外設驅動庫開發筆記19：BMP280壓力溫度感測器驅動
壓力和溫度監測在嵌入式系統開發中是非常常見的需求，特別是對環境大氣壓力和溫度的檢測需求就更常見了。我們一般都會選擇一些封裝較小操作比較方便的壓力感測器。BMP280就是滿足這一要求的器件。在這一篇中我們將設計並實現BMP280的驅動。
1、功能概述
BMP280是一款絕對壓力感測器產品。BMP280是一款絕對的氣壓感測器，專為移動應用而設計。感測器模組採用極其緊湊的封裝。其小尺寸和低功耗允許在諸如行動電話，GPS模組或手錶的電池供電裝置中實現。
1.1、硬體介面
BMP280基於博世經過驗證的壓阻式壓力感測器技術，具有高精度和線性度以及長期穩定性和高EMC穩健性。眾多器件操作選項提供了最高的靈活性，可針對功耗，解析度和濾波器效能優化器件。為開發人員提供了一組經過測試的預設設定（例如用例），以便儘可能簡化設計。
BMP280壓力溫度感測器採用了小巧的8引腳LGA封裝形式。其引腳排布就功能如下圖所示：
BMP280壓力溫度感測器支援3種通訊介面方式：四線SPI、三線SPI以及I2C。在不同的介面模式下，各引腳的定義也是有差異的，關於這三種介面模式各引腳的定義如下：
對應3種不同的介面方式，BMP280壓力溫度感測器存在三種與匯流排連線的方式。首先我們來看四線SPI介面方式，包括CSB片選、SCK時鐘、SDI數字輸入、SDO數字輸出。其匯流排連線方式如下圖：
接下來我們來看三線SPI介面方式，包括CSB片選、SCK時鐘、SDI數字輸入/SDO數字輸出。其與4線SPI的區別是數字輸入輸出使用同一引腳，第3腳就是輸入也是輸出，而第5腳浮空。其匯流排連線方式如下圖：
最後我們來看I2C介面方式，包括SCL時鐘、SDA數字輸入輸出。在I2C介面模式下，第2腳CSB連線到高電平，以設定BMP280壓力溫度感測器使用I2C介面。而第5腳則可以通過連線高電平或低電平來設定裝置地址的最後一位，不可以浮空。所以根據第5腳電頻不同，BMP280壓力溫度感測器的I2C裝置7位地址為：0x76和0x77。其匯流排連線方式如下圖：
BMP280壓力溫度感測器在使用SPI介面時，支援SPI模式0（CPOL=CPHA=0）和模式3（CPOL=CPHA=1）。而在使用I2C介面時，支援標準模式、快速模式以及高速模式。介面的選擇實際上是通過CSB的電位實現的，低電平時就是SPI，高電平時就是I2C。
1.2、資料儲存結構
對BMP280壓力溫度感測器的所有操作都是通過讀寫對應的暫存器來實現的。BMP280壓力溫度感測器中所有的暫存器都是8位的。這些暫存器在儲存器中的地址分配如下圖所示。
在上圖並未包括系統保留的暫存器，這些暫存器不可以進行寫操作，讀出來的值也是無意義的。接下來我們來詳細描述上圖中的這些暫存器。
先來看看兩個比較特殊的暫存器。首先是ID暫存器，這個暫存器是隻讀的，而且其儲存的值也固定為0x58，用來代表裝置為BMP280壓力溫度感測器。這個暫存器在系統上電後即可讀取。還有復位暫存器，這個暫存器是隻寫的，固定向其寫0xB6來實現BMP280壓力溫度感測器的復位。同樣只要系統上電後即可以寫復位暫存器。
狀態暫存器是隻讀的，其實只使用了其中的兩位，這兩位分別表示資料測量是否完成和影響暫存器是否更新。下圖是狀態暫存器的詳細說明：
測量控制暫存器是可讀寫的，用以配置BMP280壓力溫度感測器資料獲取的方式。分別配置溫度取樣、壓力取樣和工作模式。工作模式有三種：休眠模式、強制模式、正常模式。系統上電後即為休眠模式，通過這一暫存器的配置可以使BMP280壓力溫度感測器進入強制模式或正常模式執行。測量控制暫存器的各位定義如下圖：
配置暫存器用於設定BMP280壓力溫度感測器的速率、過濾器以及介面模式。在休眠模式下寫配置暫存器是允許的，但在正常模式下會被忽略，所以在系統復位後，進入正常模式前先寫配置暫存器。配置暫存器各位的定義如下圖所示：
壓力資料暫存器儲存有壓力測量資料輸出的原始值。使用了三個暫存器中的20位來下儲存壓力資料。壓力資料暫存器各位的定義如下圖所示：
溫度資料暫存器儲存有溫度測量資料輸出的原始值。使用了三個暫存器中的20位來下儲存溫度資料。溫度資料暫存器各位的定義如下圖所示：
此外還有校準資料暫存器，總共是26個暫存器，儲存了計算壓力溫度最終值的廠家校準資料。這些校準暫存器的定義及地址分配如下圖所示：
我們已經說過面向BMP280壓力溫度感測器的所有操作都是基於暫存器進行的，我們已經瞭解了BMP280壓力溫度感測器的各個暫存器，現在可以來實現它的操作了。
2、驅動設計與實現
我們已經比較詳細的說明了BMP280的引腳定義、通訊介面、資料儲存格式，在此基礎上我們將設計並實現BMP280壓力溫度感測器的驅動程式。
