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