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学如逆水行舟

一起玩转树莓派（17）——BMP180数字压力传感器应用

Linux 2021/09/25

一起玩转树莓派（17）——BMP180数字压力传感器应用

一.BMP180使用说明

BMP180是一款高级的温度气压传感器，通过测量的气压值也可以计算出当前海拔高度。其压力测量范围为300-1100hPa，对应的海拔高度为正9000m-负500m。工作电压在1.8V到3.6V之间。体积小，精度高，采用I2C接口，使用非常方便。BMP180传感器在GPS导航，天气检测，海拔测量和垂直方向速度检测等方面有广泛的应用。本实验，我们尝试使用树莓派的I2C接口来读取BMP180的温度和气压值，并进行海拔高度的计算。

相对于本系列博客前面传感器实验案例，BMP180的使用略微复杂。在编写一款传感器的驱动代码之前，首先需要阅读对应的芯片手册。BMP180数据手册可以在如下地址找到，此手册有详细的BMP180的使用方法及温度气压数值的计算公式。

https://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/RaspberryPi_I2C/files/BST-BMP180-DS000-09.pdf

本次实验使用的BMP180传感器元件如下图所示：

可以看到此元件有5个引脚，其中VCC引脚可以不做使用，SCL和SDA引脚是I2C总线通信引脚，3.3和GND用来接电源正负极。

1.1 使用校准数据对温度和气压进行补偿校准

BMP180的压力和温度数据，必须通过传感器的校准数据进行补偿计算，校准数据可以通过读取其内部EEPROM存储器来获取，EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)又称为E2PROM，即带电可擦可编程只读存储器，等下我们会介绍校准数据的读取方法。

BMP180除了拥有压力温度物理传感器外，还包含E2PROM存储模块，ADC模数转换模块和控制单元等，核心电路图如下：

E2PROM存储器中共存储176位数据，这176位数据被分为11个字，即11个校准系数，每个校准系数为2个字节16位数据。在计算温度和气压之前，需要先将这11个校准系数获取到，下图列出了使用I2C访问的寄存器地址：

需要注意，在这11个校准系数中，AC4，AC5和AC6这3个是无符号整数，其他的都是有符号的整数，对于有符号的整数，寄存器中本身存储的是补码，我们需要将其转换成原码数据。示例代码如下：

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#coding:utf-8
import smbus

# 定义BMP180设备地址
deviceAddress = 0x77

# 有符号数的补码转换
def getInt(data):
    r = data
    # 第1位为1表示是负数 
    # 对负数的补码再取补码即可得到源码
    if (data & 0x8000) != 0:
        d = data ^ 0xffff
        d = d + 1
        r = -d
    return r

# 封装的获取E2PROM存储器中数据的方法
# sign参数表示是否是有符号数
def readCalibrate(adrList, index, sign):
    value = (adrList[index] << 8) + adrList[index + 1]
    if sign:
        return getInt(value)     
    else:
        return value

# 获取E2PROM存储其的数据
# read_i2c_block_data为i2C读取一块数据的方法，第2个参数为寄存器地址，第3个参数为读取的字节数
calibrationList = bus.read_i2c_block_data(deviceAddress, 0xAA, 22)

# 获取需要的校准系数
AC1 = readCalibrate(calibrationList, 0, True)
AC2 = readCalibrate(calibrationList, 2, True)
AC3 = readCalibrate(calibrationList, 4, True)
AC4 = readCalibrate(calibrationList, 6, False)
AC5 = readCalibrate(calibrationList, 8, False)
AC6 = readCalibrate(calibrationList, 10, False)
B1 = readCalibrate(calibrationList, 12, True)    
B2 = readCalibrate(calibrationList, 14, True)
MB = readCalibrate(calibrationList, 16, True)
MC = readCalibrate(calibrationList, 18, True)
MD = readCalibrate(calibrationList, 20, True)

上面代码中deviceAddress为BMP180连接上I2C总线后的设备地址，后面在连线时，我们再介绍如何得到。read_i2c_block_data函数用来读取一块数据，从芯片手册可知，E2PROM存储器数据地址的起始是0xAA，且是连续的，我们直接将22个字节全部读出即可。

