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手表关于MPU6050中的功能实现

news 来源：原创 2025/5/7 5:50:38

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）

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：

将 MPU6050 设置为低功耗循环模式（0x28）
在保持启用加速度计的同时禁用陀螺仪（0x87）
将唤醒频率设置为 20Hz
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：

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

设置低功耗作所需的锁存中断
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
根据请求的速率选择合适的唤醒频率
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：

检查是否启用了手腕检测
确定手表是否处于水平位置
更新手腕状态（UP 或 DOWN）
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

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
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。
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：

正常运行模式 - 功能齐全（消耗 70-80mA）
睡眠模式 - 当 MCU 处于停止模式（约 800μA）时，MPU6050继续计数步数
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

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
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。