【imetro】BME280+CCS811传感器代码分享和学习经验

imetro · 发表于 2018-5-20 19:14:48

本帖最后由 imetro 于 2018-5-20 20:37 编辑

我又来发帖辣

这次是与空气相关的两款传感器，都是自己看着datasheet撸出来的代码，在LPC54114上测试通过。

废话不多说，先把代码上传上来，下面再开贴仔细讲讲在测试中遇到的问题。代码在MDK 5.25上测试通过，应该没啥问题。按照我的个人习惯，相关配置一般写在config.h（系统）和相应传感器的头文件内，方便移植。

BME280+CCS811.rar (1.66 MB, 下载次数: 65)

2018-5-20 18:46 上传

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BME280

BME280是Bosch的一款传感器，支持温度、湿度和大气压的测量，精度应该属于还可以的水平。Bosch出了不少相关的气体传感器，接口都是一样的，支持I2C和SPI（部分产品没有）接口，相互移植还是非常方便的。

这个传感器本身的坑并不多，因为功能十分简单，就是测量这几个参数而已，不仅没有FIFO（意味着每次新数据生成后都要及时读取），甚至连中断引脚都没有，免去了在单片机上编写ISR的额外工作。BME280的主要难点在于数据补偿，传感器内置了一些补偿的参数，单片机需要使用这些参数计算补偿后的数据，好在官方也给了我们足够的测试代码。

BME280共有两种工作模式（Sleep Mode不计），分别是Normal Mode和Forced Mode，在我看来就是对应连续采样和单次采样的区别。Normal Mode适合需要连续获取数据的情况，而Forced Mode则可用于只需获取一组数据，或是由主机来控制采样速率的情况。不管使用哪种模式，都可以使用BME280内置的超采样和滤波器功能来过滤噪声，提高数据的有效性。

BME280的补偿算法相对比较复杂，且湿度和气压的补偿算法需要参考补偿后的温度值。目前能在网上找到的两份代码来自Bosch和SparkFun，两个代码的功能都是一样的。官方的算法有个缺点，就是使用定点数进行计算时的移位操作使用乘法而不是移位指令，这可能会降低效率。当然，官方的算法有不少关于精度的选项，这里我们考虑到Cortex-M4的性能，在温度和湿度的补偿算法内部使用int32_t，而在气压的补偿算法内部则使用int64_t。

重新实现后的算法效率如下，可以看到比官方的算法要快一些（ARMCC -O3，使用标准库）：

项目	CYCCNT	CPICNT	EXCCNT	SLEEPCNT	LSUCNT	FOLDCNT	总指令数
温度	28	0	0	0	3	1	26
气压	349	40	0	0	41	7	275
湿度	55	0	0	0	7	0	48

在编写补偿算法的时候，我遇到了以下几个问题：
1. 结果值错误，后来发现是运算的过程中超了精度（两个32位数相乘后结果仍为32位，导致数据丢失），这里只要够细就能发现问题。
2. 另一个是关于MicroLib的问题。一开始我发现执行的周期数达到官方的两倍，并且打开编译优化选项后效果不明显。后来发现是因为打开了MicroLib导致的问题，把Use MicroLib关了之后执行周期立马就下来了。对于这种情况，如果不使用半主机等必须由MicroLib实现的功能，还是建议使用标准库来提高预算速度。

最后是一张测试图，可以在OLED上看到温湿度和大气压的数据，更新速度约为8 sps，这对于温度监测应用已经绰绰有余。

CCS811

CCS811可用于测量eCO2和eTVOC，主要针对室内应用。虽然测量精度比不过专业仪器，但是用来玩玩还是可以的。网上对于CCS811的评价可谓是“怨声载道”，纷纷抱怨这个传感器的工作流程复杂、datasheet不够清楚。不过呢，只要把握好它的工作原理，操作思路也就不难理解了。

CCS811的奇葩之处，主要在于在传感器的内部集成了一个单片机。和传统的单片机相同的是，CCS811的运行模式可以分为Boot Mode和App Mode，前者对应Bootloader，后者则是执行配置和测量任务的应用固件。CCS811的启动流程如下：
1. 复位后进入Boot Mode，不管是上电复位、硬复位（拉低nRESET引脚）还是软复位（写入SW_RESET寄存器），都会在一定时间后进入到Boot Mode，其中上电复位所需的时间更长（20 ms VS 2 ms）。
2. 在Boot Mode中，可以对应用固件进行烧写，也可检测应用固件是否存在。此时不能执行跟传感器的配置和测量有关的操作。
3. 如果应用固件存在，应写入特定的寄存器，以从Boot Mode切换至App Mode。这一过程需要1 ms。
4. 应用固件启动，此时应先配置传感器，再开始进行测量。

可以看到，这就是一个完整的单片机程序启动流程。根据这个设计思路，CCS811在I2C总线和中断引脚（nINT）之外，还另外设计了硬复位（nRESET）和唤醒引脚（nWAKE），前者不用多说（由于软复位的存在似乎也用不上），后者则是在进行I2C传输时必须拉低，并在传输过程中保持低电平。不过，nWAKE引脚并不影响测量的流程，在不需要进行I2C传输时可将其拉高以减少电流消耗。

CCS811的测量流程比较简单，就是设置好采样模式，在相应指示位置位或是nINT拉低（需开启中断功能）后便可读取数据。由于CCS811的内部已经处理好数据，主机端只需直接使用即可，这估计就是使用内部单片机的原因了。CCS811的测量速度比较慢，最高只能达到1 Hz（原始数据可以达到4 Hz），且室内空气质量基本上在最低阈值以下，因此演示的效果并不是很好，只能吹口气然后观察数据了。

这里我们还有一个重点，就是CCS811可以输入温湿度数据以补偿测量结果。CCS811的输入数据可以达到16位精度，而且CCS811不内置温湿度传感器（猜测内部加热装置可能会影响测量结果），因此我们需要用外部传感器来进行温湿度测量。正好，我们可以用BME280测量的数据来进行校准。在BME280中使用Forced Mode读取一组温湿度数据，然后写入到CCS811即可。

编写CCS811的驱动还是比较顺利的，没遇上什么问题，不过这是在前人踩了不少坑的前提下，如果让我看着datasheet，一开始也会不知所云吧233。测量效果图如下所示。

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