基于STM32的大气压传感器驱动，代码开源！！！

文章目录

• • 概要
  • 整体架构流程
  • 技术名词解释
  • 技术细节
  • 小结

开发环境

MCU	STM32F103C8T6
传感器	BMP280
软件	keil MDK
库	标准库

一、概要

        BMP280是一款专为移动应用设计的绝对气压传感器。传感器模块封装在一个非常紧凑的8引脚金属盖LGA封装中，占地面积仅为2.0×2.5 mm2，封装高度为0.95 mm。它的小尺寸和2.7µA@1Hz的低功耗允许在手机、GPS模块或手表等电池驱动设备中实现。

 1.1 参数信息

根据数据手册，获取到我们需要的基本参数如下：

Pressure range（压力范围）	300-1100Pa
Package	8-pin LGA metal-lid
Relative accuracy （相对精度） （950 … 1050hPa @25°C）	±0.12 hPa, equiv. to ±1 m
Absolute accuracy（绝对精度） （950 ...1050 hPa, 0 ...+40 °C）	typ. ±1 hPa
Digital interfaces（接口）	I²C (up to 3.4 MHz)  SPI (3 and 4 wire, up to 10 MHz)
Temperature range （温度范围）	-40 … +85 °C

1.2 硬件接口

        我们在上面已经得知，该传感器接口有IIC和SPI，那么，选择其中一种即可，而本文选择的IIC。 现在需要根据芯片手册目录，找到对应的文章内容。

 

二、软件

2.1 内存映射与寄存器描述

        与设备的所有通信都是通过从寄存器中读取和写入寄存器来执行的。

        寄存器的宽度为8位。有几个寄存器是保留的；它们不应该被写入，并且在读取它们时不保证特定的值。

 1.Register 0xD0 “id”

        “id”寄存器包含芯片标识号chip_id[7:0]，它是0x58。一旦设备完成通电重置，就可以读取此数字。

2.Register 0xE0 “reset” 

        “重置”寄存器包含软重置字reset[7:0]。如果值0xB6被写入寄存器，则使用完整的通电重置程序重置设备。写入0xB6以外的其他值没有任何效果。读出的值总是0x00。

3. Register 0xF3 “status” 

“状态”寄存器包含两位，表示设备的状态。

这里只给出三个描述，其他的请参考手册阅读。程序全部定义成宏

#define BMP280_CHIPID_REG                    0xD0  /*Chip ID Register */
#define BMP280_RESET_REG                     0xE0  /*Softreset Register */
#define BMP280_STATUS_REG                    0xF3  /*Status Register */
#define BMP280_CTRLMEAS_REG                  0xF4  /*Ctrl Measure Register */
#define BMP280_CONFIG_REG                    0xF5  /*Configuration Register */
#define BMP280_PRESSURE_MSB_REG              0xF7  /*Pressure MSB Register */
#define BMP280_PRESSURE_LSB_REG              0xF8  /*Pressure LSB Register */
#define BMP280_PRESSURE_XLSB_REG             0xF9  /*Pressure XLSB Register */
#define BMP280_TEMPERATURE_MSB_REG           0xFA  /*Temperature MSB Reg */
#define BMP280_TEMPERATURE_LSB_REG           0xFB  /*Temperature LSB Reg */
#define BMP280_TEMPERATURE_XLSB_REG          0xFC  /*Temperature XLSB Reg */

2.2 IIC地址

        手册说明：The 7-bit device address is 111011x. The 6 MSB bits are fixed. The last bit is changeable by SDO value and can be changed during operation. Connecting SDO to GND results in slave address 1110110 (0x76); connection it to VDDIO results in slave address 1110111 (0x77), which is the same as BMP180’s I²C address. The SDO pin cannot be left floating; if left floating, the I²C address will be undefined.

提示：大概意思就是说，地址7位，6位为固定，最后一位可以通过SDO修改。SDO连接GND，IIC从机地址为0x76,连接到VDD，从机地址为0x77。

2.3 IIC写数据

直接看数据

 上图表示IIC多字节写入，整理步骤如下：

1. STM32发送开始信号（Start）
2. 接着发送从机地址，这里为0x67，需要根据自己的硬件判断
3. 从机会发送一个应答引号，（ACK）
4. 主机收到应答信号后才能继续发送数据
5. 可以看到，数据位组合方式为：一个寄存器地址+应答+一个寄存器数据+应答
6. 最后发送停止信号

