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【技術(shù)分享】MPL3115A2模塊測量氣壓與海拔高度

2023-06-25
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[導(dǎo)讀]
本帖最后由 blust5 于 2023-5-10 16:25 編輯 #申請?jiān)瓌?chuàng)# @21小跑堂前幾天寫了GD32開發(fā)板硬件I2C讀寫方面遇到的問題以及解決辦法。https://bbs.21ic.com/icview-3300590-1-1.html?fromuser=blust5https://

本帖最后由 blust5 于 2023-5-10 16:25 編輯

#申請?jiān)瓌?chuàng)# @21小跑堂

前幾天寫了GD32開發(fā)板硬件I2C讀寫方面遇到的問題以及解決辦法。

https://bbs.21ic.com/icview-3300590-1-1.html?fromuser=blust5

https://bbs.21ic.com/icview-3300846-1-1.html?fromuser=blust5

使用GD32303C-EVAL開發(fā)板和MPL3115A2模塊測量氣壓或高度數(shù)據(jù)，兩者間使用硬件I2C進(jìn)行通訊。

一開始發(fā)現(xiàn)I2C讀寫異常，EXMC模塊時鐘使能就會導(dǎo)致I2C讀取失敗。通過逐步排查與調(diào)試驗(yàn)證，最終確認(rèn)問題為PB7引腳使用沖突，EXMC模塊與I2C均使用了開發(fā)板的PB7引腳。通過對I2C0功能的引腳remap配置，已經(jīng)將問題解決。

那么下面就進(jìn)入到了MPL3115A2模塊的配置和使用了。

下面是焊接前后的模塊實(shí)物圖。

下面是所使用的GD32303C-EVAL開發(fā)板實(shí)物圖。

由于前面已經(jīng)調(diào)通了I2C硬件驅(qū)動，這里開始編寫MPL3115A2模塊初始化程序。

首先查看MPL3115A2的芯片手冊，確認(rèn)使用過程。

找到MPL3115A2的內(nèi)部寄存器列表，查看需要使用的內(nèi)容。

這里可以看到，0x01-0x05寄存器是保存測量結(jié)果的，其中0x01-0x03是保存氣壓值或高度值的，0x04和0x05是保存溫度值的。

MPL3115有兩種工作模式，氣壓計(jì)模式和高度計(jì)模式，在不同的工作模式下，0x01-0x03寄存器中保存的值是不同的，分別跟對應(yīng)的工作模式匹配。就是說無論工作在什么模式，讀取結(jié)果都是同樣的寄存器地址。

0x00寄存器是狀態(tài)寄存器。這個地址有點(diǎn)特別，在不同的數(shù)據(jù)模式下指向不同的寄存器地址。

MPL3115除了具有單次采樣結(jié)果存儲的模式之外，還具有FIFO功能，在開啟FIFO數(shù)據(jù)模式的情況下，芯片可以保存最多32組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)都包括氣壓值/高度值和溫度值（5字節(jié)數(shù)據(jù)）。

在這個數(shù)據(jù)模式下，0x00地址指向的是0x0D寄存器，即I2C讀取0x00地址的值，實(shí)際上讀取的是0x0D寄存器（當(dāng)然，直接讀取0x0D寄存器也是可以的），這個寄存器是FIFO系統(tǒng)狀態(tài)寄存器，可以查詢有沒有發(fā)生FIFO數(shù)據(jù)溢出事件以及FIFO數(shù)據(jù)有沒有存儲到設(shè)定數(shù)量。

在這個模式下，讀取數(shù)據(jù)也不是0x01-0x05寄存器讀取了。為了方便循環(huán)讀取，可以始終讀取0x01寄存器的值，讀取到的值會輪流按照“氣壓值/高度值高字節(jié)→中字節(jié)→低字節(jié)→溫度高字節(jié)→低字節(jié)→下一組值的氣壓/高度值高字節(jié)”的形式一直循環(huán)讀取，直到讀取完畢所有FIFO數(shù)據(jù)的值。而且按照I2C通訊連續(xù)讀取時寄存器地址自增模式進(jìn)行匹配，0x01寄存器地址在這個模式下的自增地址還是0x01，即按照I2C總線通訊模式進(jìn)行連續(xù)讀取，寄存器地址選擇為0x01，一直讀取，會一直讀到0x01地址的值，直到讀取完所有數(shù)據(jù)。

