MPU9250 9-DoF-Sensor: Funktionsweise, Spezifikationen und Designtipps

Der 9-Achsen-Digital-Motion-Prozessor MPU9250 ist eine hochintegrierte Motion-Tracking-Lösung.In diesem Artikel werden die MPU9250-Übersicht, Pinbelegungsdetails, Funktionsarchitektur, Spezifikationen, Funktionen, Schnittstellenkonfigurationen, Anwendungen, Vergleiche und mechanische Abmessungen erläutert.

Katalog

Übersicht über den MPU9250-Sensor

Die MPU9250 Der 9-Achsen-Digital-Motion-Prozessor (DMP) ist ein kompaktes Bewegungsverfolgungsmodul, das ein 3-Achsen-Gyroskop, einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und ein 3-Achsen-Magnetometer in einem einzigen kleinen Paket integriert.Diese 9-Achsen-Integration ermöglicht es dem Gerät, Rotations-, Beschleunigungs- und Magnetfelddaten für eine genaue Ausrichtung und Bewegungserkennung in eingebetteten Systemen zu messen.

Einer seiner Hauptvorteile ist der integrierte Digital Motion Processor™ (DMP), der die Sensorfusion intern durchführt.Es kombiniert die Daten aller Sensoren, übernimmt die Filterung und Kalibrierung und reduziert die Verarbeitungslast des Hauptmikrocontrollers.Dadurch werden Leistung, Genauigkeit und Systemeffizienz verbessert.Der MPU9250 unterstützt I²C- und SPI-Kommunikation, programmierbare Vollbereichsbereiche und eine 16-Bit-ADC-Auflösung.

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MPU9250 Sensor CAD-Modelle

Details zur Pinbelegung des MPU9250-Sensors

Pin Nein.	Pin Name	Beschreibung
1	RESV	Reserviert (nicht verbinden)
2	NC	Keine Verbindung
3	NC	Keine Verbindung
4	NC	Keine Verbindung
5	NC	Keine Verbindung
6	NC	Keine Verbindung
7	AUX_CL	Hilfs-I²C Uhr
8	VDDIO	Digitale I/O Versorgungsspannung
9	AD0/SDO	I²C-Adresse Wählen Sie / SPI-Datenausgang
10	REGOUT	Reglerausgang
11	FSYNC	Rahmen Synchronisationseingang
12	INT	Ausgabe unterbrechen
13	VDD	Stromversorgung Spannung
14	NC	Keine Verbindung
15	NC	Keine Verbindung
16	NC	Keine Verbindung
17	NC	Keine Verbindung
18	GND	Boden
19	RESV	Reserviert (nicht verbinden)
20	RESV	Reserviert (nicht verbinden)
21	AUX_DA	Hilfs-I²C Daten
22	nCS	SPI-Chipauswahl (Aktiv niedrig)
23	SCL/SCLK	I²C-Takt / SPI Uhr
24	SDA/SDI	I²C-Daten / SPI Dateneingang

Alternativen und gleichwertiges Modell

• ICM-20948

• ICM-20689

• ICM-20602

• MPU-6500

• MPU-9150

• MPU-6050

• BNO055

• BNO080

• BNO085

• LSM9DS1

Funktionsblockdiagramm des MPU9250-Sensors

Das Funktionsblockdiagramm des MPU9250 zeigt, wie der 9-Achsen-Bewegungssensor Bewegungs- und Orientierungsdaten intern verarbeitet.Auf der linken Seite enthalten der 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und das 3-Achsen-Gyroskop jeweils Selbsttestschaltungen und einzelne ADCs.Diese ADCs wandeln die analogen Bewegungssignale in digitale Daten um.Ein eingebauter Temperatursensor ist ebenfalls enthalten, um Abweichungen zu kompensieren und die Genauigkeit zu verbessern.Alle Signale durchlaufen eine interne Signalaufbereitung, bevor sie an den digitalen Verarbeitungsbereich gesendet werden.

Unten rechts verfügt das 3-Achsen-Magnetometer (Kompass) über eigene ADCs und eine Signalkonditionierungsstufe.Der Bias- und LDO-Block sorgt für stabile interne Spannungen von VDD und VDDIO, während REGOUT den internen Regler unterstützt.Im Zentrum verwalten der Digital Motion Processor (DMP), FIFO und Konfigurationsregister die Datenverarbeitung, Kalibrierung und Speicherung.Auf der rechten Seite ermöglichen die I²C- und SPI-Schnittstellen die Kommunikation mit einem Mikrocontroller, während die zusätzliche I²C-Schnittstelle externe Sensoren anschließt.

