僅翻譯了有用部分
—— By LeeDy.Li 2013.1.7
《MPU-6000 / MPU-6050 產品說明書》
1. 版本更新
2. 應用范圍
3. 產品簡介
MPU-60X0 是全球首例 9 軸運動處理傳感器。它集成了 3 軸 MEMS 陀螺儀，3 軸 MEMS
加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器 DMP（DigitalMotion Processor），可用 I2C
接口連接一個第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計。擴展之后就可以通過其 I2C 或 SPI 接口
輸出一個 9 軸的信號（SPI 接口僅在 MPU-6000 可用）。MPU-60X0 也可以通過其 I2C 接口
連接非慣性的數(shù)字傳感器，比如壓力傳感器。
MPU-60X0 對陀螺儀和加速度計分別用了三個 16 位的 ADC，將其測量的模擬量轉化
為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的 ，
陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±2，±4 ，
±8，±16g。
一個片上 1024 字節(jié)的 FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。
和所有設備寄存器之間的通信采用 400kHz 的 I2C 接口或 1MHz 的 SPI 接口（SPI 僅
MPU-6000 可用）。對于需要高速傳輸?shù)膽茫瑢拇嫫鞯淖x取和中斷可用 20MHz 的 SPI 。
另外，片上還內嵌了一個溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動的振蕩器。
芯片尺寸 4×4×0.9mm，采用QFN 封裝（無引線方形封裝），可承受最大 10000g 的沖
擊，并有可編程的低通濾波器。
關于電源，MPU-60X0 可支持 VDD 范圍 2.5V±5%，3.0V±5%，或 3.3V±5%。另外
MPU-6050 還有一個 VLOGIC 引腳，用來為 I2C 輸出提供邏輯電平。VLOGIC 電壓可取
1.8±5%或者 VDD。
4. 應用 領域
5. 特征
以數(shù)字輸出 6 軸或 9 軸的旋轉矩陣、四元數(shù)(quaternion)、歐拉角格式(EulerAngle forma)
的融合演算數(shù)據(jù)。
具有 131 LSBs/°/sec 敏感度與全格感測范圍為±250、±500、±1000 與±2000°/sec 的
3 軸角速度感測器(陀螺儀)。
可程式控制，且程式控制范圍為±2g、±4g、±8g 和±16g 的 3 軸加速器。
移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設定給予的影響與感測器的飄移。
數(shù)字運動處理(DMP: Digital Motion Processing)引擎可減少復雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測
器同步化、姿勢感應等的負荷。 運動處理數(shù)據(jù)庫支持 Android、Linux 與 Windows 內建之
運作時間偏差與磁力感測器校正演算技術，免除了客戶須另外進行校正的需求。
以數(shù)位輸出的溫度傳感器
以數(shù)位輸入的同步引腳(Sync pin)支援視頻電子影相穩(wěn)定技術與 GPS
可程式控制的中斷(interrupt)支援姿勢識別、搖攝、畫面放大縮小、滾動、快速下降中
斷、high-G 中斷、零動作感應、觸擊感應、搖動感應功能。
VDD 供電電壓為 2.5V±5%、3.0V±5%、3.3V±5%；VDDIO 為1.8V± 5%
陀螺儀運作電流：5mA，陀螺儀待命電流：5uA；加速器運作電流：500uA，加速器省
電模式電流：40uA@10Hz
高達 400kHz 快速模式的 I2C，或最高至 20MHz 的 SPI 串行主機接口(serial host
interface)
內建振蕩器在工作溫度范圍內僅有±1%頻率變化。可選外部時鐘輸入 32.768kHz 或
19.2MHz。
6. 電氣特征
7. 使用說明
7.1 引腳輸出和信號描述
引腳編號 MPU-6000 MPU-6050 引腳名稱 描述
