BMP280压力温度传感器的驱动设计与实现
MEMS/传感技术
描述
压力和温度监测在嵌入式系统开发中是非常常见的需求，特别是对环境大气压力和温度的检测需求就更常见了。我们一般都会选择一些封装较小操作比较方便的压力传感器。BMP280就是满足这一要求的器件。在这一篇中我们将设计并实现BMP280的驱动。
1 、功能概述
BMP280是一款绝对压力传感器产品。BMP280是一款绝对的气压传感器，专为移动应用而设计。传感器模块采用极其紧凑的封装。其小尺寸和低功耗允许在诸如移动电话，GPS模块或手表的电池供电设备中实现。
1.1 、硬件接口
BMP280基于博世经过验证的压阻式压力传感器技术，具有高精度和线性度以及长期稳定性和高EMC稳健性。众多器件操作选项提供了最高的灵活性，可针对功耗，分辨率和滤波器性能优化器件。为开发人员提供了一组经过测试的默认设置（例如用例），以便尽可能简化设计。
BMP280压力温度传感器采用了小巧的8引脚LGA封装形式。其引脚排布就功能如下图所示：
BMP280压力温度传感器支持3种通讯接口方式：四线SPI、三线SPI以及I2C。在不同的接口模式下，各引脚的定义也是有差异的，关于这三种接口模式各引脚的定义如下：
对应3种不同的接口方式，BMP280压力温度传感器存在三种与总线连接的方式。首先我们来看四线SPI接口方式，包括CSB片选、SCK时钟、SDI数字输入、SDO数字输出。其总线连接方式如下图：
接下来我们来看三线SPI接口方式，包括CSB片选、SCK时钟、SDI数字输入/SDO数字输出。其与4线SPI的区别是数字输入输出使用同一引脚，第3脚就是输入也是输出，而第5脚浮空。其总线连接方式如下图：
最后我们来看I2C接口方式，包括SCL时钟、SDA数字输入输出。在I2C接口模式下，第2脚CSB连接到高电平，以设置BMP280压力温度传感器使用I2C接口。而第5脚则可以通过连接高电平或低电平来设置设备地址的最后一位，不可以浮空。所以根据第5脚电频不同，BMP280压力温度传感器的I2C设备7位地址为：0x76和0x77。其总线连接方式如下图：
BMP280压力温度传感器在使用SPI接口时，支持SPI模式0（CPOL=CPHA=0）和模式3（CPOL=CPHA=1）。而在使用I2C接口时，支持标准模式、快速模式以及高速模式。接口的选择实际上是通过CSB的电位实现的，低电平时就是SPI，高电平时就是I2C。
1.2 、数据存储结构
对BMP280压力温度传感器的所有操作都是通过读写对应的寄存器来实现的。BMP280压力温度传感器中所有的寄存器都是8位的。这些寄存器在存储器中的地址分配如下图所示。
在上图并未包括系统保留的寄存器，这些寄存器不可以进行写操作，读出来的值也是无意义的。接下来我们来详细描述上图中的这些寄存器。
先来看看两个比较特殊的寄存器。首先是ID寄存器，这个寄存器是只读的，而且其存储的值也固定为0x58，用来代表设备为BMP280压力温度传感器。这个寄存器在系统上电后即可读取。还有复位寄存器，这个寄存器是只写的，固定向其写0xB6来实现BMP280压力温度传感器的复位。同样只要系统上电后即可以写复位寄存器。
状态寄存器是只读的，其实只使用了其中的两位，这两位分别表示数据测量是否完成和影响寄存器是否更新。下图是状态寄存器的详细说明：
测量控制寄存器是可读写的，用以配置BMP280压力温度传感器数据获取的方式。分别配置温度采样、压力采样和工作模式。工作模式有三种：休眠模式、强制模式、正常模式。系统上电后即为休眠模式，通过这一寄存器的配置可以使BMP280压力温度传感器进入强制模式或正常模式运行。测量控制寄存器的各位定义如下图：
配置寄存器用于设置BMP280压力温度传感器的速率、过滤器以及接口模式。在休眠模式下写配置寄存器是允许的，但在正常模式下会被忽略，所以在系统复位后，进入正常模式前先写配置寄存器。配置寄存器各位的定义如下图所示：
压力数据寄存器存储有压力测量数据输出的原始值。使用了三个寄存器中的20位来下存储压力数据。压力数据寄存器各位的定义如下图所示：
温度数据寄存器存储有温度测量数据输出的原始值。使用了三个寄存器中的20位来下存储温度数据。温度数据寄存器各位的定义如下图所示：
此外还有校准数据寄存器，总共是26个寄存器，存储了计算压力温度最终值的厂家校准数据。这些校准寄存器的定义及地址分配如下图所示：
我们已经说过面向BMP280压力温度传感器的所有操作都是基于寄存器进行的，我们已经了解了BMP280压力温度传感器的各个寄存器，现在可以来实现它的操作了。
2 、驱动设计与实现
我们已经比较详细的说明了BMP280的引脚定义、通讯接口、数据存储格式，在此基础上我们将设计并实现BMP280压力温度传感器的驱动程序。