1.2 测量温度与压力数值

BMP180对温度和压力的测量逻辑非常简单，先发出测量指令，之后等待一定的数据转换时间，之后即可直接通过I2C总线来读取测量数据。测量流程如下：

在上面的流程图中可以看到，发送测量温度指令后，等待4.5ms后即可读取温度数据，之后发送测量压力指令，等待一段时间后，即可获取压力数据，拿到原始的数据后通过一定的计算方式，即可算出最终的物理量。需要注意，测量压力所需要等待的转换时间与采样精度有关。

通过选择不同的采样精度，我们可以让BMP180工作在最适合的场景中，即实现功耗，性能和测量速度的按需调整。采样精度模式可选的有如下几种：

可以看到，功耗越低的模式(Mode)，采样数越少(Internal number of samples)，转换速度越快(Conversion time)，噪声越大(RMS noise)，精度越差。功耗的配置参数由oversampling_setting决定，后面我们会用到它。

1.3 计算温度和压力数据的全过程

现在，我们已经了解了BMP180的一些使用细节，只需要按照芯片手册的步骤来测量和计算即可得到物理数据。完整的过程下图所示：

可以看到，上面流程图从Start开始后，一共有6个需要做的步骤，其中最后一步是展示数据，我们可以省略掉，还剩下5个核心步骤。

第一步：读取校准系数数据

这一步前面我们已经完成。

第二步：读取尚未进行补偿运算的温度数值

首先通过I2C总线向地位为0xF4的寄存器写入0x2E的指令数据，等待4.5ms后，0xF6（MSB）和0xF7（LSB）寄存器的值，最终计算出未补偿的温度数值为：

UT = MSB << 8 + LSB

示例代码如下：

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#coding:utf-8
import smbus
import time

# 定义BMP180设备地址
deviceAddress = 0x77

# 通过I2C读取设备某个寄存器的数据
# regAdr 寄存器地址
def readByte(device, regAdr):
    return bus.read_byte_data(device, regAdr)

# 读取一个字的数据
def readWord(device, regAdr):
    high = bus.read_byte_data(device, regAdr)
    low = bus.read_byte_data(device, regAdr + 1)
    res = (high << 8) + low
    return res

# 写入一个字节的数据
def writeByte(device, regAdr, data):
    bus.write_byte_data(device, regAdr, data)

# 有符号数的补码转换
def getInt(data):
    r = data
    # 第1位为1表示是负数 
    # 对负数的补码再取补码即可得到源码
    if (data & 0x8000) != 0:
        d = data ^ 0xffff
        d = d + 1
        r = -d
    return r

# 获取原始的温度数据（未补偿）
def getTemperature():
    # 写入指令
    writeByte(deviceAddress, 0xF4, 0x2E)
    # 等待温度数据转换
    time.sleep(0.005) 
    # 读取的数据为有符号数
    value = readWord(deviceAddress, 0xF6)
    # 符号处理
    return getInt(value)

第三步：获取未补偿的压力数据

与获取温度的原始数据类似，首先向0xF4寄存器写入数据0x34+(oss<<6)，其中参数oss即为software_oversampling_setting，即我们前面提到的采样精度参数，根据需要选择即可。之后等待一定的转换时间，此时间与oss参数的选择有关，上面表中已经列出。再读取0xF6（MSB），0xF7（LSB）和0xF8（XLSB）的数据，最后使用如下计算方式得到原始压力数据：

UP = (MSB<<16 + LSB<<8 + xlsb)>> (8 - oss)

示例代码如下：

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# 定义采样精度，这里取超高分辨率
OSS = 3

# 获取原始的压力数据 （未补偿）
def getPressure():
    # 写入指令
    writeByte(deviceAddress, 0xF4, 0x34 + (OSS << 6))
    time.sleep(0.026)
    MSB = readByte(deviceAddress, 0xF6)
    LSB = readByte(deviceAddress, 0xF7)
    XLSB = readByte(deviceAddress, 0xF8)
    value = ((MSB << 16) + (LSB << 8) + XLSB) >> (8 - OSS)
    return value

第四步：计算真实的物理温度值

使用如下公式计算真正的物理温度值：

X1 = (UT - AC6) * AC5 / (2^15)

