[体感游戏] 1、MPU6050数据采集传输与可视化

最近在研究体感游戏，到目前为止实现了基于51单片机的MPU6050数据采集、利用蓝牙模块将数据传输到上位机，并利用C#自制串口数据高速采集软件，并且将数据通过自制的折线图绘制模块可视化地展示出来等功能。本文将主要对实现这意见单系统中遇到的问题做一个小结——其中包括：

1、基于51的MPU6050模块通信简介（入门级）

2、陀螺仪数据采集与传输及帧格式介绍（小技巧）

3、基于C#的串口接收函数（C#基本知识）

4、多线程数据池解决高速串口实时性问题（难点）

5、折线图可视化模块（程序员基本功）

关键词：MPU6050 蓝牙 C#串口多线程高速串口折线图绘制

1、基于51的MPU6050模块通信简介（入门级）

因为是入门级，就先最简单的介绍如何利用51从MPU6050中读取数据吧（对于想知道卡尔曼滤波、俯角仰角、距离测量、摔倒检测、记步等算法的可能要在接下来介绍）。既然要和MPU6050通信，那么必不可少的是阅读芯片手册，如果您觉得亲自去看又长又多而且都是英文的手册很费时，不仿看看我找的简要版：

MPU-60X0是全球首例9轴运动处理器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速计，以及1个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。扩展之后就可以通过其I2C或SPI接口输出一个9轴的信号。MPU-60X0也可以通过其I2C接口连接非惯性的数字传感器，比如压力传感器。

MPU-60X0对陀螺仪和加速计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速运动，传感器的测量范围是可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps)，加速计可测范围为±2，±4，±8，±16g(重力加速度)。

注：下图是采用串口助手将MPU6050采集的数据显示在上位机上，其中前三列输出为三维的加速度（这里的加速度包括地球本身的重力加速度），后三列为三维的角速度。

但是这里的输出值并不是真正的加速度和角速度的值，上面说过，MPU是一个16位AD量程可程控的设备，这里设置的加速度传感器的测量量程为正负2g(这里的g为重力加速度），陀螺仪的量程为正负2000°/s。所以要用下面的公式进行转化：

好了，有了上面的基础知识之后咱们就能尝试用51的I2C总线从MPU6050读取实时的3轴加速度和3轴角速度了。由于51本身不带有I2C总线通信协议，所以我们要自己实现一个I2C通信协议，下面是我从网上找的并稍加修改的一个I2C总线通信的代码：

 1 #include <REG52.H>
 2 #include <INTRINS.H>
 3     
 4 typedef unsigned char  uchar;
 5 typedef unsigned short ushort;
 6 typedef unsigned int   uint;
 7 
 8 //-----------------------------------------
 9 // 定义MPU6050内部地址
10 //-----------------------------------------
11 #define    SMPLRT_DIV      0x19    //陀螺仪采样率，典型值：0x07(125Hz)
12 #define    CONFIG          0x1A    //低通滤波频率，典型值：0x06(5Hz)
13 #define    GYRO_CONFIG     0x1B    //陀螺仪自检及测量范围，典型值：0x18(不自检，2000deg/s)
14 #define    ACCEL_CONFIG    0x1C    //加速计自检、测量范围及高通滤波频率，典型值：0x01(不自检，2G，5Hz)
15 #define    ACCEL_XOUT_H    0x3B
16 #define    ACCEL_XOUT_L    0x3C
17 #define    ACCEL_YOUT_H    0x3D
18 #define    ACCEL_YOUT_L    0x3E
19 #define    ACCEL_ZOUT_H    0x3F
20 #define    ACCEL_ZOUT_L    0x40
21 #define    TEMP_OUT_H      0x41
22 #define    TEMP_OUT_L      0x42
23 #define    GYRO_XOUT_H     0x43
24 #define    GYRO_XOUT_L     0x44    
25 #define    GYRO_YOUT_H     0x45
26 #define    GYRO_YOUT_L     0x46
27 #define    GYRO_ZOUT_H     0x47
28 #define    GYRO_ZOUT_L     0x48
29 #define    PWR_MGMT_1      0x6B    //电源管理，典型值：0x00(正常启用)
30 #define    WHO_AM_I        0x75    //IIC地址寄存器(默认数值0x68，只读)
31 #define    SlaveAddress    0xD0    //IIC写入时的地址字节数据，+1为读取
32 
33 //-----------------------------------------
34 // I2C总线通信函数
35 //-----------------------------------------
36 void  I2C_Start();                  //I2C起始信号
37 void  I2C_Stop();                   //I2C停止信号
38 void  I2C_SendACK(bit ack);         //I2C发送应答信号[入口参数:ack (0:ACK 1:NAK)]
39 bit   I2C_RecvACK();                //I2C接收应答信号
40 void  I2C_SendByte(uchar dat);      //向I2C总线发送一个字节数据
41 uchar I2C_RecvByte();               //从I2C总线接收一个字节数据
42 void  Single_WriteI2C(uchar REG_Address,uchar REG_data);//向I2C设备写入一个字节数据
43 uchar Single_ReadI2C(uchar REG_Address);                //从I2C设备读取一个字节数据
44 
45 //-----------------------------------------
46 // 通过I2C和MPU6050通信的函数
47 //-----------------------------------------
48 void InitMPU6050();                //初始化MPU6050
49 int GetData(uchar REG_Address);    //合成数据