而如果沒有開啟FIFO數(shù)據(jù)模式，0x00寄存器地址指向的是0x06寄存器，這個寄存器也是狀態(tài)寄存器，這個寄存器可以查看有沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋以及當(dāng)前數(shù)據(jù)有沒有準(zhǔn)備好。

由于沒有啟用FIFO數(shù)據(jù)模式，這個模式下只能保存一組數(shù)據(jù)（氣壓值/高度值和溫度值，共5字節(jié)），分別存放在0x01-0x05寄存器里，讀取時直接連續(xù)讀取5字節(jié)即可。如果一直循環(huán)讀取，讀完0x05寄存器之后寄存器指針會自動再次定位到0x00寄存器，再次進(jìn)行一輪讀取，但是由于這時候下一組采樣數(shù)據(jù)還沒有準(zhǔn)備好，因此讀出來的值無效（應(yīng)該為0，不過沒有驗(yàn)證）。

工作模式大概說了一下，繼續(xù)查看如何配置工作模式。首先使用最簡單的模式：不啟用FIFO數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣模式。

可以看到，控制寄存器有5個，分別查看每個寄存器的介紹，發(fā)現(xiàn)只要控制第一個控制寄存器0x26即可完成初步使用。

這個寄存器可以配置芯片工作在氣壓計(jì)模式或高度計(jì)模式，可以配置過采樣次數(shù)，可以配置芯片的待機(jī)模式和激活模式。

通過描述來看，直接將SBYB位置1即可使芯片進(jìn)入激活模式，開始進(jìn)行采樣。

于是初始化函數(shù)如下（氣壓計(jì)模式，過采樣設(shè)置為最大128，增加數(shù)據(jù)穩(wěn)定性）：

init8_t MPL_Init(void)
{
uint8_t reg_data, get_data;
reg_data = 0x39;
eeprom_byte_write(& reg_data, CTRL_REG1_ADDR);
eeprom_buffer_read(&get_data, CTRL_REG1_ADDR, 1);
if(get_data==reg_data)
{
return 0;
}
else
{
return -1;
}
}

復(fù)制代碼

其中CTRL_REG1_ADDR為0x26。

同時編寫結(jié)果讀取函數(shù)（剛開始只是把結(jié)果讀取出來，至于數(shù)值轉(zhuǎn)換等讀取成功之后再處理）：

int8_t MPL_Result_Read(void)
{
uint8_t status;
uint8_t data_buf[5];
eeprom_buffer_read(&status, DATA_STATUS_ADDR, 1);
if((status & 0x08) == 0)
{
return -1;
}
eeprom_buffer_read(data_buf, DATA_START_ADDR, 5);
return 0;
}

復(fù)制代碼

其中DATA_STATUS_ADDR為0x00，而DATA_START_ADDR為0x01。

編譯、燒錄、運(yùn)行，結(jié)果發(fā)現(xiàn)讀取DATA_STATUS_ADDR始終為0。好吧，繼續(xù)找問題。

單步調(diào)試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)控制寄存器寫入成功了，但是讀取狀態(tài)寄存器確實(shí)為0，那么久確認(rèn)問題不是出在I2C讀寫上。

繼續(xù)看手冊，同時網(wǎng)上找一下例程（例程放到附件里）。

通過對比網(wǎng)上找的例程，發(fā)現(xiàn)多了一個寄存器的操作：0x13寄存器。查看手冊，發(fā)現(xiàn)這個是數(shù)據(jù)更新狀態(tài)置位允許寄存器，就是說這個寄存器可以配置允許哪些情況產(chǎn)生事件更新標(biāo)志。