2.1 、对象定义
在使用一个对象之前我们需要获得一个对象。同样的我们想要BMP280压力温度传感器就需要先定义BMP280压力温度传感器的对象。
2.1.1 、对象类型抽象
我们要得到BMP280压力温度传感器对象，需要先分析其基本特性。一般来说，一个对象至少包含两方面的特性：属性与操作。接下来我们就来从这两个方面思考一下BMP280压力温度传感器的对象。
先来考虑属性，作为属性肯定是用于标识或记录对象特征的东西。我们来考虑BMP280压力温度传感器对象属性。BMP280压力温度传感器的ID寄存器用于标识设备是否为BMP280；配置寄存器和测量控制寄存器都用关于系统配置，指示了设备的工作状态，所以我们将这三个寄存器定义为对象的属性。而使用的通讯接口决定了访问BMP280压力温度传感器的行为，所以我们需要记住这一配置；而校准数据则在计算数据时所要使用的，我们也需要记住这些参数，所以我们将它们也都定义为属性。在I2C接口模式时，设备地址是区分总线上设备的唯一标志，所以我们将其定义为属性。同样测量数据指示了设备当前的工作状态，我们将器作为属性。
接着我们还需要考虑BMP280压力温度传感器对象的操作问题。我们需要与BMP280压力温度传感器通讯就需要向其写数据并从其读数据，而不论是SPI接口还是I2C接口，读写操作都以来与具体的硬件平台，所以我们将他们作为对象的操作。此外，为控制时序，我们需要延时操作，而延时行为的实现亦依赖于具体的软硬件平台，所以我们将延时也作为对象的操作。
根据上述我们对BMP280压力温度传感器的分析，我们可以定义BMP280压力温度传感器的对象类型如下：
1 /*定义BMP280操作对象*/
2 typedef struct BMP280Object{
3 uint8_t bmpAddress; //I2C接口时设备地址
4 uint8_t chipID; //芯片ID
5 uint8_t config; //配置寄存器
6 uint8_t ctrlMeas; //测量控制寄存器
7 BMP280PortType port; //接口选择
8 Bmp280CalibParamType caliPara; //校准参数
9 float pressure; //压力值
10 float temperature; //温度值
11 void (*Read)(struct BMP280Object *bmp，uint8_t regAddress，uint8_t *rData，uint16_t rSize); //读数据操作指针
12 void (*Write)(struct BMP280Object *bmp，uint8_t regAddress，uint8_t command); //写数据操作指针
13 void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //延时操作指针
14 void (*ChipSelect)(BMP280CSType en); //使用SPI接口时，片选操作
15 }BMP280ObjectType;
2.1.2 、对象初始化
我们知道，一个对象仅作声明是不能使用的，我们需要先对其进行初始化，所以这里我们来考虑BMP280压力温度传感器对象的初始化函数。一般来说，初始化函数需要处理几个方面的问题。一是检查输入参数是否合理；二是为对象的属性赋初值；三是对对象作必要的初始化配置。据此我们设计BMP280压力温度传感器对象的初始化函数如下：
1 /* 实现BMP280初始化配置 */
2 void BMP280Initialization(BMP280ObjectType *bmp， //BMP280对象
3 uint8_t bmpAddress， //I2C接口是设备地址
4 BMP280PortType port， //接口选择
5 TimeStandbyType t_sb， //间隔周期
6 IIRFilterCoeffType filter， //过滤器
7 UseSPI3wType spi3W_en， //3线SPI控制
8 TemperatureSampleType osrs_t， //温度精度
9 PressureSampleType osrs_p， //压力精度
10 PowerModeType mode， //电源模式
11 BMP280Read Read， //读数据操作指针
12 BMP280Write Write， //写数据操作指针
13 BMP280Delayms Delayms， //延时操作指针
14 BMP280ChipSelect ChipSelect //片选操作指针