注意：从机地址一般带有读写位，这里的从机地址就不能只是发送0x76 

这样，整个写数据通信发送完成。

2.4 IIC读数据

读数据与写数据类似：

读数据步骤：

1. STM32发送开始信号
2. 发送从机地址
3. 从机回应一个ACK
4. 接收发送寄存器地址
5. 返回一个应答
6. 主机又会发送开始信号和从机地址
7. 返回一个应答ACK
8. 接着就是寄存器数据 
9. 最后返回非应答信号
10. 停止信号

多字节多数据就完成了。

2.5 数据补偿

        BMP280输出由ADC输出值组成。然而，每个传感元件的行为不同，并且必须使用一组校准参数来计算实际压力和温度。第3.11.3章中的推荐计算使用不动点算法。在高级语言中，如Matlab 或LabVIEW, 定点代码可能得不到很好的支持。在这种情况下，可以使用附录8.1中的浮点代码作为替代。对于8位微控制器，可变大小可能受到限制。在这种情况下，附录8.2中给出了精度降低的简化32位整数代码

2.5.1 计算要求

        下表显示了在GCC优化级别为O2的32位Cortex-M3微控制器上进行补偿计算所需的时钟周期数。此控制器不包含浮点单元，因此模拟所有浮点计算。浮点仅推荐用于存在FPU的PC应用程序。

2.5.2 微调参数

微调参数在生产过程中编程到设备的非易失性存储器（NVM）中，客户不能更改。每个补偿字是存储在2的补码中的16位有符号或无符号整数值。由于存储器被组织成8位字，所以必须始终组合两个字才能表示补偿字。8位寄存器被命名为calib00…calib25，并存储在存储器地址0x88…0xA1。

对应的补偿字对于温度补偿相关值被命名为dig_T#，而对于压力补偿相关值则被命名为dig_P#。

 我们也将所有数据定义成宏

#define BMP280_DIG_T1_LSB_REG                0x88
#define BMP280_DIG_T1_MSB_REG                0x89
#define BMP280_DIG_T2_LSB_REG                0x8A
#define BMP280_DIG_T2_MSB_REG                0x8B
#define BMP280_DIG_T3_LSB_REG                0x8C
#define BMP280_DIG_T3_MSB_REG                0x8D
#define BMP280_DIG_P1_LSB_REG                0x8E
#define BMP280_DIG_P1_MSB_REG                0x8F
#define BMP280_DIG_P2_LSB_REG                0x90
#define BMP280_DIG_P2_MSB_REG                0x91
#define BMP280_DIG_P3_LSB_REG                0x92
#define BMP280_DIG_P3_MSB_REG                0x93
#define BMP280_DIG_P4_LSB_REG                0x94
#define BMP280_DIG_P4_MSB_REG                0x95
#define BMP280_DIG_P5_LSB_REG                0x96
#define BMP280_DIG_P5_MSB_REG                0x97
#define BMP280_DIG_P6_LSB_REG                0x98
#define BMP280_DIG_P6_MSB_REG                0x99
#define BMP280_DIG_P7_LSB_REG                0x9A
#define BMP280_DIG_P7_MSB_REG                0x9B
#define BMP280_DIG_P8_LSB_REG                0x9C
#define BMP280_DIG_P8_MSB_REG                0x9D
#define BMP280_DIG_P9_LSB_REG                0x9E
#define BMP280_DIG_P9_MSB_REG                0x9F

 2.5.3 补偿公式

        手册强烈建议使用Bosch Sensortec提供的API进行读数和补偿。如果不需要这样做，也提供了其他补偿公式：

static uint32_t BMP280CompensateP(s32 adcP)
{
    int64_t var1, var2, p;
    var1 = ((int64_t)bmp280Cal.t_fine) - 128000;
    var2 = var1 * var1 * (int64_t)bmp280Cal.dig_P6;
    var2 = var2 + ((var1*(int64_t)bmp280Cal.dig_P5) << 17);
    var2 = var2 + (((int64_t)bmp280Cal.dig_P4) << 35);
    var1 = ((var1 * var1 * (int64_t)bmp280Cal.dig_P3) >> 8) + ((var1 * (int64_t)bmp280Cal.dig_P2) << 12);
    var1 = (((((int64_t)1) << 47) + var1)) * ((int64_t)bmp280Cal.dig_P1) >> 33;
    if (var1 == 0)
        return 0;
    p = 1048576 - adcP;
    p = (((p << 31) - var2) * 3125) / var1;
    var1 = (((int64_t)bmp280Cal.dig_P9) * (p >> 13) * (p >> 13)) >> 25;
    var2 = (((int64_t)bmp280Cal.dig_P8) * p) >> 19;
    p = ((p + var1 + var2) >> 8) + (((int64_t)bmp280Cal.dig_P7) << 4);
    return (uint32_t)p;
}