2.1、物件定義
在使用一個物件之前我們需要獲得一個物件。同樣的我們想要BMP280壓力溫度感測器就需要先定義BMP280壓力溫度感測器的物件。
2.1.1、物件型別抽象
我們要得到BMP280壓力溫度感測器物件，需要先分析其基本特性。一般來說，一個物件至少包含兩方面的特性：屬性與操作。接下來我們就來從這兩個方面思考一下BMP280壓力溫度感測器的物件。
先來考慮屬性，作為屬性肯定是用於標識或記錄物件特徵的東西。我們來考慮BMP280壓力溫度感測器物件屬性。BMP280壓力溫度感測器的ID暫存器用於標識裝置是否為BMP280；配置暫存器和測量控制暫存器都用關於系統配置，指示了裝置的工作狀態，所以我們將這三個暫存器定義為物件的屬性。而使用的通訊介面決定了訪問BMP280壓力溫度感測器的行為，所以我們需要記住這一配置；而校準資料則在計算資料時所要使用的，我們也需要記住這些引數，所以我們將它們也都定義為屬性。在I2C介面模式時，裝置地址是區分總線上裝置的唯一標誌，所以我們將其定義為屬性。同樣測量資料指示了裝置當前的工作狀態，我們將器作為屬性。
接著我們還需要考慮BMP280壓力溫度感測器物件的操作問題。我們需要與BMP280壓力溫度感測器通訊就需要向其寫資料並從其讀資料，而不論是SPI介面還是I2C介面，讀寫操作都以來與具體的硬體平臺，所以我們將他們作為物件的操作。此外，為控制時序，我們需要延時操作，而延時行為的實現亦依賴於具體的軟硬體平臺，所以我們將延時也作為物件的操作。
根據上述我們對BMP280壓力溫度感測器的分析，我們可以定義BMP280壓力溫度感測器的物件型別如下：
1 /*定義BMP280操作物件*/ 2 typedef struct BMP280Object{ 3 uint8_t bmpAddress; //I2C介面時裝置地址 4 uint8_t chipID; //晶片ID 5 uint8_t config; //配置暫存器 6 uint8_t ctrlMeas; //測量控制暫存器 7 BMP280PortType port; //介面選擇 8 Bmp280CalibParamType caliPara; //校準引數 9 float pressure; //壓力值 10 float temperature; //溫度值 11 void (*Read)(struct BMP280Object *bmp，uint8_t regAddress，uint8_t *rData，uint16_t rSize); //讀資料操作指標 12 void (*Write)(struct BMP280Object *bmp，uint8_t regAddress，uint8_t command); //寫資料操作指標 13 void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //延時操作指標 14 void (*ChipSelect)(BMP280CSType en); //使用SPI介面時，片選操作 15 }BMP280ObjectType;
2.1.2、物件初始化
我們知道，一個物件僅作宣告是不能使用的，我們需要先對其進行初始化，所以這裡我們來考慮BMP280壓力溫度感測器物件的初始化函式。一般來說，初始化函式需要處理幾個方面的問題。一是檢查輸入引數是否合理；二是為物件的屬性賦初值；三是對物件作必要的初始化配置。據此我們設計BMP280壓力溫度感測器物件的初始化函式如下：
1 /* 實現BMP280初始化配置 */ 2 void BMP280Initialization(BMP280ObjectType *bmp， //BMP280物件 3 uint8_t bmpAddress， //I2C介面是裝置地址 4 BMP280PortType port， //介面選擇 5 TimeStandbyType t_sb， //間隔週期 6 IIRFilterCoeffType filter， //過濾器 7 UseSPI3wType spi3W_en， //3線SPI控制 8 TemperatureSampleType osrs_t， //溫度精度 9 PressureSampleType osrs_p， //壓力精度 10 PowerModeType mode， //電源模式 11 BMP280Read Read， //讀資料操作指標 12 BMP280Write Write， //寫資料操作指標 13 BMP280Delayms Delayms， //延時操作指標 14 BMP280ChipSelect ChipSelect //片選操作指標 15 ) 16 { 17 uint8_t try_count = 5; 18 uint8_t regAddress=0; 19 uint8_t command=0; 20 21 bmp->chipID=0x00; 22 bmp->pressure=0.0; 23 bmp->temperature=0.0; 24 bmp->bmpAddress=0x00; 25 bmp->port=port; 26 if(bmp->port==I2C) 27 { 28 if((bmpAddress==0xEC)||(bmpAddress==0xEE)) 29 { 30 bmp->bmpAddress=bmpAddress; 31 } 32 bmp->ChipSelect=NULL; 33 } 34 else 35 { 36 bmp->ChipSelect=ChipSelect; 37 } 38 bmp->Read=Read; 39 bmp->Write=Write; 40 bmp->Delayms=Delayms; 41 bmp->caliPara.t_fine=0; 42 43 if(!ObjectIsValid(bmp)) 44 { 45 return; 46 } 47 48 while(try_count--) 49 { 50 bmp->chipID=ReadBMP280Register(bmp，REG_BMP280_ID); 51 if(0x58==bmp->chipID) 52 { 53 BMP280SoftReset(bmp); 54 55 break; 56 } 57 } 58 59 if(try_count) 60 { 61 /*配置配置暫存器:間隔週期0.5ms、IIR濾波係數16、不使用SPI3線通訊*/ 62 regAddress=REG_CONFIG; 63 command=t_sb|filter|spi3W_en; 64 WriteBMP280Register(bmp，regAddress，command); 65 66 /*配置測量控制暫存器:溫度20位，壓力20位，電源正常模式*/ 67 regAddress=REG_CTRL_MEAS; 68 command=osrs_t|osrs_p|mode; 69 WriteBMP280Register(bmp，regAddress，command); 70 71 bmp->Delayms(10); 72 bmp->config=ReadBMP280Register(bmp，REG_CONFIG); 73 bmp->Delayms(10); 74 bmp->ctrlMeas=ReadBMP280Register(bmp，REG_CTRL_MEAS); 75 bmp->Delayms(10); 76 /*讀取校準值*/ 77 GetBMP280CalibrationData(bmp); 78 } 79 }
2.2、物件操作
我們已經完成了BMP280壓力溫度感測器物件型別的定義和物件初始化函式的設計。但我們的主要目標是獲取物件的資訊，接下來我們還要實現面向BMP280壓力溫度感測器的各類操作。
2.2.1、寫暫存器
我們已經說過了，對BMP280的操作都是通過讀寫暫存器實現的。這裡我們先來看寫暫存器。在I2C介面方式下，寫暫存器操作是在從站地址的最後一位來識別的，再加上要寫的暫存器地址和資料來實現的，這也是I2C協議的標準做法。其時序圖如下所示：
而在SPI介面方式下，由於SPI並未有裝置地址，也不存在用從還在那地址最後為來標記讀寫的模式。通常一些裝置需要定義操作碼來實現讀寫區分，但BMP280採取了將暫存器地址的最高位置零表示為寫。之所以可以這樣定義，是因為BMP280暫存器地址分配的特殊性決定的。改變暫存器地址的最高位也能區分不同的暫存器，絕不會重複。在SPI介面方式下，寫暫存器的時序圖如下所示：
根據上述描述和時序圖，我們可以實現寫BMP280壓力溫度感測器暫存器的程式。
1 /* 向BMP280暫存器寫一個位元組 */ 2 static void WriteBMP280Register(BMP280ObjectType *bmp,uint8_t regAddress,uint8_t command) 3 { 4 if(ObjectIsValid(bmp)) 5 { 6 if(bmp->port==BMP280_SPI) 7 { 8 regAddress&=0x7F; 9 bmp->ChipSelect(BMP280CS_Enable); 10 bmp->Delayms(1); 11 bmp->Write(bmp,regAddress,command); 12 bmp->Delayms(1); 13 bmp->ChipSelect(BMP280CS_Disable); 14 } 15 else 16 { 17 bmp->Write(bmp,regAddress,command); 18 } 19 } 20 }