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 /*配置配置寄存器:间隔周期0.5ms、IIR滤波系数16、不使用SPI3线通讯*/
62 regAddress=REG_CONFIG;
63 command=t_sb|filter|spi3W_en;
64 WriteBMP280Register(bmp，regAddress，command);
65
66 /*配置测量控制寄存器:温度20位，压力20位，电源正常模式*/
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 /*读取校准值*/
77 GetBMP280CalibrationData(bmp);
78 }
79 }
2.2 、对象操作
我们已经完成了BMP280压力温度传感器对象类型的定义和对象初始化函数的设计。但我们的主要目标是获取对象的信息，接下来我们还要实现面向BMP280压力温度传感器的各类操作。
2.2.1 、写寄存器
我们已经说过了，对BMP280的操作都是通过读写寄存器实现的。这里我们先来看写寄存器。在I2C接口方式下，写寄存器操作是在从站地址的最后一位来识别的，再加上要写的寄存器地址和数据来实现的，这也是I2C协议的标准做法。其时序图如下所示：
而在SPI接口方式下，由于SPI并未有设备地址，也不存在用从还在那地址最后为来标记读写的模式。通常一些设备需要定义操作码来实现读写区分，但BMP280采取了将寄存器地址的最高位置零表示为写。之所以可以这样定义，是因为BMP280寄存器地址分配的特殊性决定的。改变寄存器地址的最高位也能区分不同的寄存器，绝不会重复。在SPI接口方式下，写寄存器的时序图如下所示：
根据上述描述和时序图，我们可以实现写BMP280压力温度传感器寄存器的程序。
1 /* 向BMP280寄存器写一个字节 */
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 、读寄存器
读寄存器的处理方式与写寄存器是类似。在I2C接口方式下，将从站地址的最低位置1来表示读。在I2C接口方式下，读寄存器的时序图如下所示：
而在SPI接口方式下，通过将寄存器地址的最高位置1来标识为读操作。事实上，所有寄存器地址的最高位都是1，所以在读操作时实际不需要做处理。在SPI接口方式下，读寄存器的时序图如下所示：
根据上述描述和时序图，我们可以实现读BMP280压力温度传感器寄存器的程序。
1 /*从BMP280寄存器读取一个字节*/
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 、驱动的使用
我们已经设计了BMP280压力温度传感器的驱动程序，接下来这一节我们将基于BMP280压力温度传感器的驱动程序设计一个简单的验证应用。
3.1 、声明并初始化对象
使用基于对象的操作我们需要先得到这个对象，所以我们先要使用前面定义的BMP280压力温度传感器对象类型声明一个BMP280压力温度传感器对象变量，具体操作格式如下：
BMP280ObjectType bmp280;
声明了这个对象变量并不能立即使用，我们还需要使用驱动中定义的初始化函数对这个变量进行初始化。这个初始化函数所需要的输入参数如下：
BMP280ObjectType *bmp，BMP280对象
uint8_t bmpAddress，I2C接口是设备地址
BMP280PortType port，接口选择
BMP280TimeStandbyType t_sb，间隔周期
BMP280IIRFilterCoeffType filter，过滤器
BMP280UseSPI3wType spi3W_en，3线SPI控制
BMP280TemperatureSampleType osrs_t，温度精度
BMP280PressureSampleType osrs_，压力精度
BMP280PowerModeType mode，电源模式
BMP280Read Read，读数据操作指针
BMP280Write Write，写数据操作指针
BMP280Delayms Delayms，延时操作指针
BMP280ChipSelect ChipSelect，片选操作指针
对于这些参数，对象变量我们已经定义了。接口选择、间隔周期、过滤器、3线SPI控制、温度精度、压力精度、电源模式等都是枚举量我们根据实际情况输入即可。而使用I2C接口时需要的设备地址，也按具体地址给入就好。主要的是我们需要定义几个函数，并将函数指针作为参数。这几个函数的类型如下：
1 /* 定义读数据操作函数指针类型 */