如果你没搞过硬件又从未听说过I2C，那么想想socket的握手再看看上面36~43行的有关ACK、Send、Write的函数大概能明白I2C的功能。当我们实现I2C的通信函数之后就可以与带有I2C通信接口的芯片进行通信，那么怎样通信呢？其实很简单——你可以把每个芯片比做为一个巨大的储物柜，储物柜里每个抽屉里存着相应的东西，你想让佣人帮你去拿个东西，只要告诉佣人对应的抽屉号就行了。这里I2C总线相当于这个佣人，每个抽屉相当于芯片中的寄存器，抽屉号相当于寄存器地址。当你想设置芯片的某些属性时是向对应的寄存器内写数据，当想从芯片内获取相关数据时，就要通过I2C向对应的地址写数据然后接收芯片返回的数据。这里的8~31行为MPU-6050芯片内几个常用的寄存器地址，前四个常用来作为设置芯片工作属性，15~28共14个寄存器地址用来获取传感器的3轴加速度、3轴角速度和温度的数据（这里每一种信息都包括H和L两位，是由于8位表示不完该数据，于是分高低两部分）

这样我们便不难理解InitMPU6050()和GetData(uchar REG_Address)函数：初始化函数是向相应的地址写初始化配置数据（关于0x00\0x07等意思请参看MPU6050寄存器版说明书），而GetData则是传入想获得数据项的低地址，然后连续读取当前地址数据和下一地址数据合成为想要的项目数据（上面讲了数据分高低部分）。

 1 //-----------------------------------------
 2 //初始化MPU6050
 3 //-----------------------------------------
 4 void InitMPU6050()
 5 {
 6     Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1, 0x00);    //解除休眠状态
 7     Single_WriteI2C(SMPLRT_DIV, 0x07);
 8     Single_WriteI2C(CONFIG, 0x06);
 9     Single_WriteI2C(GYRO_CONFIG, 0x18);
10     Single_WriteI2C(ACCEL_CONFIG, 0x01);
11 }
12 //-----------------------------------------
13 //合成数据
14 //-----------------------------------------
15 int GetData(uchar REG_Address)
16 {
17     uchar H,L;
18     H=Single_ReadI2C(REG_Address);
19     L=Single_ReadI2C(REG_Address+1);
20     return (H<<8)+L;   //合成数据
21 }

2、陀螺仪数据采集与传输及帧格式介绍（小技巧）

上面我们已经知道单片机如何利用I2C设置MPU6050的工作属性，以及从MPU6050获得3轴加速度和3轴角速度的数据。那么接下来将介绍单片机是如何将数据通过蓝牙发送给上位机的。如下图左半部分，下位机部分包括一个MPU6050、一个单片机、一个电源模块，以及一个蓝牙模块。对于蓝牙模块我不想做过多的讲解（我记得我已经写了不下于3次关于手机、PC等和下位机通信的教程了：（如果是想用安卓手机和蓝牙模块通信来实现遥控功能的话，可以参考：http://www.cnblogs.com/zjutlitao/p/4231635.html；想用笔记本和蓝牙模块通信来实现遥控功能的话可以参考：http://www.cnblogs.com/zjutlitao/p/3886826.html）

