基于六軸傳感器MPU6050 的一種低功耗姿態及深度測量裝置*

杜 鵬

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

六軸傳感器MPU6050 是InvenSense 公司推出的全球首款低功耗整合性6 軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了安裝空間。MPU6050 也是當下較流行的一款六軸（三軸加速度+三軸角速度（陀螺儀））傳感器：該傳感器廣泛用于四軸飛行器、平衡車和空中鼠標等設計，具有非常廣泛的應用范圍。

2 系統組成

整個系統由主控信號處理器（MSP430 單片機）、RS-422通訊接口、六軸傳感器MPU6050、壓力傳感器、A∕D 轉換電路、數據存儲單元組成，其系統框圖如圖1所示。

圖1 測量裝置系統框圖

3 硬件設計

3.1 主控信號處理器

主控信號處理器選用的是主控電路采用TI 公司MSP430 系列單片機MSP430F1611 作為主控芯片。 MSP430 系列是低功耗、高性能單片機，電源電壓工作范圍1.8V～3.6V，工作主頻8MHz，具有豐富的外設資源，擁有兩個異步串口，兩個SPI 接口，128k字節FLASH程序存儲空間。設計有看門狗復位電路。

3.2 姿態采樣電路

姿態采樣電路主要功能是采集試驗雷平臺的俯仰角、橫滾角和航向角。本設計選用集成了三軸加速度計和三軸陀螺儀以及數字運動處理器DMP的芯片MPU6050，采用IIC 通訊，該芯片陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°∕s（dps），加速度計可測范圍為±2g，±4g，±8g，±16g，該芯片功耗低，工作電流最低約10μA，芯片價格低，有利于降低成本，電路圖如圖2所示。

3.3 深度信號采集

壓力傳感器一般與由A∕D 芯片、單片機構成的數據數據采集電路配套使用。

深度信號采集電路選用AD 公司AD977 模數轉換器，具有16bit分辨率，最大采樣速率100KSPS。信號輸入范圍0～10V。數字接口為SPI接口，采用TI 公司的SN74CB3T3245 實現5V 電平與3.3V 電平的轉換。如圖3所示。

圖2 姿態采樣電路

圖3 深度采集電路設計

3.4 數據存儲電路

試驗雷需要記錄姿態及深度數據，系統設計了數據存儲電路。存儲器采用SPI 口鐵電存儲器FM25H20，數據存儲空間為256K 字節。鐵電存儲器具有存儲速度快，數據非易失等特點。系統擴展兩片存儲器，最大存儲容量512K 字節。滿足數據存儲容量的需求。如圖4所示。

3.5 串口通信電路設計

RS422 是比較常見的通訊接口，有很多工業儀器將它作為標準通訊接口，被廣泛用于計算機串行接口外設。RS-442 實現雙向通訊只需要4 根線，結構簡單，價格低廉，并且傳輸數據穩定可靠，可以用來作為測量裝置的通信接口。

圖4 數據存儲電路

系統與檢測設備之間采用RS422 協議通信。選用MAXIM 公司的MAX3488 作為電平轉換電路，單片機異步串口輸出MAX3488相連。如圖5所示。

圖5 串口通信電路

4 測量過程及原理

試驗中，當試驗平臺完成布放、平臺入水后，測量裝置通過不斷采集平臺的深度信息、平臺的運動速度、加速度以及姿態等信息，還要具備數據內記等功能，待平臺回收后可以通過回收測量裝置中的姿態以及深度信息來判斷平臺在水中的運動軌跡。

測試系統的工作原理：首先利用六軸傳感器MPU6050 及壓力傳感器在各個測試點上進行測量，六軸傳感器MPU6050 直接輸出姿態數據，壓力傳感器輸出的模擬電壓信號由A∕D 芯片采集電路進行采集，并轉換成數字信號，再由單片機進行濾波處理、報文封裝后存入存儲芯片或者通過RS-422 通訊接口轉RS-232 傳輸給計算機。計算機對收到的壓力數據按檢定規程進行處理并保存數據，生成壓力曲線并顯示出來。

圖6 加速度曲線

5 性能驗證

在完成了設計后，在湖上進行了試驗，測量裝置記錄了姿態的同時還記錄了深度數據，通過對所獲取的試驗數據分析復算表明，所獲得的數據有效，滿足各項技術指標所要求的內容；試驗結果如圖6所示。

6 結論

系統湖上試驗結果表明：

1）姿態測量裝置具有響應速度快，抗干擾能力強以及運行穩定等優點，功能上可較好地滿足姿態及深度測量需求。

2）姿態測量裝置具有功耗低，滿足可在水下進行較長周期測量的設計指標要求。

7 結語

本文提出了一種基于六軸傳感器MPU6050 的水雷在水下姿態及深度設計方案，并給出了測量過程及方法。湖上試驗結果表明，該裝置硬件功能正常，策略有效，可用于水雷的姿態測量，同時也可以為其他功能類似的測量裝置設計提供借鑒。