1 Y Y CLKIN
可選的外部時鐘輸入，如果不用則
連到 GND
6 Y Y AUX_DA I2C 主串行數(shù)據(jù)，用于外接傳感器
7 Y Y AUX_CL I2C 主串行時鐘，用于外接傳感器
8 Y /CS SPI片選（0=SPI mode）
8 Y VLOGIC 數(shù)字 I/O 供電電壓
9 Y AD0/SDO
I2C Slave 地址 LSB（AD0）；
SPI 串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）
9 Y AD0 I2C Slave 地址 LSB（AD0）
10 Y Y REGOUT 校準濾波電容連線
11 Y Y FSYNC 幀同步數(shù)字輸入
12 Y Y INT 中斷數(shù)字輸出（推挽或開漏）
13 Y Y VDD 電源電壓及數(shù)字 I/O 供電電壓
18 Y Y GND 電源地
19, 21, 22 Y Y RESV 預留，不接
20 Y Y CPOUT 電荷泵電容連線
23 Y SCL/SCLK
I2C 串行時鐘（SCL）；
SPI 串行時鐘（SCLK）
23 Y SCL I2C 串行時鐘（SCL)
24 Y SDA/SDI
I2C 串行數(shù)據(jù)（SDA）；
SPI 串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）
24 Y SDA I2C 串行數(shù)據(jù)（SDA）
2, 3, 4, 5, 14,
15, 16, 17
Y Y NC 不接
7.2 典型應用
7.3 所用電容規(guī)格
器件 標簽 規(guī)格 數(shù)量
校準濾波電容（Pin 10） C1 陶瓷，X7R，0.1uF±10%，2V 1
VDD 旁路電容（Pin 13） C2 陶瓷，X7R，0.1uF±10%，4V 1
電荷泵電容（Pin 20） C3 陶瓷，X7R，10uF±10%，50V 1
VLOGIC 旁路電容（Pin 8） C4 陶瓷，X7R，10uF±10%，4V 1
7.4 上電過程建議
1. VLOGIC 振幅必須≤VDD 振幅
2. VDD 上升時間（T VDDR ）為實際值的 10%到 90%之間
3. VDD 上升時間（T VDDR ）≤100ms
4. VLOGIC 上升時間（T VLGR ）為實際值的 10%到 90%之間
5. VLOGIC 上升時間（T VLGR ）≤3ms
6. T VLG-VDD 為從 VDD 上升沿到 VLOGIC 上升沿的時間
7. VDD 和 VLOGIC 必須是單調邊沿
7.5 系統(tǒng)結構圖
7.6 結構描述
7.7 三軸陀螺儀簡介
7.8 三軸加速度計簡介
7.9 數(shù)字運動處理器（DMP）
DMP 從陀螺儀、加速度計以及外接的傳感器接收并處理數(shù)據(jù)，處理結果可以從 DMP
寄存器讀出，或通過 FIFO 緩沖。DMP 有權使用 MPU 的一個外部引腳產生中斷。
7.10 主要 I2C 和 SPI 接口
MPU-60X0使用 I2C 或者 SPI 接口和芯片連接，并且總是作為從設備。連接主設備的
邏輯電平用 VLOGIC 引腳（MPU-6050）或 VDD 引腳（MPU-6000）設置。I2C 的Slave
地址的最低有效位（LSB）用Pin9（AD0）設置。
7.11 輔助 I2C 接口
可用來外接磁力計或其他傳感器。有兩種工作模式：I2C Master Mode，此時 MPU-60X0
作為主設備與外接傳感器通信；Pass-Through Mode，此時僅用作連接，允許 MPU 和外接
傳感器同時和芯片通信。
7.12 自檢
自檢可用來測試傳感器的機械和電氣結構。對每個測量軸的自檢可通過設置控制寄存器
GYRO_CONFIG 和 ACCEL_CONFIG 的相關位來進行。自檢啟動后，電路會使傳感器工作
并且產生輸出信號。
7.13 使用 I2C 接口的 9 軸傳感器方案
下圖中，系統(tǒng)芯片（System Processor）作為 MPU的主設備，而 MPU 又作為外接羅
盤傳感器的主設備。然而 MPU作為 I2C 主設備的能力很有限，需要系統(tǒng)芯片的支持。
7.14 使用 SPI 接口 MPU-6000
下圖中，系統(tǒng)芯片作為主設備通過 SPI 接口和 MPU6000 連接。由于 SPI 接口和 I2C
接口是公用的，所以系統(tǒng)芯片不能直接和輔助 I2C 總線通信，因為輔助 I2C 總線是直接和
