能被如何使用，但该功能在初始化时被启用，表明它可能在某些交互场景中被使用。

3. 值得注意的是，MPU6050的DMP功能被特别优化以降低功耗，这对于电池供电的智能手表来说是非常重要的。