Technische Daten des MPU9250-Sensors

Spezifikationen	Bedingungen	Min – Max (Einheiten)
Versorgungsspannung (VDD)	Betrieb	2,4 – 3,6 V
I/O-Versorgung Spannung (VDDIO)	Digital Schnittstelle	1,71 V – VDD
Versorgungsspannung (VDD)	Absolutes Maximum	-0,5 – 4,0 V
E/A-Spannung (VDDIO)	Absolutes Maximum	-0,5 – 4,0 V
Beschleunigungsmesser Reichweite	Programmierbar	±2g – ±16g
Gyroskop-Reichweite	Programmierbar	±250 – ±2000 °/s
Magnetometer Reichweite	AK8963	±4800 µT
Betrieb Temperatur	—	-40 – +85 °C
Lagerung Temperatur	—	-40 – +125 °C
Schocktoleranz	0,2 ms, stromlos	Bis zu 10.000 g
I²C-Geschwindigkeit	Schnellmodus	Bis zu 400 kHz
SPI-Geschwindigkeit	Standard / Hoch Geschwindigkeit	1 – 20 MHz
ADC-Auflösung	Kreisel / Beschleunigung / Mag	16-Bit
Paketgröße	QFN	3 × 3 × 1 mm

Funktionen des MPU9250-Sensors

Gyroskopfunktionen

• 3-Achsen-Digitalgyroskop – Misst die X-, Y- und Z-Winkelgeschwindigkeit.

• Programmierbarer Gesamtbereich (±250 bis ±2000°/s) – Einstellbare Empfindlichkeit für verschiedene Bewegungsniveaus.

• 16-Bit-ADC-Auflösung – Bietet präzise digitale Ausgabe.

• Digitaler Tiefpassfilter – Reduziert Rauschen in Bewegungsdaten.

• 3,2 mA Betriebsstrom – Effizienter Stromverbrauch.

• 8 µA Schlafmodus – Extrem niedriger Standby-Stromverbrauch.

• Werkskalibrierung und Selbsttest – Gewährleistet Genauigkeit und Zuverlässigkeit.

Beschleunigungsmesserfunktionen

• 3-Achsen-Digitalbeschleunigungsmesser – Misst die lineare Beschleunigung.

• Programmierbarer Bereich (±2 g bis ±16 g) – Geeignet für niedrige und hohe Beschleunigungen.

• 16-Bit-ADC-Auflösung – Hohe Messgenauigkeit.

• Energiesparmodi – 8,4 µA bis 450 µA je nach Modus.

• Wake-on-Motion-Interrupt – Spart Strom in tragbaren Geräten.

• Selbsttestfunktion – Überprüft den Sensorbetrieb.

Magnetometerfunktionen

• 3-Achsen-Hall-Effekt-Magnetsensor – Erkennt die Richtung des Magnetfelds.

• 14-Bit-Auflösung (0,6 µT/LSB) – Genaue Kompassmesswerte.

• ±4800 µT Gesamtbereich – Großer magnetischer Erkennungsbereich.

• Niedriger Betriebsstrom (280 µA bei 8 Hz) – Effiziente Leistung.

• Integrierter Selbsttest – Bestätigt die ordnungsgemäße Magneterkennung.

Zusätzliche Funktionen

• Zusätzliche I²C-Master-Schnittstelle – Anschluss externer Sensoren.

• 512-Byte-FIFO-Puffer – Ermöglicht das Lesen von Burst-Daten.

• Digitaler Temperatursensor – Unterstützt thermische Kompensation.

• Programmierbare digitale Filter – Verbessert die Signalqualität.

• I²C (400 kHz) und SPI (bis zu 20 MHz) – Flexible Kommunikationsoptionen.

• Breite Versorgungsspannung (2,4 V–3,6 V) – Geeignet für tragbare Systeme.

• Kompaktes 3×3×1 mm QFN-Gehäuse – Ideal für kleine Geräte.

• 10.000 g Stoßtoleranz – Hohe Haltbarkeit.

• RoHS-konform – Umweltfreundlich.