主 I2C 總線相連的。
8. 可編程中斷
MPU-60X0有一個可編程的中斷系統(tǒng)，可在 INT 腳上產生中斷信號。狀態(tài)標志可以表
明中斷的來源。下圖是一些中斷源的列表：
8.1 自由落體中斷（Free Fall Interrupt）
通過檢測 3 個軸上的加速度測量值是否在規(guī)定的閾值內來判斷自由落體運動。對每一
次的采樣值，如果沒達到閾值將會被忽略。一旦達到閾值，即觸發(fā)自由落體中斷，并產生標
志位。直到計數(shù)器降到 0，標志才會被清楚。計數(shù)器的取值范圍在 0 和規(guī)定的閾值之間。
可用 FF_THR 寄存器設置閾值，精確到 1mg。用 FF_DUR 寄存器設置持續(xù)時間，精確
到 1ms。
使用 MOT_DETECT_CTRL 寄存器，可以設施是否用一個無效的采樣值使計數(shù)器清零 ，
或者以 1、2 或4 的量衰減。
下圖給出了一條軸上的加速度測量值，采樣計數(shù)器以及自由落體標志位。
8.2 運動中斷（Motion Interrupt）
和自由落體中斷類似。為了排除重力所產生的誤差，加速度計的測量值都要通過一個可
配置的數(shù)字高通濾波器（DHPF）。通過高通濾波器后的值如果大于事先規(guī)定的閾值，則被
認為是有效的。對每個有效的采樣值，計數(shù)器加 1，而對無效值則計數(shù)器減 1。一旦計數(shù)器
值達到用戶設定的計數(shù)閾值，則觸發(fā)運動中斷。產生運動中斷的坐標軸及其方向可以在寄存
器 MOT_DETECT_STATUS 中讀出。
類似于自由落體中斷，運動中斷也有一個可設置的加速閾值寄存器 MOT_THR，精確
到 1mg，以及一個計數(shù)閾值寄存器 MOT_DUR，精確到 1ms。同樣也有一個寄存器來設置
耍賤率，MOT_DETECT_CTRL。
8.3 靜止中斷（Zero Motion Interrupt）
靜止中斷也采用數(shù)字高通濾波器（DHPF）以及同樣的閾值、計數(shù)機制。每根軸上的測
量值通過 DHFT 后必須小于事先規(guī)定的閾值，可在 ZRMOT_THR 寄存器設置。這會使計數(shù)
器值加 1，當達到在 ZRMOT_DUR 中設置的計數(shù)器閾值時，則產生靜止中斷。
和自由落體中斷及運動中斷不同的是，當?shù)谝淮螜z測到靜止以及不再檢測到時，靜止中
斷都會被觸發(fā)。另外，自由落體中斷和運動中斷的標志位在讀取后就會被清零，而從寄存器
MOT_DETECT_STATUS 讀取靜止標志位后不會清零。
9. 時鐘
9.1 內部時鐘機制
MPU-60X0 有著靈活的時鐘機制，對于內部的同步電路可使用內部或外部的時鐘源。
內部同步電路包括信號調整、ADC、DMP及各樣的控制電路和寄存器，其時鐘可由一個片
上的 PLL 產生。
允許的內部時鐘源：
① 內部的弛豫振蕩器
② 陀螺儀的任何一個軸（含有工作溫度下±1%漂移的 MEMS 振蕩器）
允許的外部時鐘源：
① 32.768kHz 方波
② 19.2MHz 方波
時鐘源的選擇要考慮外部時鐘是否有效，功率損耗，時鐘精確性等因素。例如，如果功
率損耗是主要考慮因素，當用 DMP 處理加速度計數(shù)據(jù)時，使陀螺儀關閉，這時最好選擇內
部振蕩器作時鐘；而陀螺儀工作的時候，使用其自帶時鐘可以保證更好的時鐘精確性。
當 MPU-60X0 初次啟動時，要先使用其內部時鐘，直到系統(tǒng)設置準備好使用其他時鐘
源，所以比方說要使用 MEMS 振蕩器，就必須等到它可以穩(wěn)定工作。
9.2 傳感器數(shù)據(jù)寄存器
傳感器數(shù)據(jù)寄存器包含了最新的陀螺儀、加速度計、外接傳感器以及溫度數(shù)據(jù)，是只讀
的，通過串口連接。數(shù)據(jù)可以隨時讀取，并可用中斷函數(shù)來設置何時新的數(shù)據(jù)是可用的。
9.3 FIFO
MPU-60X0 包含一個 1024 字節(jié)的 FIFO 寄存器。FIFO 配置寄存器可以決定什么讓什
么數(shù)據(jù)進入，可選陀螺儀、加速度計、溫度、外部傳感器，以及 FSYNC 輸入。一個 FIFO
計數(shù)器可以跟蹤存入 FIFO 的字節(jié)數(shù)。
9.4 中斷
由中斷配置寄存器設置。可配置的項目包括 INT 引腳設置，中斷關閉和清除方法，以