X2 = MC * (2^11) / (X1 + MD)

B5 = X1 + X2

T = (B5 + 8) / (2^4)

示例代码如下：

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import math
# 计算真实的温度
def calculateTemperature(data):
    X1 = ((data - AC6) * AC5) / math.pow(2, 15)
    X2 = (MC * math.pow(2, 11)) / (X1 + MD)
    B5 = X1 + X2 
    T = (B5 + 8) / math.pow(2, 4)
    return T / 10.0

需要注意，最终计算的到的温度数值为0.1摄氏度单位，转换成摄氏度直接除以10即可。

第5步：计算真实的物理气压值

其他数据的计算相对复杂，公式如下：

B6 = B5 - 4000

X1 = (B2 (B6 B6 / 2^12)) / 2^11

X2 = AC2 * B6 / 2^11

X3 = X1 + X2

B3 = (((AC1 * 4 + X3) << OSS) + 2) / 4

X1 = AC3 * B6 / 2^13

X2 = (B1 (B6 B6 / 2^12)) / 2^16

X3 = ((X1 + X2) + 2) /2 ^2

B4 = AC4 *(UNSIGNED LONG)(X3 + 32768) / 2^15

B7 = ((UNSIGNED LONG)UP - B3) * (50000 >> OSS)

如果B7小于0x80000000，则 P = (B7 2) / B4 否则 P = (B7 / B4) 2

X1 = (P / 2^8) * (P / 2^8)

X2 = (-7357 * P) / 2^16

P = P + (X1 + X2 + 3791) / 2^4

示例代码如下：

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# 计算真实的气压
def calculatePressure(temp, data):
    X1 = ((temp - AC6) * AC5) / math.pow(2, 15)
    X2 = (MC * math.pow(2, 11)) / (X1 + MD)
    B5 = X1 + X2 
    B6 = B5 - 4000
    X1 = (B2 * (B6 * B6 >> 12)) >> 11
    X2 = AC2 * B6 >> 11
    X3 = X1 + X2 
    B3 = (((AC1 * 4 + X3) << OSS) + 2) >> 2
    X1 = (AC3 * B6) >> 13
    X2 = (B1 * (B6 * B6 >> 12)) >> 16
    X3 = ((X1 + X2) + 2) >> 2
    B4 = AC4 * (X3 + 32768) >> 15
    B7 = (data - B3) * (50000 >> OSS)
    if (B7 < 0x80000000):
        P = (B7 * 2) / B4 
    else:
        P = (B7 / B4) * 2
    X1 = (P >> 8) * (P >> 8)
    X1 = (X1 * 3038) >> 16
    X2 = (-7357 * P) >> 16
    P = P + ((X1 + X2 + 3791) >> 4)
    # 单位为Pa 转换为hPa除以100即可
    return P /100.0

二. 实验-使用BMP180测量温度、气压和海拔高度

通过前面的介绍，一些核心的功能代码我们其实都已经实现，首先先将BMP180与树莓派相连：

BMP180 树莓派
3.3 3.3V
GND GND
SCL SCL
SDA SDA

要计算海拔高度，可以使用如下公式：

其中p0可以取海平面的标准大气压1013.25hPa。

连好线后，首先确认树莓派开启了I2C总线，如下：

在树莓派的终端使用如下指令可以查看外接的元件地址：

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sudo i2cdetect -y 1

可以看到如下图所示的输出：

其中0x77即为BMP180设备地址。

下面给出完整的实验代码：

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#coding:utf-8
import smbus
import time
import math

# 初始化
bus = smbus.SMBus(1)
# 定义BMP180设备地址
deviceAddress = 0x77

# 通过I2C读取设备某个寄存器的数据
# regAdr 寄存器地址
def readByte(device, regAdr):
    return bus.read_byte_data(device, regAdr)

# 读取一个字的数据
def readWord(device, regAdr):
    high = bus.read_byte_data(device, regAdr)
    low = bus.read_byte_data(device, regAdr + 1)
    res = (high << 8) + low
    return res

# 写入一个字节的数据
def writeByte(device, regAdr, data):
    bus.write_byte_data(device, regAdr, data)

# 有符号数的补码转换
def getInt(data):
    r = data
    # 第1位为1表示是负数 
    # 对负数的补码再取补码即可得到源码
    if (data & 0x8000) != 0:
        d = data ^ 0xffff
        d = d + 1
        r = -d
    return r

