環境傳感器是一類我們很常用的傳感器。它可以方便我們獲取壓力、溫度、溼度以及空氣質量等數據。在這一篇中，我們將分析BME680環境傳感器的功能，並設計和實現BME680環境傳感器的驅動。
1、功能概述
BME680是一款專爲移動應用和可穿戴設備開發的集成環境傳感器，其尺寸和低功耗是關鍵要求。
1.1、硬件接口
BME680由一個8針金屬蓋3.0 x 3.0 x0.93mm³LGA封裝組成，旨在根據特定的工作模式，長期穩定性和高EMC穩健性進行優化消耗。可以選擇採用I2C接口或者SPI接口。其管腳排布如下圖：
BME680環境傳感器可以選擇使用I2C接口或者SPI接口，在不同的接口模式及下各個引腳的定義及功能有一些差別。其具體分配及定義如下所示：
從上表中我們可以知道當CSB引腳接高電平VDDIO時，採用的是I2C接口。此時I2C的設備地址的最後一位由SDO引腳的電平決定。所以設備地址計7位爲0x76或0x77，計8位則是0xEC或0xEE。
當CSB引腳用作片選信號時，則使用SPI接口。SPI接口支持模式0（CPOL=0，CPHA=0）和模式3（CPOL=1，CPHA=1）。同時支持3線SPI和4線SPI。控制字節的最高位爲0時表示寫，爲1時表示讀。
1.2、內置傳感器
BME680擴展了博世現有的環境傳感器系列，首次集成了高線性度和高精度的氣體，壓力，溼度和溫度傳感器。
1.2.1、氣體傳感器
BME680內的氣體傳感器可以檢測各種氣體，以測量個人健康的空氣質量。BME680可檢測到的氣體包括油漆（如甲醛），油漆，脫漆劑，清潔用品，傢俱等的揮發性有機化合物（VOC）。大氣質量傳感器的特性參數如下：
BME680採用了博世軟件環境羣組解決方案。該解決方案使用智能算術方法將空氣質量索引（IAQ）作爲輸出。該指標將IAQ劃分爲0到500的索引數值用以指示IAQ，具體劃分如下所示：
1.2.2、溼度傳感器
BME680集成了溼度傳感器用於外部環境中溼度數據的採集。溼度傳感器的性能參數如下：
1.2.3、壓力傳感器
BME680集成有大氣壓力傳感器用於檢測外部環境的絕對壓力。壓力傳感器的性能參數如下：
1.2.4、溫度傳感器
BME680也集成了溫度傳感器用以檢測溫度數據，溫度數據除了指示環境溫度外，同時用於壓力和溼度的補償計算。溫度傳感器的性能參數如下：
1.3、數據存儲結構
BME680採用特定的存儲器區域來存儲控制及數據信息。存儲的數據包括測量數據、控制信息以及校準數據。
對於溫度傳感器，包括3個校準參數和一個ADC測量數據，其測量數據和校準數據的存儲結構及地址如下：
對於壓力傳感器，包括10個計算校準數據和一個ADC轉換數據，其測量數據的校準數據存儲結構及地址如下：
對於溼度傳感器，包括7個計算校準數據和一個ADC轉換數據，其測量數據的校準數據存儲結構及地址如下：
大氣質量傳感器，包括3個計算校準數據、一個加熱器範圍存儲數據、一個加熱器電阻校準因子存儲數據、氣體ADC測量數據、氣體範圍數據以及範圍轉換錯誤，其測量數據的校準數據存儲結構及地址如下：
BME680環境傳感器寄存器都是8位的，所有的操作均通過對寄存器的讀寫來實現。全部控制寄存器及數據寄存器的結構和地址如下：
這裏我們需要說明一下，BME680的存儲器地址範圍是0x00~0xFF，在I2C接口通訊時，通訊採用的是8位寄存器地址正好符合對應的尋址範圍。但是採用SPI接口通訊時，寄存器地址的最高爲被用於區分讀寫操作，所以地址只有7位，存儲空間被分爲2頁。具體如下：
所以在使用SPI接口時需要分辨是哪一頁。當前操作的是哪一頁由Status寄存器來決定。
2、驅動設計與實現
我們對BME680環境傳感器的基本情況已經有了整體瞭解，接下來我們將爲BME680環境傳感器設計並實現驅動程序。
2.1、對象定義
我們依然是採用基於對象的操作。所以我們需要定義對象，所以我們需要抽象出對象類型，並對我們想要操作的對象進行初始化。
2.1.1、對象抽象
對於一個對象來說，一般包括有屬性和操作兩方面的內容。接下來我們就從這兩個方面分析BME680環境傳感器的對象。