2.2.2、讀暫存器
讀暫存器的處理方式與寫暫存器是類似。在I2C介面方式下，將從站地址的最低位置1來表示讀。在I2C介面方式下，讀暫存器的時序圖如下所示：
而在SPI介面方式下，通過將暫存器地址的最高位置1來標識為讀操作。事實上，所有暫存器地址的最高位都是1，所以在讀操作時實際不需要做處理。在SPI介面方式下，讀暫存器的時序圖如下所示：
根據上述描述和時序圖，我們可以實現讀BMP280壓力溫度感測器暫存器的程式。
1 /*從BMP280暫存器讀取一個位元組*/ 2 static uint8_t ReadBMP280Register(BMP280ObjectType *bmp,uint8_t regAddress) 3 { 4 uint8_t regValue=0xFF; 5 6 if(ObjectIsValid(bmp)) 7 { 8 if(bmp->port==BMP280_SPI) 9 { 10 regAddress |= 0x80; 11 bmp->ChipSelect(BMP280CS_Enable); 12 bmp->Delayms(1); 13 bmp->Read(bmp,regAddress,®Value,1); 14 bmp->Delayms(1); 15 bmp->ChipSelect(BMP280CS_Disable); 16 } 17 else 18 { 19 bmp->Read(bmp,regAddress,®Value,1); 20 } 21 } 22 23 return regValue; 24 }
3、驅動的使用
我們已經設計了BMP280壓力溫度感測器的驅動程式，接下來這一節我們將基於BMP280壓力溫度感測器的驅動程式設計一個簡單的驗證應用。
3.1、宣告並初始化物件
使用基於物件的操作我們需要先得到這個物件，所以我們先要使用前面定義的BMP280壓力溫度感測器物件型別宣告一個BMP280壓力溫度感測器物件變數，具體操作格式如下：
BMP280ObjectType bmp280;
聲明瞭這個物件變數並不能立即使用，我們還需要使用驅動中定義的初始化函式對這個變數進行初始化。這個初始化函式所需要的輸入引數如下：
BMP280ObjectType *bmp，BMP280物件
uint8_t bmpAddress，I2C介面是裝置地址
BMP280PortType port，介面選擇
BMP280TimeStandbyType t_sb，間隔週期
BMP280IIRFilterCoeffType filter，過濾器
BMP280UseSPI3wType spi3W_en，3線SPI控制
BMP280TemperatureSampleType osrs_t，溫度精度
BMP280PressureSampleType osrs_，壓力精度
BMP280PowerModeType mode，電源模式
BMP280Read Read，讀資料操作指標
BMP280Write Write，寫資料操作指標
BMP280Delayms Delayms，延時操作指標
BMP280ChipSelect ChipSelect，片選操作指標
對於這些引數，物件變數我們已經定義了。介面選擇、間隔週期、過濾器、3線SPI控制、溫度精度、壓力精度、電源模式等都是列舉量我們根據實際情況輸入即可。而使用I2C介面時需要的裝置地址，也按具體地址給入就好。主要的是我們需要定義幾個函式，並將函式指標作為引數。這幾個函式的型別如下：
1 /* 定義讀資料操作函式指標型別 */ 2 typedef void (*BMP280Read)(BMP280ObjectType *bmp,uint8_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize); 3 4 /* 定義寫資料操作函式指標型別 */ 5 typedef void (*BMP280Write)(BMP280ObjectType *bmp,uint8_t regAddress,uint8_t command); 6 7 /* 定義延時操作函式指標型別 */ 8 typedef void (*BMP280Delayms)(volatile uint32_t nTime); 9 10 /* 定義使用SPI介面時，片選操作函式指標型別 */ 11 typedef void (*BMP280ChipSelect)(BMP280CSType cs);