# 封装的获取E2PROM存储器中数据的方法
# sign参数表示是否是有符号数
def readCalibrate(adrList, index, sign):
    value = (adrList[index] << 8) + adrList[index + 1]
    if sign:
        return getInt(value)     
    else:
        return value

# 获取E2PROM存储其的数据
# read_i2c_block_data为i2C读取一块数据的方法，第2个参数为寄存器地址，第3个参数为读取的字节数
calibrationList = bus.read_i2c_block_data(deviceAddress, 0xAA, 22)

# 获取需要的校准系数
AC1 = readCalibrate(calibrationList, 0, True)
AC2 = readCalibrate(calibrationList, 2, True)
AC3 = readCalibrate(calibrationList, 4, True)
AC4 = readCalibrate(calibrationList, 6, False)
AC5 = readCalibrate(calibrationList, 8, False)
AC6 = readCalibrate(calibrationList, 10, False)
B1 = readCalibrate(calibrationList, 12, True)    
B2 = readCalibrate(calibrationList, 14, True)
MB = readCalibrate(calibrationList, 16, True)
MC = readCalibrate(calibrationList, 18, True)
MD = readCalibrate(calibrationList, 20, True)

# 获取原始的温度数据（未补偿）
def getTemperature():
    # 写入指令
    writeByte(deviceAddress, 0xF4, 0x2E)
    # 等待温度数据转换
    time.sleep(0.005) 
    # 读取的数据为有符号数
    value = readWord(deviceAddress, 0xF6)
    # 符号处理
    return getInt(value)

# 定义采样精度，这里取超高分辨率
OSS = 3

# 获取原始的压力数据 （未补偿）
def getPressure():
    # 写入指令
    writeByte(deviceAddress, 0xF4, 0x34 + (OSS << 6))
    time.sleep(0.026)
    MSB = readByte(deviceAddress, 0xF6)
    LSB = readByte(deviceAddress, 0xF7)
    XLSB = readByte(deviceAddress, 0xF8)
    value = ((MSB << 16) + (LSB << 8) + XLSB) >> (8 - OSS)
    return value

# 计算真实的温度
def calculateTemperature(data):
    X1 = ((data - AC6) * AC5) / math.pow(2, 15)
    X2 = (MC * math.pow(2, 11)) / (X1 + MD)
    B5 = X1 + X2 
    T = (B5 + 8) / math.pow(2, 4)
    return T / 10.0

# 计算真实的气压
def calculatePressure(temp, data):
    X1 = ((temp - AC6) * AC5) / math.pow(2, 15)
    X2 = (MC * math.pow(2, 11)) / (X1 + MD)
    B5 = int(X1 + X2) 
    B6 = B5 - 4000
    X1 = (B2 * (B6 * B6 >> 12)) >> 11
    X2 = AC2 * B6 >> 11
    X3 = X1 + X2 
    B3 = (((AC1 * 4 + X3) << OSS) + 2) >> 2
    X1 = (AC3 * B6) >> 13
    X2 = (B1 * (B6 * B6 >> 12)) >> 16
    X3 = ((X1 + X2) + 2) >> 2
    B4 = AC4 * (X3 + 32768) >> 15
    B7 = (data - B3) * (50000 >> OSS)
    if (B7 < 0x80000000):
        P = int((B7 * 2) / B4) 
    else:
        P = int((B7 / B4) * 2)
    X1 = (P >> 8) * (P >> 8)
    X1 = (X1 * 3038) >> 16
    X2 = (-7357 * P) >> 16
    P = P + ((X1 + X2 + 3791) >> 4)
    # 单位为Pa 转换为hPa 除以100即可
    return P / 100.0

while True:
    t = getTemperature()
    temp = calculateTemperature(t)
    press = calculatePressure(t, getPressure())
    high = 44330 * (1 - math.pow((press / 1013.25), 1.0) / 5.255)
    print('温度：%f, 气压：%f, 海拔：%f'%(temp, press, high))
    time.sleep(1)

运行上面代码，测量结果如下图所示：

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