Bewegungsverarbeitung

• Eingebauter Digital Motion Processor™ (DMP™) – Führt die Sensorfusion intern durch.

• Unterstützung der Gestenerkennung – Ermöglicht bewegungsbasierte Steuerung.

• Schrittzähler mit geringem Stromverbrauch – Verfolgt Schritte, während die Host-MCU schläft.

MPU9250 Typischer Betriebsschaltkreis

Die typische Betriebsschaltung des MPU9250 zeigt die empfohlenen externen Verbindungen für die I²C- und SPI-Kommunikationsmodi.Das Gerät benötigt zwei Stromversorgungen: VDD (2,4–3,6 V) für den internen Kern und VDDIO (1,8–3,3 V) für die digitale Schnittstelle.Entkopplungskondensatoren (typischerweise 0,1 µF) werden in der Nähe der VDD- und REGOUT-Pins platziert, um die Versorgung zu stabilisieren und Rauschen zu reduzieren.Ein kleiner Kondensator am REGOUT unterstützt den internen Spannungsregler.

In der I²C-Konfiguration sind die SCL- und SDA-Pins mit dem I²C-Bus des Mikrocontrollers verbunden, während der AD0-Pin die Geräteadresse auswählt.In der SPI-Konfiguration werden nCS, SCLK, SDI und SDO für die serielle Kommunikation verwendet.Der INT-Pin liefert Interrupt-Signale an den Host-Prozessor.

Unbenutzte Pins wie NC und reservierte Pins bleiben unbeschaltet.Dieser Schaltkreis gewährleistet eine stabile Stromversorgung, zuverlässige Kommunikation und einen ordnungsgemäßen Sensorbetrieb.

MPU9250-Sensorkonfiguration

MPU-9250-Lösung mit I²C-Schnittstelle

In der I²C-Konfiguration kommuniziert der Systemprozessor mit der MPU-9250 über die Leitungen SCL (Takt) und SDA (Daten).Der AD0-Pin wählt die Geräteadresse (VDD oder GND) und ermöglicht so mehrere Geräte am selben I²C-Bus.Der INT-Pin sendet Interrupt-Signale, um den Prozessor zu benachrichtigen, wenn neue Sensordaten bereitstehen.

Im Inneren der MPU-9250 durchlaufen Bewegungsdaten vom Beschleunigungsmesser, Gyroskop und Magnetometer Sensorregister, FIFO und den Digital Motion Processor (DMP), bevor sie an den Host gesendet werden.Die integrierte I²C-Master-Schnittstelle ermöglicht es dem MPU-9250, Daten von externen Sensoren über die Pins AUX_CL und AUX_DA zu lesen.Der Schnittstellen-Bypass-Multiplexer kann bei Bedarf einen externen Sensor (z. B. einen Kompass) direkt an den Hauptprozessor anschließen.

MPU-9250-Lösung mit SPI-Schnittstelle

In der SPI-Konfiguration erfolgt die Kommunikation über nCS-, SCLK-, SDI- und SDO-Pins, was eine schnellere Datenübertragung im Vergleich zu I²C ermöglicht.Der INT-Pin stellt weiterhin Datenbereit- oder Ereignis-Interrupts für den Systemprozessor bereit.

Die interne Struktur bleibt ähnlich: Sensordaten fließen vor der Übertragung durch Konfigurationsregister, FIFO und DMP.Der zusätzliche I²C-Bus steht weiterhin für den Anschluss externer Sensoren zur Verfügung, während der interne I²C-Master Lese-/Schreibvorgänge verwaltet.Dieser Aufbau ermöglicht eine schnellere Kommunikation bei gleichzeitiger Beibehaltung der flexiblen Sensorerweiterung.

Überlegungen zur seriellen Schnittstelle MPU9250

Das Diagramm zeigt, wie der MPU-9250 über I²C-Kommunikation eine Verbindung zu einem Systemprozessor und einem optionalen Sensor eines Drittanbieters herstellt.Das Gerät verfügt über zwei Versorgungsdomänen: VDD versorgt den internen Kern mit Strom, während VDDIO die digitalen I/O-Logikpegel definiert.Alle Kommunikationspins wie SDA, SCL, INT, AD0 und AUX_DA/AUX_CL arbeiten zwischen 0 V und VDDIO, was bedeutet, dass die Logikspannung mit der E/A-Spannung des Systemprozessors übereinstimmen muss.