其实，利用串口蓝牙模块单片机要做的工作和对串口进行的操作一样，对串口写数据则送至蓝牙模块将数据发出，当外部有数据传送过来时，单片机可以用相应的中断捕获该事件，然后接收消息。因此主函数中初始化串口和MPU6050之后就进入循环数据发送状态，在循环中GetData是上面介绍的获得3轴加速度、3轴角速度或温度的值的函数，SendData则是将int类型的值转换为字符串然后一位一位的发送出去，而最开始和最后分别发送一个#和$作为该帧的开始和结束标志位，具体格式如下：

注：符号位要么为'-',要么为空。

 1 //-----------------------------------------
 2 //主程序
 3 //-----------------------------------------
 4 void main()
 5 { 
 6     delay(500);        //上电延时        
 7     init_uart();
 8     InitMPU6050();    //初始化MPU6050
 9     delay(150);
10     while(1)
11     {
12         SeriPushSend('#');//
13         SendData(GetData(0x3B));    //X轴加速度
14         SendData(GetData(0x3D));    //Y轴加速度
15         SendData(GetData(0x3F));    //Z轴加速度
16         SeriPushSend('$'); //结束
17         delay(20);
18     }
19 }

3、基于C#的串口接收函数（C#基本知识）

上面讲到下位机通过串口蓝牙将数据发送给上位机，那么上位机如何接收蓝牙信号呢？其实以我的笔记本为例，因为笔记本内置蓝牙模块，所以无需在上位机上独立安装一个USB-蓝牙模块。而上位机操作蓝牙模块和操作串口几乎一模一样。如下面的C#程序，当点击连接按钮时实例化SerialPort，设置端口号、读超时、然后实例化一个串口数据接收事件句柄（这里PortDataReceived作为数据接收的回调函数）。

 1 //Create a serial port for Connection
 2 SerialPort Connection = new SerialPort();
 3 private void btn_link_Click(object sender, EventArgs e)
 4 {
 5     if (!Connection.IsOpen)
 6     {
 7         //Start
 8         //Status = "正在连接...";
 9         Connection = new SerialPort();
10         btn_link.Enabled = false;
11         Connection.PortName = PortList.SelectedItem.ToString();
12         Connection.Open();
13         Connection.ReadTimeout = 10000;
14         Connection.DataReceived += new SerialDataReceivedEventHandler(PortDataReceived);
15         //Status = "连接成功";
16         timer1.Start();
17     }
18 }

在PortDataReceived中，只要简单调用Connection.Read(data, 0, length);就能从串口缓冲区读取数据到data中。

1 private void PortDataReceived(object o, SerialDataReceivedEventArgs e)
2 {
3     byte[] data = new byte[length];
4     int num=Connection.Read(data, 0, length);
5     datepool.push_back(data,num);//实际接收的不一定是length，之前一直错
6     Connection.DiscardInBuffer();
7     Connection.DiscardOutBuffer();
8 }

注：本来是每次读取1byte放入数据池，结果出现程序运行速度越来越慢，本以为是上面的数据池设计的有问题，结果把数据池里的线程注释掉改为ask函数来每次需要数据时才获得，但是问题并不在于此；于是想到可能是绘制折线图的函数有问题，但是重查了一遍发现问题不在于此；于是仔细测量每个过程耗时，发现每个模块耗时正常，最后发现是由于串口缓冲区数据积累造成程序变慢，（因为下位机每20ms发送一次20byte的数据给上位机，上位机若一次不接收完所有数据，将会造成每次都有剩余而逐渐变慢），于是直接改成每次接收20byte,问题得到解决。

4、多线程数据池解决高速串口实时性问题（难点）

由于下位机10ms发送一次20byte的数据，上位机一方面要做好接收工作，保证数据不拥挤在串口接收缓冲区；另一方面也要实时获取当前从串口读到的最新数据。如果采用传统多线程+锁的机制是可以的，但是当多线程中加入锁势必会影响程序执行效率，通过综合分析该问题最终抽象出一个特殊的数据模型——自动更新的环形栈：