原來問題在這里。這個寄存器配置了允許，數(shù)據(jù)采樣完成后才會在狀態(tài)寄存器里產(chǎn)生標(biāo)志位。

OK！了解了。然后按照例程里的模式，對控制寄存器進(jìn)行寫入，并增加了讀取驗(yàn)證過程，同時增加了氣壓計(jì)/高度計(jì)模式選擇控制，避免來回切換工作模式都要改動初始化函數(shù)。并在運(yùn)行完成之后顯示初始化結(jié)果。

void MPL_Init(uint8_t mode)
{
uint8_t i, mode_data,reg_data, get_data=0;
if(mode==0)
{
mode_data = 0x38;
}
else
{
mode_data = 0xB8;
}
reg_data = mode_data;
eeprom_byte_write(& reg_data, CTRL_REG1_ADDR);
eeprom_buffer_read(&get_data, CTRL_REG1_ADDR, 1);
if(get_data!=reg_data)
{
MPL_ERR_Display();
return;
}
reg_data = 0x07;
eeprom_byte_write(& reg_data, PT_DATA_CFG_ADDR);
eeprom_buffer_read(&get_data, PT_DATA_CFG_ADDR, 1);
if(get_data!=reg_data)
{
MPL_ERR_Display();
return;
}
reg_data = mode_data + 1;
eeprom_byte_write(& reg_data, CTRL_REG1_ADDR);
eeprom_buffer_read(&get_data, CTRL_REG1_ADDR, 1);
if(get_data!=reg_data)
{
MPL_ERR_Display();
return;
}
MPL_OK_Display();
}

復(fù)制代碼

再次編譯、燒錄、運(yùn)行，這次果然讀取到狀態(tài)和數(shù)據(jù)了。

下面就是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換了，這個相對簡單，按照手冊上的說明對數(shù)據(jù)進(jìn)行位移和拼接處理，即可得到正確的結(jié)果。這里為了顯示方便，直接將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別存儲，然后拼接顯示在TFT屏幕上的。

int8_t MPL_Result_Read(void)
{
uint8_t status;
uint8_t data_buf[5];
eeprom_buffer_read(&status, DATA_STATUS_ADDR, 1);
if((status & 0x08) == 0)
{
return -1;
}
eeprom_buffer_read(data_buf, DATA_START_ADDR, 5);
height_integer = (uint32_t)data_buf[0]*0x100 + (uint32_t)data_buf[1];
height_decimal = (data_buf[2]>>4) * 625;
temp_integer = data_buf[3];
temp_decimal = (data_buf[4]>>4) * 625;
pressure_value = (uint32_t)data_buf[0]*0x400 + (uint32_t)data_buf[1]*0x04 + (data_buf[2]>>6);
return 0;
}

復(fù)制代碼

這里將高度計(jì)模式和氣壓計(jì)模式兩種模式下的轉(zhuǎn)換關(guān)系都保存了下來，當(dāng)然，同一模式下肯定有一組轉(zhuǎn)換結(jié)果是錯誤的，但是只使用正確的結(jié)果就可以了，防止每次切換模式都去修改代碼，畢竟調(diào)試階段經(jīng)常變換模式是很正常的。同時這里將氣壓計(jì)模式的小數(shù)位直接丟棄了（精度不夠）。

下面是高度計(jì)模式的運(yùn)行結(jié)果示意，分別顯示高度值和溫度值。

然后開始運(yùn)行，同時查看測量結(jié)果的變化是否符合預(yù)期。

初步觀察，發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果會有波動，但是波動值范圍在±0.3m范圍內(nèi)，符合預(yù)期情況。

由于我是在4樓辦公，于是準(zhǔn)備逐層下到1樓，再上到4樓，來查看測量結(jié)果的變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：一開始在4樓時高度約16m，下到3樓高度約12.5m，下到2樓高度約7m，下到1樓高度約2.5m，再上到2樓高度約7m，上到3樓高度約12m，上到4樓高度約15.5m。

通過初步測試，剔除掉絕對誤差后，發(fā)現(xiàn)基本可以測量出樓層高度。

但是在辦公室一直運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)一個問題，測量值一直在漂移，一兩個小時測量結(jié)果就能漂移10m左右，而溫度的變化很小，不應(yīng)該引起這么大的漂移。以為是沒有配置好芯片工作模式，于是繼續(xù)查資料，找例程。同時對接淘寶賣家，問下有沒有技術(shù)支持或者例程代碼之類的。