及中斷觸發(fā)。可以觸發(fā)中斷的事件有：（1）切換時鐘源；（2）DMP 完成；（3）有新的數(shù)據(jù)
可供讀取（從 FIFO 和數(shù)據(jù)寄存器）；（4）加速度計中斷；（5）MPU-60X0 未收到外接傳感
器的回應（輔助 I2C 總線）。中斷狀態(tài)可以從中斷狀態(tài)寄存器讀出。
9.5 數(shù)字輸出溫度傳感器
片上的溫度傳感器通過一個 ADC 來產生數(shù)字溫度測量信號，其值可從 FIFO 或者傳感
器數(shù)據(jù)寄存器讀出。
9.6 偏壓和LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）
偏壓和 LDO 部分提供了 MPU-60X0 需要的內部支持以及參考電壓和參考電流。它的兩
個輸入為VDD（2.1V~3.6V）和 VLOGIC 邏輯參考電壓（1.71V~VDD），其中 VLOGIC 僅
在 MPU-6050 上可用。LDO 輸出在 REGOUT 引腳，連接了一個旁路電容。
9.7 電荷泵
板上的電荷泵提供了 MEMS 振蕩器需要的高電壓，輸出在 CPOUT 引腳，連接了一個
旁路電容。
10. 數(shù)字接口
10.1 描述
內部寄存器可通過 400kHz 的I2C 接口或 1MHz 的 SPI 接口來操作。
10.2 I2C 接口
二線接口，包括串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL）。連接到 I2C 接口的設備可
做主設備或從設備。主設備將 Slave 地址傳到總線上，從設備用與其匹配的地址來識別主設
備。
當連接到系統(tǒng)芯片時，MPU-60X0 總是作為從設備。SDA 和 SCL信號線通常需要接上
拉電阻到 VDD。最大總線速率為 400kHz。
MPU-60X0 的 Slave 地址為 b110100X，7 位字長，最低有效位 X 由 AD0管腳上的邏
輯電平?jīng)Q定。這樣就可以允許兩個 MPU-60X0 連接到同一條 I2C 總線，此時，一個設備的
地址為 b1101000（AD0 為邏輯低電平），另一個為b1101001（AD0 為邏輯高）。
10.3 I2C 通訊協(xié)議
開始（S）和結束（P）標志
當 SCL 線為高電平時，SDA 線由高到低的下降沿，為傳輸開始標志（S）。直到主設備
發(fā)出結束信號（P），否則總線狀態(tài)一直為忙。結束標志（P）規(guī)定為，當 SCL 線為高電平
時，SDA 線由低到高的上升沿。
數(shù)據(jù)格式/應答
I2C 的數(shù)據(jù)字節(jié)定義為 8-bits 長度，對每次傳送的總字節(jié)數(shù)量沒有限制。對每一次傳輸
必須伴有一個應答（ACK）信號，其時鐘由主設備提供，而真正的應答信號由從設備發(fā)出 ，
在時鐘為高時，通過拉低并保持 SDA 的值來實現(xiàn)。
如果從設備忙，它可以使 SCL 保持在低電平，這會強制使主設備進入等待狀態(tài)。當從
設備空閑后，并且釋放時鐘線，原來的數(shù)據(jù)傳輸才會繼續(xù)。
通信
開始標志（S）發(fā)出后，主設備會傳送一個 7 位的 Slave 地址，并且后面跟著一個第 8
位，稱為 Read/Write 位。R/W 位表示主設備是在接受從設備的數(shù)據(jù)還是在向其寫數(shù)據(jù)。然
后，主設備釋放 SDA 線，等待從設備的應答信號（ACK）。每個字節(jié)的傳輸都要跟隨有一
個應答位。應答產生時，從設備將 SDA 線拉低并且在 SCL為高電平時保持低。數(shù)據(jù)傳輸總
是以停止標志（P）結束，然后釋放通信線路。然而，主設備也可以產生重復的開始信號去
操作另一臺從設備，而不發(fā)出結束標志。綜上可知，所有的 SDA 信號變化都要在 SCL 時鐘
為低電平時進行，除了開始和結束標志。
如果要寫 MPU-60X0 寄存器，主設備除了發(fā)出開始標志（S）和地址位，還要加一個
R/W 位，0 為寫，1 為讀。在第 9 個時鐘周期（高電平時），MPU-60X0 產生應答信號。然
后主設備開始傳送寄存器地址（RA），接到應答后，開始傳送寄存器數(shù)據(jù)，然后仍然要有應
答信號，依次類推。
單字節(jié)寫入時序
連續(xù)寫入時序
如果要讀取 MPU-60X0 寄存器的值，首先由主設備產生開始信號（S），然后發(fā)送從設
備地址位和一個寫數(shù)據(jù)位，然后發(fā)送寄存器地址，才能開始讀寄存器。緊接著，收到應答信