这样，当采用多线程时，用一个类似于栈的环状栈结构体（实时从串口读数据放入数据池，数据池用p_write标记最新数据存储位置，当外部程序想得到最新数据时，调用ask程序，ask程序从当前p_write向前取40个数据（因为有效数据长度为20，一次取40保证至少有一个有效数据），然后从这40个数据中找出有效信息，赋值给X,Y,Z;然后外部程序可以直接用对象访问X,Y,Z），通过适当调节环的容量达到自我覆盖的效果，同时根据p_write指针可以实时取得最新数据。

 1 /// <summary>
 2 /// 询问当前值
 3 /// </summary>
 4 /// <returns>如果解析到则返回真</returns>
 5 public bool ask()
 6 {
 7     i = 0;//立刻将相应的40个字符复制出来
 8     p_read_from = p_write - 40;
 9     while (i < 40)
10     {
11         str[i] = pool[(p_read_from + pool_size) % pool_size];
12         i++;
13         p_read_from++;
14     }
15     i = 39;
16     while (i > 18 && str[i] != '$') i--;
17     if (i == 18) return false;
18     i--;
19     data_Z = 0;
20     for (int j = 4; j > -1; j--)
21     {
22         data_Z *= 10;
23         data_Z += (str[i - j] - '0');
24     }
25     if (str[i - 5] == '-') data_Z = -data_Z;
26     i -= 6;
27 
28     data_Y = 0;
29     for (int j = 4; j > -1; j--)
30     {
31         data_Y *= 10;
32         data_Y += (str[i - j] - '0');
33     }
34     if (str[i - 5] == '-') data_Y = -data_Y;
35     i -= 6;
36 
37     data_X = 0;
38     for (int j = 4; j > -1; j--)
39     {
40         data_X *= 10;
41         data_X += (str[i - j] - '0');
42     }
43     if (str[i - 5] == '-') data_X = -data_X;
44 
45     X = data_X;
46     Y = data_Y;
47     Z = data_Z;
48     return true;
49 }
50 
51 /// <summary>
52 /// 将数据输入数据池
53 /// </summary>
54 /// <param name="date">数据</param>
55 /// <param name="length">长度</param>
56 internal void push_back(byte[] date, int length)
57 {
58     for (int i = 0; i < length; i++)
59     {
60         pool[p_write++] = date[i];
61         if (p_write == pool_size) p_write = 0;
62     }
63 }

5、折线图可视化模块（程序员基本功）

通过上面几步我们已经可以将下位机的陀螺仪3轴的加速度收集过来了，但是如果先将数据收集好，然后再用matlab绘制，我们很难知道哪个动作对应哪个数据，不利于我们观察效果（虽然matlab上自带串口接口，但是LZ就是任性！有一张好看的脸，还是想着靠实力赢得地位，哈哈哈~）。

如本节小标题括号内所示，在C#里写一个绘制折线图的程序应该属于我们的基本功（我可不是调用相应的绘图接口哦！），其大致思想就是用一个List存储num个数据，当list中的数据少于num个时则不断添加，当list内的数据大于num个时，则从尾部进来一个的同时从头部删除一个（这样才能实现perfect的效果）。

注：其实中间还出现了一个逻辑错误性小插曲：原初写好之后，本以为能够实现高效数据采集显示，但是仔细观察发现还是有很大延时，但是旁边的数据显示却非常实时。这是为什么呢？查找了一会最终发现问题出在折线图绘制上——本来采用固定的模式（一张图能存放多少数据点就用vector<int>P/Q/R在初始化的时候存放这么多点，然后每次有一个新的数据过来时就会将新数据加到vector后面，同时删除最前面的一个数据，这样做是为了方便初始vector里没有数据绘制折线图错误的问题），可是问题就出在这！咋一看这种思路很好，初始化vector中放num个点，每次新的来到将最前面一个数据冲掉，这样这个vector始终保持着num个点，且最新的在最后面，整个折线图能反应实时情况。但是由于我为了“安全”起见，在vector初始化时多Add几个数据，这样导致vector中的数据量N>折线图一次能呈现的数据量num，所以最新的数据总会在之后出现！当时没有想到是这个原因，就直接改了下DateLineChar函数，实现根据vector大小自动绘制的算法（这样就不用预先在vector中装入一定量的值了）

6、预告与小结（预知后事如何，请听下回分解）

上面我只是简单收集了MPU6050的3轴加速度数值，当MPU6050位置固定好之后，我们就能根据数据推测其具体的姿态。例如：