最終賣家發(fā)過來一個例程代碼包，C++語言編寫的，不過大致看一下配置過程還是OK的。（例程見附件）

多方對比之下，發(fā)現(xiàn)我的配置流程和讀取流程沒有問題，就是這么用的。

那么是什么原因?qū)е碌臏y量結(jié)果漂移呢？

為了確認(rèn)漂移的情況，我對程序增加了結(jié)果上傳功能，通過串口實(shí)時將測量結(jié)果上傳到電腦上，通過串口助手接收保存數(shù)據(jù)。

然后進(jìn)行長時間的采樣、數(shù)據(jù)保存，并對采集到的數(shù)據(jù)按照時間進(jìn)行圖表繪制，確認(rèn)其變化趨勢。

可以看出，溫度的變化（右側(cè)的附坐標(biāo)軸）很小，基本上在25.5-27.5度之間變化，而高度值在整個過程中（約13小時）從23m左右最終下降到0m附近?？梢钥闯銎渌矔r值還是相對比較準(zhǔn)的（趨勢線不是特別粗），那是什么原因?qū)е铝碎L時間的測量值漂移這么大呢？

這時候我想到了一個問題，一天之內(nèi)大氣壓是穩(wěn)定的么？畢竟大氣是氣體，整體包裹在地球外部，并沒有一個特定的容器去限制它，而且天氣、風(fēng)、云等等也可能影響到大氣壓。于是我去搜了一下，大氣壓在一天之內(nèi)有沒有變化。

結(jié)果搜到一個“氣壓日變化”的詞條，里面說了大氣在一天之內(nèi)的變化規(guī)律。

氣壓日變化
氣壓日變化的特點(diǎn)是在一天中有一個最高值和一個次高值，一個最低值和一個次低值。最高值出現(xiàn)在9 ～10時，次高值出現(xiàn)在21～22時；最低值出現(xiàn)在15～16時，次低值出現(xiàn)在3～4時。

氣壓的日變化在低緯度地區(qū)比較明顯。氣壓日振幅（一日中最高值與最低值之差，又稱為日較差）隨緯度的增高而減小。在低緯地區(qū)，平均日振幅可達(dá)3～4百帕，到緯度50度附近日振幅不足1 百帕了。不同緯度上氣壓日變化的情況，在我國中緯度地區(qū)氣壓日振幅為1～2．5百帕，在低緯地區(qū)為2．5～4百帕，而在西藏高原東部邊緣的山谷中氣壓的日振幅有時可達(dá)6. 5百帕。

對照這個說明，可以看到大氣壓在一天之內(nèi)變化幾百帕是正常的，換算成高度的話差不多有幾十米，因此測到的漂移應(yīng)該是正常的。

為了驗(yàn)證這個結(jié)果，我繼續(xù)進(jìn)行長時間連續(xù)數(shù)據(jù)采集，采集夠24小時的測量結(jié)果（早上上班前約7點(diǎn)50分測量到第二天早上上班前），得到的趨勢圖如下：

可以從趨勢圖中看出，高度值在上午9時-10時左右最低，在下午16時左右最高，這剛好對應(yīng)了上面詞條里說的氣壓最高值出現(xiàn)在9-10時，最低值出現(xiàn)在15-16時（氣壓越高海拔越低）。而較小的波峰波谷也基本上能對應(yīng)詞條里的次低值和次高值時段。

因此基本確認(rèn)了長時間的測量結(jié)果漂移實(shí)際上是大氣壓的真實(shí)變化，而不是芯片測量不準(zhǔn)確。

至此，問題基本解決，測量結(jié)果也符合預(yù)期，后期加上數(shù)據(jù)修正和基準(zhǔn)補(bǔ)償之后，可以相對準(zhǔn)確的獲取當(dāng)前的高度值。

注：代碼里配置寄存器時eeprom_byte_write(& reg_data, CTRL_REG1_ADDR);這里&和reg_data中間不應(yīng)該有空格的，但是不加空格的話論壇會顯示_data。這個只能在這里做一個說明。

附件如下
網(wǎng)上查找的MPL3115例程.rar (17.99 KB)