STM32软件SPI驱动BMP280

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一、引言

BMP280是博世公司推出的一款高精度气压传感器，可用于测量大气压力和温度。在很多应用场景中，如气象监测、无人机高度测量等，都需要使用到该传感器。STM32作为一款广泛应用的微控制器，具备强大的处理能力和丰富的外设接口。本文将详细介绍如何使用STM32的软件SPI来驱动BMP280传感器，实现气压和温度数据的读取。

二、BMP280传感器简介

2.1 基本特性

• 高精度测量：能够提供高精度的气压和温度测量值。
• 低功耗：适合电池供电的应用场景。
• 数字接口：支持SPI和I2C通信协议，方便与微控制器连接。

2.2 寄存器结构

BMP280内部有多个寄存器，用于配置传感器的工作模式、读取测量数据以及校准参数等。其中，一些重要的寄存器包括：

• 控制寄存器（0xF4）：用于设置测量模式、过采样率等参数。
• 数据寄存器（0xF7 - 0xFC）：存储气压和温度的测量数据。
• 校准寄存器（0x88 - 0xA1）：存储用于校准测量数据的参数。

三、STM32软件SPI实现原理

3.1 SPI通信协议

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种全双工、同步的串行通信协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成。SPI通信需要四条信号线：

• SCK（时钟线）：主设备提供时钟信号，用于同步数据传输。
• MOSI（主输出从输入）：主设备向从设备发送数据的信号线。
• MISO（主输入从输出）：从设备向主设备发送数据的信号线。
• CS（片选线）：主设备用于选择要通信的从设备。

3.2 软件SPI实现

软件SPI是通过微控制器的通用I/O口模拟SPI通信协议的时序。具体实现步骤如下：

1. 初始化引脚：将SCK、MOSI、MISO和CS引脚配置为输出或输入模式。
2. 片选操作：通过拉低CS引脚选中要通信的从设备。
3. 时钟信号生成：通过改变SCK引脚的电平状态生成时钟信号。
4. 数据传输：在时钟信号的控制下，通过MOSI引脚发送数据，通过MISO引脚接收数据。
5. 片选释放：通信结束后，拉高CS引脚释放从设备。

四、STM32软件SPI驱动BMP280代码实现

4.1 硬件连接

假设使用STM32F103C8T6开发板，BMP280与STM32的连接如下：

• SCK -> PA5
• MOSI -> PA7
• MISO -> PA6
• CS -> PA4

4.2 代码实现

#include "stm32f10x.h"

// 定义SPI引脚
#define SPI_SCK_PIN GPIO_Pin_5
#define SPI_MOSI_PIN GPIO_Pin_7
#define SPI_MISO_PIN GPIO_Pin_6
#define SPI_CS_PIN GPIO_Pin_4

#define SPI_GPIO_PORT GPIOA

// 初始化SPI引脚
void SPI_GPIO_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置SCK、MOSI和CS为推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_SCK_PIN | SPI_MOSI_PIN | SPI_CS_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(SPI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 配置MISO为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = SPI_MISO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(SPI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 初始状态CS拉高
    GPIO_SetBits(SPI_GPIO_PORT, SPI_CS_PIN);
}

// 片选使能
void SPI_CS_Enable(void) {
    GPIO_ResetBits(SPI_GPIO_PORT, SPI_CS_PIN);
}

// 片选释放
void SPI_CS_Disable(void) {
    GPIO_SetBits(SPI_GPIO_PORT, SPI_CS_PIN);
}

// 发送一个字节数据
uint8_t SPI_SendByte(uint8_t byte) {
    uint8_t i;
    uint8_t received_byte = 0;

    for (i = 0; i < 8; i++) {
        // 发送数据
        if (byte & 0x80) {
            GPIO_SetBits(SPI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN);
        } else {
            GPIO_ResetBits(SPI_GPIO_PORT, SPI_MOSI_PIN);
        }
        byte <<= 1;

        // 产生时钟信号
        GPIO_SetBits(SPI_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN);

        // 读取数据
        received_byte <<= 1;
        if (GPIO_ReadInputDataBit(SPI_GPIO_PORT, SPI_MISO_PIN)) {
            received_byte |= 0x01;
        }

        // 时钟信号拉低
        GPIO_ResetBits(SPI_GPIO_PORT, SPI_SCK_PIN);
    }

    return received_byte;
}

// 向BMP280写入一个字节数据
void BMP280_WriteByte(uint8_t reg_addr, uint8_t data) {
    SPI_CS_Enable();
    SPI_SendByte(reg_addr);
    SPI_SendByte(data);
    SPI_CS_Disable();
}

// 从BMP280读取一个字节数据
uint8_t BMP280_ReadByte(uint8_t reg_addr) {
    uint8_t data;
    SPI_CS_Enable();
    SPI_SendByte(reg_addr | 0x80); // 设置读标志
    data = SPI_SendByte(0x00);
    SPI_CS_Disable();
    return data;
}

// 初始化BMP280
void BMP280_Init(void) {
    SPI_GPIO_Init();

    // 配置控制寄存器，设置测量模式和过采样率
    BMP280_WriteByte(0xF4, 0x27); // 正常模式，气压过采样率x16，温度过采样率x2
    BMP280_WriteByte(0xF5, 0xA0); // 配置滤波器和采样间隔
}

// 读取BMP280的气压和温度数据
void BMP280_ReadData(int32_t *pressure, int32_t *temperature) {
    uint8_t data[6];
    int32_t adc_p, adc_t;

    // 读取气压和温度数据
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
        data[i] = BMP280_ReadByte(0xF7 + i);
    }

    // 组合数据
    adc_p = ((uint32_t)data[0] << 12) | ((uint32_t)data[1] << 4) | ((data[2] >> 4) & 0x0F);
    adc_t = ((uint32_t)data[3] << 12) | ((uint32_t)data[4] << 4) | ((data[5] >> 4) & 0x0F);

    // 这里省略校准过程，实际应用中需要根据校准参数进行校准

    *pressure = adc_p;
    *temperature = adc_t;
}

int main(void) {
    int32_t pressure, temperature;

    BMP280_Init();

    while (1) {
        BMP280_ReadData(&pressure, &temperature);
        // 这里可以添加数据处理和显示代码
    }
}

4.3 代码解释

• SPI_GPIO_Init()：初始化SPI引脚，将SCK、MOSI和CS配置为推挽输出，MISO配置为浮空输入。
• SPI_CS_Enable() 和 SPI_CS_Disable()：用于片选使能和释放。
• SPI_SendByte()：通过软件模拟SPI时序发送一个字节数据，并接收从设备返回的数据。
• BMP280_WriteByte()：向BMP280的指定寄存器写入一个字节数据。
• BMP280_ReadByte()：从BMP280的指定寄存器读取一个字节数据。
• BMP280_Init()：初始化BMP280传感器，配置控制寄存器和配置寄存器。
• BMP280_ReadData()：读取BMP280的气压和温度数据。
• main()：主函数，初始化BMP280传感器，然后不断读取气压和温度数据。

五、总结

通过使用STM32的软件SPI来驱动BMP280传感器，我们可以实现气压和温度数据的读取。软件SPI的实现方式虽然相对硬件SPI来说速度较慢，但具有灵活性高、无需特定外设支持的优点。在实际应用中，我们可以根据具体需求选择合适的通信方式。同时，需要注意对BMP280的校准过程，以提高测量数据的准确性。