【Zephyr开发实践系列】02_MPU6050极简驱动设计（轮询模式）

---

前言

在传统嵌入式传感器开发中，裸机驱动往往需要数百行初始化代码，而复杂的RTOS驱动又面临框架学习成本高的问题。Zephyr RTOS的传感器框架给出了三重设计方案：

• 设备树(DTS)自动管理硬件资源，消除i2c_configure()等样板代码
• 物理量转换标准化，通过sensor_value统一处理浮点数据
• 驱动-应用解耦，sample_fetch+channel_get双阶段操作简化流程
  本文针对滤除中断触发，针对轮询模式，详解MPU6050驱动。

一、MPU6050驱动模型

驱动模型包括以下几个要点：

1.1 核心应用API（必须）

• sample_fetch：触发传感器数据采集（同步读取加速度/陀螺仪/温度原始值）
• channel_get：将原始数据转换为标准物理量（m/s²、rad/s、℃）
• init：设备初始化与配置（含自检流程）

1.2 设置数据结构

• 配置寄存器（加速度，陀螺仪，温度，使能等）
• 配置数据结构体data
• 配置灵敏度等参数结构体config

1.3 硬件初始化

• 检查I2C控制器是否就绪（device_is_ready）
• 读取WHO_AM_I寄存器验证设备型号（MPU6050/MPU6500）
• 唤醒设备（清除PWR_MGMT1睡眠位）
• 设置加速度计/陀螺仪量程（ACCEL_CONFIG/GYRO_CONFIG寄存器）
• 计算并存储灵敏度系数（根据量程选择）

1.4 设备实例化

• 配置结构初始化: 从设备树提取基本配置
• 设备注册宏: 使用DEVICE_DT_INST_DEFINE注册设备
• 初始化优先级: 设置为POST_KERNEL

二、数据结构定义

2.1 寄存器相关配置

#define MPU6050_REG_CHIP_ID    0x75  // 芯片ID寄存器地址
#define MPU6050_REG_SMPLRT_DIV    0x19  // 采样率分频寄存器
#define MPU6050_REG_GYRO_CFG      0x1B  // 陀螺仪配置寄存器
#define MPU6050_GYRO_FS_SHIFT     3     // 陀螺仪量程位移
#define MPU6050_REG_ACCEL_CFG     0x1C  // 加速度计配置寄存器
#define MPU6050_ACCEL_FS_SHIFT    3     // 加速度计量程位移
#define MPU6050_REG_INT_EN        0x38  // 中断使能寄存器
#define MPU6050_DRDY_EN           BIT(0)// 数据就绪中断使能位
#define MPU6050_REG_DATA_START    0x3B  // 数据寄存器起始地址
#define MPU6050_REG_PWR_MGMT1     0x6B  // 电源管理1寄存器
#define MPU6050_SLEEP_EN          BIT(6)// 睡眠模式使能位

2.2 陀螺仪灵敏度值

static const uint16_t mpu6050_gyro_sensitivity_x10[] = {
    1310, 655, 328, 164  // 对应±250, ±500, ±1000, ±2000 °/s的灵敏度值×10
};

2.2 数据结构Data

struct mpu6050_data {
    - accel_x/y/z;               // 三轴加速度原始值
    - accel_sensitivity_shift;   // 加速度计灵敏度位移
    - temp;                      // 温度值
    - gyro_x/y/z;               // 三轴陀螺仪原始值
    - gyro_sensitivity_x10;     // 陀螺仪灵敏度×10
};

配置结构

struct mpu6050_config {
    struct i2c_dt_spec i2c;    // I2C设备树规格
    uint8_t accel_fs;          // 加速度计满量程
    uint16_t gyro_fs;          // 陀螺仪满量程  
    uint8_t smplrt_div;        // 采样率分频值
    struct gpio_dt_spec int_gpio; // 中断GPIO规格
};

三、核心功能实现

3.1 原数据解算

说明：

• 加速度：mpu6050_convert_accel
• 陀螺仪：mpu6050_convert_gyro
• 温度：mpu6050_convert_temp
• 解算方式请参考技术手册

// 加速度转换 (单位：m/s²)
void mpu6050_convert_accel(...)
{
    int64_t conv_val = ((int64_t)raw_val * SENSOR_G) 
                      >> sensitivity_shift;
    val->val1 = conv_val / 1000000;  // 整数部分
    val->val2 = conv_val % 1000000;  // 小数部分
}

// 陀螺仪转换 (单位：rad/s)
void mpu6050_convert_gyro(...)
{
    int64_t conv_val = ((int64_t)raw_val * SENSOR_PI * 10)
                      / (sensitivity_x10 * 180U);
}