號后，主設備再發(fā)一個開始信號，然后發(fā)送從設備地址位和一個讀數(shù)據(jù)位。然后，作為從設
備的 MPU-60X0 產生應答信號并開始發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)。通信以主設備產生的拒絕應答信號
（NACK）和結束標志（P）結束。拒絕應答信號（NACK）產生定義為 SDA 數(shù)據(jù)在第 9個
時鐘周期一直為高。
單字節(jié)讀出時序
連續(xù)讀出時序
10.4 I2C 信號說明
信號 描述
S 開始標志：SCL 為高時 SDA 的下降沿
AD 從設備地址（Slave 地址）
W 寫數(shù)據(jù)位（0）
R 讀數(shù)據(jù)位（1）
ACK 應答信號：在第 9 個時鐘周期 SCL 為高時，SDA 為低
NACK 拒絕應答：在第 9 個時鐘周期，SDA 一直為高
RA MPU-60X0 內部寄存器地址
DATA 發(fā)送或接受的數(shù)據(jù)
P 停止標志：SCL 為高時 SDA 的上升沿
10.5 SPI 接口（僅 MPU-6000 可用）
SPI 為 4 線同步串行接口，2 個控制線，2 個數(shù)據(jù)線。其中，串行時鐘輸出（SCLK） ，
數(shù)據(jù)輸出（SDO）和數(shù)據(jù)輸入（SDI）三條線為所有從設備共享。主設備為每個從設備分配
一個獨立的片選（/CS）；傳輸開始后/CS 為低，傳輸結束/CS 又變?yōu)楦摺．斣O備沒有被片選
信號啟動時，它的數(shù)據(jù)輸出線（SDO）保持為高阻態(tài)（High-Z）。
SPI 傳輸特點
1）數(shù)據(jù)的最高位（MSB）先傳，最低位（LSB）后傳
2）數(shù)據(jù)在時鐘（SCLK）的上升沿捕獲
3）數(shù)據(jù)在時鐘（SCLK）的下降沿轉換
4）最大時鐘頻率為 1MHz
5）SPI的每次讀/寫操作需要 16 個時鐘周期或更多。傳輸?shù)牡谝粋�字節(jié)為 SPI地址，
第二個字節(jié)為 SPI 數(shù)據(jù)。首字節(jié)的第一位為讀/寫位，0 為寫，1 為讀，后面 7 個位為寄存
器地址。如果要發(fā)送多個字節(jié)，連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)位即可。
SPI 從設備可以公用始終線和數(shù)據(jù)線，但每個設備都要有自己獨立的片選信號線（/CS） ，
且每次只能選擇一個設備進行通信。未被選中的設備，其數(shù)據(jù)輸出（SDO）保持在高阻態(tài) 。
下圖為典型連接。
11. 串口注意事項 （ MPU-6050 ）
11.1 MPU-6050 支持接口
在其主要串行接口和輔助接口都支持 I2C 通信。
11.2 邏輯電平
MPU-6050 的 I/O 邏輯電平可設為 VDD 或 VLOGIC，如下表所示。
AUX_VDDIO
微處理器邏輯電平
（Pins:SDA,SCL,AD0,CLKIN,INT）
輔助邏輯電平
（Pins:AUX_DA,AUX_CL）
0 VLOGIC VLOGIC
1 VLOGIC VDD
總有 VLOGIC≤VDD。當 AUX_VDDIO 為 0 時（其上電復位值），VLOGIC 同時為微處
理器總線和輔助 I2C 總線供電；當 AUX_VDDIO 為1 時，VLOGIC 為處理器總線供電，VDD
為輔助 I2C 總線供電。
11.3 AUX_VDDIO=0 時的邏輯電平圖解
11.4 AUX_VDDIO=1 時的邏輯電平圖解
12. 安裝
12.1 坐標軸的取向
下圖標明了傳感器的參考坐標系（XYZ 組成右手系）以及 3 個測量軸和旋轉方向，旋
轉的正向可用右手螺旋定則判斷。
12.2 封裝尺寸
12.3 PCB 設計指導
12.4 安裝注意事項
一些關鍵點：
傳感器的周圍盡量不要有如按鍵之類會產生機械震動及應力的元器件；
周圍 6mm 之內的區(qū)域最好留空；
焊接到到 PCB 板上時，不可避免地會使傳感器的方向和 PCB 板的方向有一個很小的
角度差，這會導致當 PCB 僅繞某一個軸旋轉時，在另兩個軸的方向上也產生運動感應；
傳感器封裝所能承受的最大沖擊約為 10000g；
12.5 封裝標識說明
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