對於這幾個函式我們根據樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬體平臺有關係。若採用的SPI介面則需注意片選操作，片選操作函式用於多裝置需要軟體操作時，如採用硬體片選可以傳入NULL即可。同樣如果採用的是I2C介面，則片選可以傳入NULL即可。具體函式定義如下：
1 /*讀BMP280暫存器值*/ 2 static void ReadDataFromBMP280(BMP280ObjectType *bmp280,uint8_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize) 3 { 4 HAL_I2C_Master_Transmit(&bmp280hi2c, bmp280->bmpAddress,®Address,1,1000); 5 6 HAL_I2C_Master_Receive(&bmp280hi2c, bmp280->bmpAddress+1,rData, rSize, 1000); 7 } 8 9 /*寫BMP280暫存器值*/ 10 static void WriteDataToBMP280(BMP280ObjectType *bmp280,uint8_t regAddress,uint8_t command) 11 { 12 uint8_t pData[2]; 13 14 pData[0]=regAddress; 15 pData[1]=command; 16 17 HAL_I2C_Master_Transmit(&bmp280hi2c,bmp280->bmpAddress, pData, 2,1000); 18 }
對於延時函式我們可以採用各種方法實現。我們採用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函式。於是我們可以呼叫初始化函式如下：
1 BMP280Initialization(&bmp280, //BMP280物件 2 0xEC, //I2C介面是裝置地址 3 BMP280_I2C, //介面選擇 4 BMP280_T_SB_0P5, //間隔週期 5 BMP280_IIR_FILTER_COEFF_X16, //過濾器 6 BMP280_SPI3W_DISABLE, //3線SPI控制 7 BMP280_TEMP_SAMPLE_X16, //溫度精度 8 BMP280_PRES_SAMPLE_X16, //壓力精度 9 BMP280_POWER_NORMAL_MODE, //電源模式 10 ReadDataFromBMP280, //讀資料操作指標 11 WriteDataToBMP280, //寫資料操作指標 12 HAL_Delay, //延時操作指標 13 NULL //片選操作指標 14 );
3.2、基於物件進行操作
我們定義了物件變數並使用初始化函式給其作了初始化。接著我們就來考慮操作這一物件獲取我們想要的資料。我們在驅動中已經將獲取資料並轉換為轉換值的比例值，接下來我們使用這一驅動開發我們的應用例項。
1 /*獲取大氣壓力和溫度*/ 2 void BMP280GetEnvironmentalData(void) 3 { 4 float pressure; //壓力值 5 float temperature; //溫度值 6 7 GetBMP280Measure(&bmp280); 8 9 pressure=bmp280.pressure; 10 temperature=bmp280.temperature; 11 }
4、應用總結
BMP280壓力溫度感測器的驅動已經實現並做了簡單的應用。在我們測試時，得到的資料與其它方法獲得的溫度壓力資料基本是一致的，這說明我們的驅動程式總體來說是正確的。
BMP280壓力溫度感測器支援SPI和I2C兩種介面，而且SPI也支援3線和4線模式，但我們在測試應用中只使用了I2C介面，SPI介面還有待測試。
在使用驅動時需注意，採用SPI介面的器件需要考慮片選操作的問題。如果片選訊號是通過硬體電路來實現的，我們在初始化時給其傳遞NULL值。如果是軟體操作片選則傳遞我們編寫的片選操作函式。而如果採用I2C介面，那麼在初始化時也應傳遞NULL值。
BMP280壓力溫度感測器在使用SPI介面時，支援SPI模式0（CPOL=CPHA=0）和模式3（CPOL=CPHA=1）。而在使用I2C介面時，支援標準模式、快速模式以及高速模式。而且在使用I2C介面時，SDO引腳必須接高電平或低電平，以確定裝置地址。
原始碼獲取：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver