第1章传感器基础

第1章传感器基础：加速度计与陀螺仪的工作原理、I2C/SPI通信协议简介、MPU6050数据手册解读

1.1 加速度计：你感受到的“力”

加速度计这东西，说白了就是测量“加速度”的。但你别被名字骗了——它测的其实不是速度变化，而是力。

我刚开始做体感游戏机时，有个问题困扰了我很久：为什么静止放在桌上的加速度计，读出来不是0，而是1g？后来才明白，它测的是“感受到的力”。重力也是一种力，所以静止时它感受到的就是地球引力。

加速度计内部有个微小的质量块，用弹簧悬着。当芯片加速时，质量块会滞后，弹簧被拉伸或压缩。通过测量这个位移，就能算出加速度。MEMS（微机电系统）版本更小，用的是电容变化来检测位移。

关键点：加速度计测的是“比力”（specific force），即物体受到的合力减去重力。所以自由落体时读数为0。

在游戏手柄里，加速度计用来检测倾斜、晃动、拍打等动作。比如你挥动Switch手柄打网球，加速度计就能捕捉到挥动的方向和力度。

1.2 陀螺仪：角速度的“旋转感知器”

陀螺仪测的是角速度，也就是旋转的快慢。单位是°/s（度每秒）。

你想想看，加速度计能测倾斜，但如果你快速旋转手柄，加速度计就分不清是重力方向变了还是旋转产生的向心力。这时候就需要陀螺仪来帮忙。

MEMS陀螺仪的原理有点意思——它利用科里奥利力。一个质量块在高速振动，当芯片旋转时，振动方向会偏转，产生一个垂直于振动方向的力。测这个力的大小，就能算出角速度。

我记得第一次用陀螺仪做体感控制时，发现数据漂移得厉害。静止时输出明明是0，过几分钟就变成几十°/s了。这就是陀螺仪的“零偏漂移”，需要定期校准。

我的经验：陀螺仪适合短时间高动态的测量，加速度计适合长时间低动态的姿态估计。两者互补，所以MPU6050把两个传感器集成在一起。

1.3 I2C与SPI：传感器怎么跟MCU说话？

传感器测到了数据，怎么传给主控芯片？两种主流方式：I2C和SPI。

I2C协议（两线制）

I2C只用两根线：SCL（时钟）和SDA（数据）。所有设备挂在同一条总线上，每个设备有唯一地址。

我习惯用I2C，因为接线少。但要注意：速度一般只有400kHz（快速模式），而且总线电容有限制，线太长容易出问题。

I2C的通信流程大致是：

主机发送起始条件
发送设备地址+读写位
从机应答
传输数据（每字节后跟应答位）
主机发送停止条件

// I2C读取MPU6050加速度数据的伪代码
i2c_start();
i2c_write(0xD0);  // MPU6050地址+写
i2c_write(0x3B);  // 加速度数据起始寄存器
i2c_stop();

i2c_start();
i2c_write(0xD1);  // 地址+读
accel_x_h = i2c_read(ACK);
accel_x_l = i2c_read(ACK);
// ... 读取剩余5个字节
i2c_stop();

SPI协议（四线制）

SPI用四根线：SCLK（时钟）、MOSI（主出从入）、MISO（主入从出）、CS（片选）。速度可以跑到几十MHz，比I2C快得多。

什么时候用SPI？当你的游戏机需要高刷新率时。比如VR头显，传感器数据要1000Hz以上，I2C就扛不住了。

注意：SPI没有设备地址，靠片选线选择设备。所以每增加一个传感器，就要多一根CS线。我曾经因为CS线接反了，折腾了一下午才发现。

特性	I2C	SPI
线数	2根	4根（最少）
速度	100kHz-3.4MHz	最高几十MHz
多设备	地址区分，总线共享	片选区分，每设备一根CS
距离	短（<1m）	短（<1m）
典型场景	传感器、EEPROM	SD卡、显示屏、高速传感器

1.4 MPU6050数据手册解读

MPU6050是InvenSense（现属TDK）的6轴运动跟踪芯片，集成了3轴加速度计和3轴陀螺仪。我敢说，市面上80%的体感游戏机原型都用过它。

拿到数据手册，先看这几页：

第1页：特性概述——加速度计±2/±4/±8/±16g可调，陀螺仪±250/±500/±1000/±2000°/s可调。我一般用±2g和±500°/s，精度和范围平衡。
第8页：寄存器映射——这是核心。加速度数据在0x3B-0x40，陀螺仪数据在0x43-0x48，温度在0x41-0x42。
第13页：电源管理寄存器——0x6B，写0x00唤醒芯片，写0x40复位。
第28页：数字低通滤波器——0x1A寄存器，设置滤波带宽。我建议游戏机应用设成44Hz，能滤掉高频噪声又不至于太滞后。

避坑指南：我曾经在项目里直接读0x3B-0x40的原始值，发现数据跳动很大。后来仔细看手册，才发现需要先读0x3B触发数据更新，再连续读取6个字节。否则读到的是新旧混搭的数据。

MPU6050的I2C地址是0x68（AD0接GND）或0x69（AD0接VCC）。如果你同时用两个MPU6050，一个接高一个接低，就能用同一条I2C总线。

// MPU6050初始化代码片段（I2C模式）
void MPU6050_Init() {
    // 唤醒芯片
    I2C_WriteByte(0x68, 0x6B, 0x00);
    // 设置加速度计量程±2g
    I2C_WriteByte(0x68, 0x1C, 0x00);
    // 设置陀螺仪量程±500°/s
    I2C_WriteByte(0x68, 0x1B, 0x08);
    // 设置数字低通滤波器44Hz
    I2C_WriteByte(0x68, 0x1A, 0x03);
    // 配置采样率50Hz
    I2C_WriteByte(0x68, 0x19, 0x13);
}

读数据时要注意：加速度计和陀螺仪的数据都是16位有符号整数，高字节在前。转换公式是：

// 加速度：原始值 / 16384 = g值（±2g量程时）
accel_g = (int16_t)(accel_h << 8 | accel_l) / 16384.0f;

// 陀螺仪：原始值 / 65.5 = °/s（±500°/s量程时）
gyro_dps = (int16_t)(gyro_h << 8 | gyro_l) / 65.5f;

小技巧：16384这个系数怎么来的？±2g量程对应16位ADC，满量程是-32768到32767，对应-2g到+2g。所以1g = 32768/2 = 16384。其他量程类推。

嗯，到这里你应该对加速度计、陀螺仪、I2C/SPI以及MPU6050有了基本认识。下一章我们开始实战——把MPU6050焊到开发板上，用逻辑分析仪抓波形，看看数据到底怎么传的。

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