Der primäre I²C-Bus (SDA und SCL) ist über an VDDIO angeschlossene Pull-up-Widerstände direkt mit dem Systemprozessor verbunden.Dadurch wird sichergestellt, dass auf dem Bus ordnungsgemäße Logik-High-Pegel vorliegen.Der AD0-Pin wählt die Geräteadresse aus, indem er entweder mit GND oder VDDIO verbunden wird.

Der zusätzliche I²C-Bus (AUX_DA und AUX_CL) ermöglicht der MPU-9250 die Verbindung mit einem Sensor eines Drittanbieters.Dieser externe Sensor arbeitet auch mit VDDIO-Logikpegeln.Diese Konfiguration gewährleistet Spannungskompatibilität, stabile Kommunikation und sichere Integration zusätzlicher Sensoren.

MPU9250 Ausrichtung der Achsen

Der MPU9250 verwendet ein festes rechtshändiges Koordinatensystem, um Bewegung und Drehung entlang der X-, Y- und Z-Achse zu definieren.Das Diagramm zeigt die Richtung der positiven Beschleunigung und der positiven Winkeldrehung für jede Achse.Wenn der Chip flach platziert wird und die obere Markierung sichtbar ist, liegen die +X- und +Y-Achsen entlang der Oberfläche des Gehäuses, während die +Z-Achse senkrecht zur oberen Oberfläche zeigt.

Die Pfeile geben die Richtung der positiven Beschleunigung für den Beschleunigungsmesser und die Richtung der positiven Rotation für das Gyroskop an.Die Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgt nach der Rechts-Hand-Regel.Der kleine Punkt auf der Verpackung markiert Pin 1 und hilft dabei, die richtige Ausrichtung bei der Leiterplattenmontage zu erkennen.

Bei der Montage des MPU9250 auf einer Leiterplatte ist es wichtig, die Achsenausrichtung zu verstehen, da die Sensorwerte davon abhängen, wie der Chip physisch im System ausgerichtet ist.

MPU9250-Sensoranwendungen

• Drohnen/UAV-Flugsteuerung

• Selbstbalancierende Roboter

• Gestenerkennungsgeräte

• VR/AR-Kopfverfolgung

• Tragbare Fitness-Tracker

• Smartphones und Tablets

• Gaming-Controller

• Elektronische Kompasssysteme

• Trägheitsnavigationssysteme (INS)

• Kamerastabilisierung (Gimbals)

• Industrielle Bewegungsüberwachung

• Schrittzähler / Schrittzähler

• Intelligente Fernbedienungen

• Autonome Fahrzeuge

MPU9250 Sensor Anderer digitaler Bewegungsprozessor

Funktion	MPU9250	ICM-20948	BNO055	LSM9DS1
Hersteller	TDK InvenSense	TDK InvenSense	Bosch	STMicroelectronics
Sensortyp	9-Achsen (Beschleunigung + Gyro + Mag)	9-Achsen	9-Achsen	9-Achsen
Integriertes DMP	Ja	Ja	Ja (Fusion Motor)	Nein
Beschleunigungsmesser Reichweite	±2g bis ±16g	±2g bis ±16g	±2g bis ±16g	±2g bis ±16g
Gyroskop-Reichweite	±250 bis ±2000°/s	±250 bis ±2000°/s	±125 bis ±2000°/s	±245 bis ±2000°/s
Magnetometer	Integriert (AK8963)	Integriert	Integriert	Integriert
Schnittstelle	I²C, SPI	I²C, SPI	I²C	I²C, SPI
Betrieb Spannung	2,4V – 3,6V	1,71 V – 3,6 V	2,4V – 3,6V	1,9 V – 3,6 V
Maximale SPI-Geschwindigkeit	20 MHz	7 MHz	—	10 MHz
Paketgröße	3×3 mm QFN	3×3 mm QFN	3,8×5,2 mm	3×3 mm
Status	Veraltet	Aktiv	Aktiv	Aktiv

Mechanische Abmessungen des MPU9250-Sensors

Symbol	Beschreibung	Min (mm)	Nom (mm)	Max (mm)
A	Paket Dicke	0,95	1,00	1.05
A1	Führungsfinger (Pad) Sitzhöhe	0,00	0,02	0,05
b	Führungsfinger (Pad-)Breite	0,15	0,20	0,25
c	Leadframe (Pad) Höhe	—	0,15 REF	—
D	Paketbreite	2,90	3,00	3.10
D2	Freiliegendes Pad Breite	1,65	1,70	1,75
E	Paketlänge	2,90	3,00	3.10
E2	Freiliegendes Pad Länge	1,49	1,54	1,59
e	Führungsfinger (Pad-Pad) Tonhöhe	—	0,40	—
f (e-b)	Blei-Führer (Pad-Pad) Raum	0,15	0,20	0,25
K	Führen (Pad) zu Freiliegender Pad-Bereich	—	0,35 REF	—
L	Blei (Pad) Länge	0,25	0,30	0,35
R	Blei (Pad) Eckradius	0,075	REF	—
s	Eckball in Führung Außenradius zum Eckführungsaußenradius	—	0,25 REF	—
j	Koplanarität	0,00	—	0,075

Hersteller

Der MPU9250-Sensor wird von TDK InvenSense hergestellt, einem führenden Unternehmen in der MEMS-Bewegungserkennungstechnologie.TDK InvenSense nutzt fortschrittliche CMOS-MEMS-Wafer-Level-Fertigungs- und Wafer-Bonding-Prozesse, um Beschleunigungsmesser, Gyroskop, Magnetometer und Digital Motion Processor (DMP) in ein kompaktes 3×3 mm QFN-Gehäuse zu integrieren.Das Unternehmen verfügt über Produktionskapazitäten für hohe Stückzahlen, automatisierte Kalibrierungssysteme und eine strenge Qualitätskontrolle, um eine gleichbleibende Leistung, einen geringen Stromverbrauch und eine hohe Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Wie kalibriere ich den MPU9250 für eine genaue Bewegungsverfolgung?

Die Kalibrierung umfasst eine Offset-Korrektur für das Gyroskop und den Beschleunigungsmesser sowie eine Hart-/Weicheisenkompensation für das Magnetometer.Dies kann mithilfe integrierter Selbsttestfunktionen und softwarebasierter Kalibrierungsalgorithmen während der Initialisierung erfolgen.

2. Benötigt die MPU9250 externe Pull-Up-Widerstände für die I²C-Kommunikation?

Ja.Die SDA- und SCL-Leitungen erfordern externe Pull-up-Widerstände, die an VDDIO angeschlossen sind, um ordnungsgemäße logische High-Pegel auf dem I²C-Bus sicherzustellen.

3. Kann der MPU9250 mit einem 5-V-Mikrocontroller arbeiten?

Nicht direkt.Der MPU9250 arbeitet mit 2,4–3,6 V (VDD) und 1,71 V–VDD (VDDIO).Für eine sichere 5-V-Schnittstelle ist ein Pegelumsetzer erforderlich.

4. Wie wähle ich zwischen I²C und SPI für MPU9250?

I²C benötigt weniger Pins und ist einfacher, während SPI eine schnellere Datenübertragung und bessere Leistung für Hochgeschwindigkeitsanwendungen bietet.

5. Was ist der Unterschied zwischen MPU9250 und MPU6050?

Die MPU9250 verfügt über ein 3-Achsen-Magnetometer (insgesamt 9 Achsen), während die MPU6050 nur über einen 6-Achsen-Beschleunigungsmesser und ein Gyroskop verfügt.

6. Warum liefert mein MPU9250 instabile oder schwankende Messwerte?

Häufige Ursachen sind falsche Kalibrierung, elektrisches Rauschen, schlechtes PCB-Layout, instabile Stromversorgung oder falsche Achsenausrichtung.

7. Kann der MPU9250 für Lage- und Kursreferenzsysteme (AHRS) verwendet werden?

Ja.Mit geeigneten Sensorfusionsalgorithmen oder dem integrierten DMP können Roll-, Nick- und Gierausrichtungsdaten bereitgestellt werden.

8. Wie viel Rechenleistung spart der MPU9250 DMP?

Der DMP übernimmt die Sensorfusion und Filterung intern, wodurch die MCU-Belastung erheblich reduziert und die Gesamtsystemeffizienz verbessert wird.

9. Welche Abtastraten werden vom MPU9250 unterstützt?

Der Sensor unterstützt je nach Konfiguration konfigurierbare Abtastraten von bis zu 1 kHz für Gyro- und Beschleunigungsmesserdaten.