下图显示了压力和温度测量的详细算法。

三、程序实现

关于IIC协议这里不再叙述，就正常的通信，主要讲述传感器部分

3.1 传感器初始化

uint8_t BMP280_Init(void)
{
    uint8_t bmp280_id;
    uint8_t tmp[10];

    Sensors_I2C_ReadRegister(BMP280_SLAVE_ADDRESS, BMP280_CHIPID_REG, 1, &bmp280_id);

    /* 读取校准数据 */
    Sensors_I2C_ReadRegister(BMP280_SLAVE_ADDRESS, BMP280_DIG_T1_LSB_REG,24,(u8 *)&bmp280Cal);

    tmp[0] = BMP280_MODE;
    Sensors_I2C_WriteRegister(BMP280_SLAVE_ADDRESS, BMP280_CTRLMEAS_REG, 1, tmp);

    tmp[0] = (5<<2);
    Sensors_I2C_WriteRegister(BMP280_SLAVE_ADDRESS, BMP280_CONFIG_REG, 1, tmp);	

    return bmp280_id;
}

1.  初始化获取ID
2. 读取校准数据
3. 写温度，大气压或采样，设置电源模式，寄存器是0xF4
4. 寄存器设置设备的速率、过滤器和接口选项

 手册对寄存器中有详细的描述，具体什么意思可以参考用户手册

3.2 获取数据 

void BMP280GetData(float* pressure, float* temperature, float* asl)
{
    static float t;
    static float p;

	BMP280GetPressure();
	t = BMP280CompensateT(bmp280RawTemperature) / 100.0;
	p = BMP280CompensateP(bmp280RawPressure) / 25600.0;
	presssureFilter(&p, pressure);
	*temperature = (float)t;/*单位度*/

	*asl = BMP280PressureToAltitude(pressure);	/*转换成海拔*/
}

static void BMP280GetPressure(void)
{
    u8 data[BMP280_DATA_FRAME_SIZE];

    // read data from sensor
    Sensors_I2C_ReadRegister(BMP280_SLAVE_ADDRESS, BMP280_PRESSURE_MSB_REG, BMP280_DATA_FRAME_SIZE, (u8 *)&data);
    bmp280RawPressure = (s32)((((uint32_t)(data[0])) << 12) | (((uint32_t)(data[1])) << 4) | ((uint32_t)data[2] >> 4));
    bmp280RawTemperature = (s32)((((uint32_t)(data[3])) << 12) | (((uint32_t)(data[4])) << 4) | ((uint32_t)data[5] >> 4));
}

         获取数据的简单来说就是IIC通信，手册中提到寄存器0xF7-0xF9为大气压， 0xFA…0xFC为温度。通过读取寄存器的只可以获取原始温度，大气压。

大气压寄存器如下：

         大概就是一共20位的数据，分为MSB,LSB,XLSB，XLSB就取决于精度了。获取数据后可以做一些滤波处理，比如均值滤波等，例如：

static void presssureFilter(float* in, float* out)
{
	static u8 i = 0;
	static float filter_buf[FILTER_NUM] = {0.0};
	double filter_sum = 0.0;
	u8 cnt = 0;
	float deta;

	if(filter_buf[i] == 0.0f)
	{
		filter_buf[i] = *in;
		*out = *in;
		if(++i >= FILTER_NUM)
            i=0;
	}
    else
	{
		if(i)
            deta = *in-filter_buf[i - 1];
		else
            deta = *in-filter_buf[FILTER_NUM - 1];

		if(fabs(deta) < FILTER_A)
		{
			filter_buf[i] = *in;
			if(++i >= FILTER_NUM)
                i = 0;
		}
		for(cnt = 0; cnt < FILTER_NUM; cnt++)
		{
			filter_sum += filter_buf[cnt];
		}
		*out = filter_sum / FILTER_NUM;
	}
}

         经过一些滤波后的数据，看起来比较稳定。另外也可以将温度输出出来，也可以将大气压转换成海拔等。这里就不讲述了，大致一样的操作。

小结

        大气压传感器的通信是比较简单的，就是基于IIC，但是主要的还是传感器的校准以及补偿算法等。并且传感器的手册是英文的，对英语不是特别感冒的朋友（说的就是我），可能费劲。需要花费更多的时间去理解。本文就是简单的驱动，如果有错误的地方，及时提出更正。