//温度解算
static inline void mpu6050_convert_temp(enum mpu6050_device_type device_type,
                                       struct sensor_value *val, int16_t raw_val)
{
    -----
}

3.2 通道数据获取

说明：

• 可以根据陀螺仪型号定义相关数据

static int mpu6050_channel_get(const struct device *dev,
                              enum sensor_channel chan,
                              struct sensor_value *val)
{
    struct mpu6050_data *drv_data = dev->data;  // 获取驱动数据
    
    switch (chan) {
    case SENSOR_CHAN_ACCEL_XYZ:         // 三轴加速度
        mpu6050_convert_accel(val, drv_data->accel_x, ...);      // X轴
        mpu6050_convert_accel(val + 1, drv_data->accel_y, ...);  // Y轴  
        mpu6050_convert_accel(val + 2, drv_data->accel_z, ...);  // Z轴
        break;
    case SENSOR_CHAN_ACCEL_X:           // 单轴加速度X/Y/Z
    // ... 类似处理
    case SENSOR_CHAN_GYRO_XYZ:          // 三轴陀螺仪
        mpu6050_convert_gyro(val, drv_data->gyro_x, ...);        // X轴
        mpu6050_convert_gyro(val + 1, drv_data->gyro_y, ...);    // Y轴
        mpu6050_convert_gyro(val + 2, drv_data->gyro_z, ...);    // Z轴
        break;
    // ... 单轴陀螺仪处理
    case SENSOR_CHAN_DIE_TEMP:          // 芯片温度
        mpu6050_convert_temp(drv_data->device_type, val, drv_data->temp);
        break;
    default:
        return -ENOTSUP;                // 不支持的通道
    }
    
    return 0;
}

3.3 采样数据获取

说明：

• 根据寄存器顺序配置，易错乱

if (i2c_burst_read_dt(&cfg->i2c, MPU6050_REG_DATA_START, (uint8_t *)buf,
			      14) < 0) {
		LOG_ERR("Failed to read data sample.");
		return -EIO;
	}
	drv_data->accel_x = sys_be16_to_cpu(buf[0]);  // 加速度x
    drv_data->accel_y = sys_be16_to_cpu(buf[1]);  // 加速度Y
    drv_data->accel_z = sys_be16_to_cpu(buf[2]);  // 加速度Z
    drv_data->temp = sys_be16_to_cpu(buf[3]);     // 温度
    drv_data->gyro_x = sys_be16_to_cpu(buf[4]);   // 陀螺仪X
    drv_data->gyro_y = sys_be16_to_cpu(buf[5]);   // 陀螺仪Y
    drv_data->gyro_z = sys_be16_to_cpu(buf[6]);   // 陀螺仪Z

3.4 初始化

说明：

• 设备检查
• 检查设备ID
• 唤醒芯片
• 配置量程与采样率

int mpu6050_init(const struct device *dev)
{
	if (!device_is_ready(cfg->i2c.bus)) {
		LOG_ERR("Bus device is not ready");
		return -ENODEV;
	}

	/* check chip ID */
	if (i2c_reg_read_byte_dt(&cfg->i2c, MPU6050_REG_CHIP_ID, &id) < 0) {
		LOG_ERR("Failed to read chip ID.");
		return -EIO;
	}

	/* wake up chip */
	if (i2c_reg_update_byte_dt(&cfg->i2c, MPU6050_REG_PWR_MGMT1,
				   MPU6050_SLEEP_EN, 0) < 0) {
		LOG_ERR("Failed to wake up chip.");
		return -EIO;
	}

	/* set accelerometer full-scale range */
	for (i = 0U; i < 4; i++) {
		if (BIT(i+1) == cfg->accel_fs) {
			break;
		}
	}
-----

	if (i2c_reg_write_byte_dt(&cfg->i2c, MPU6050_REG_GYRO_CFG,
				  i << MPU6050_GYRO_FS_SHIFT) < 0) {
		LOG_ERR("Failed to write gyro full-scale range.");
		return -EIO;
	}

	drv_data->gyro_sensitivity_x10 = mpu6050_gyro_sensitivity_x10[i];

	if (i2c_reg_write_byte_dt(&cfg->i2c, MPU6050_REG_SMPLRT_DIV,
				  cfg->smplrt_div) < 0) {
		LOG_ERR("Failed to write samplerate divider.");
		return -EIO;
	}

	return 0;
}

总结

本驱动实现了完整的MPU6050传感器功能：数据转换、采样、初始化和设备注册。Zephyr在传感器方面的应用较其他RTOS方便，统一，读者可根据具体寄存器进行配置。