2 typedef void (*BMP280Read)(BMP280ObjectType *bmp,uint8_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize);
3
4 /* 定义写数据操作函数指针类型 */
5 typedef void (*BMP280Write)(BMP280ObjectType *bmp,uint8_t regAddress,uint8_t command);
6
7 /* 定义延时操作函数指针类型 */
8 typedef void (*BMP280Delayms)(volatile uint32_t nTime);
9
10 /* 定义使用SPI接口时，片选操作函数指针类型 */
11 typedef void (*BMP280ChipSelect)(BMP280CSType cs);
对于这几个函数我们根据样式定义就可以了，具体的操作可能与使用的硬件平台有关系。若采用的SPI接口则需注意片选操作，片选操作函数用于多设备需要软件操作时，如采用硬件片选可以传入NULL即可。同样如果采用的是I2C接口，则片选可以传入NULL即可。具体函数定义如下：
1 /*读BMP280寄存器值*/
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 /*写BMP280寄存器值*/
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 }
对于延时函数我们可以采用各种方法实现。我们采用的STM32平台和HAL库则可以直接使用HAL_Delay()函数。于是我们可以调用初始化函数如下：
1 BMP280Initialization(&bmp280, //BMP280对象
2 0xEC, //I2C接口是设备地址
3 BMP280_I2C, //接口选择
4 BMP280_T_SB_0P5, //间隔周期
5 BMP280_IIR_FILTER_COEFF_X16, //过滤器
6 BMP280_SPI3W_DISABLE, //3线SPI控制
7 BMP280_TEMP_SAMPLE_X16, //温度精度
8 BMP280_PRES_SAMPLE_X16, //压力精度
9 BMP280_POWER_NORMAL_MODE, //电源模式
10 ReadDataFromBMP280, //读数据操作指针
11 WriteDataToBMP280, //写数据操作指针
12 HAL_Delay, //延时操作指针
13 NULL //片选操作指针
14 );
3.2 、基于对象进行操作
我们定义了对象变量并使用初始化函数给其作了初始化。接着我们就来考虑操作这一对象获取我们想要的数据。我们在驱动中已经将获取数据并转换为转换值的比例值，接下来我们使用这一驱动开发我们的应用实例。
1 /*获取大气压力和温度*/
2 void BMP280GetEnvironmentalData(void)
3 {
4 float pressure; //压力值
5 float temperature; //温度值
6
7 GetBMP280Measure(&bmp280);
8
9 pressure=bmp280.pressure;
10 temperature=bmp280.temperature;
11 }
4 、应用总结
BMP280压力温度传感器的驱动已经实现并做了简单的应用。在我们测试时，得到的数据与其它方法获得的温度压力数据基本是一致的，这说明我们的驱动程序总体来说是正确的。
BMP280压力温度传感器支持SPI和I2C两种接口，而且SPI也支持3线和4线模式，但我们在测试应用中只使用了I2C接口，SPI接口还有待测试。
在使用驱动时需注意，采用SPI接口的器件需要考虑片选操作的问题。如果片选信号是通过硬件电路来实现的，我们在初始化时给其传递NULL值。如果是软件操作片选则传递我们编写的片选操作函数。而如果采用I2C接口，那么在初始化时也应传递NULL值。
BMP280压力温度传感器在使用SPI接口时，支持SPI模式0（CPOL=CPHA=0）和模式3（CPOL=CPHA=1）。而在使用I2C接口时，支持标准模式、快速模式以及高速模式。而且在使用I2C接口时，SDO引脚必须接高电平或低电平，以确定设备地址。
源码获取：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver
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