我們需要從BME680對象抽象出其屬性，這些屬性能夠定義一個對象的特點並將其與其它對象區別開來。BME680支持SPI通訊和I2C通訊，所以我們將通訊端口作爲屬性以規定對象的通訊方式。在使用I2C時，設備有地址以區別不同的設備，所以我們將I2C設備地址也定義爲屬性。每臺BME680都有一個ID用以區別於其它設備，所以我們將它定義爲對象的屬性。還有配置寄存器、測量控制寄存器、溼度控制寄存器、氣體控制寄存器都記錄了設備的配置狀態，所以我們也將它們作爲屬性。每臺設備都有特定的校準數據，這些校準數據每次數據檢測都是需要的，所以我們用屬性將它們記錄下來。還有測量數據，它們標識了設備當前的工作狀態，所以我們將它們也作爲屬性。
接下來我們分析BME680的操作。首先來講，我們肯定要與BME680交互，但我們對BME680的讀寫依賴於具體的硬件平臺，所以我們將它們作爲對象的操作。在進行相關操作時，我們需要控制時序，則需要使用延時操作，但延時處理總是依賴於具體的軟硬件平臺，所以我們將延時處理作爲對象的操作。而使用SPI時，沒有設備地址但有片選信號，如何操作片選信號依賴於硬件平臺，我們將對片選的操作定義爲對象的操作函數。
根據上述的分析，我們可以得到BME680環境傳感器的對象類型如下：
/*定義BME680操作對象*/
typedef struct BME680Object{
uint8_t chipID; //芯片ID
uint8_t bmeAddress; //I2C通訊時的設備地址
uint8_t memeryPage; //用於在SPI接口時記錄當前所處的內存頁
uint8_t config; //配置寄存器
uint8_t ctrlMeas; //測量控制寄存器
uint8_t ctrlHumi; //溼度測量控制寄存器
uint8_t ctrlGas0; //氣體控制寄存器0
uint8_t ctrlGas1; //氣體控制寄存器1
uint8_t resHeat;
uint8_t gasWait;
BME680PortType port; //接口選擇
BME680CalibParamType caliPara; //校準參數
#if BME680_COMPENSATION_SELECTED > (0)
int32_t temperature; //溫度值
int32_t pressure; //壓力值
int32_t humidity; //溼度值
int32_t gasResistence; //大氣質量電阻值
int32_t iaq; //空氣質量水平
#else
float temperature; //溫度值
float pressure; //壓力值
float humidity; //溼度值
float gasResistence; //大氣質量電阻值
float iaq; //空氣質量水平
#endif
void (*Read)(struct BME680Object *bme,uint8_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize); //讀數據操作指針
void (*Write)(struct BME680Object *bme,uint8_t regAddress,uint8_t command); //謝數據操作指針
void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime); //延時操作指針
void (*ChipSelect)(BME680CSType cs); //使用SPI接口時，片選操作
}BME680ObjectType;片選操作有一點需要注意，如果片選信號在硬件電路上固定有效時，可以將NULL給它，同樣在SPI接口時也需要將NULL給它。
2.1.2、對象初始化函數
一個對象必須對其進行初始化纔可使用。初始化對象主要有四個方面的內容：檢查對象賦值的合法性；屬性賦初值；爲對象操作指定函數指針；對象所指向設備的初始配置。據此我們可以編寫BME680環境傳感器的初始化函數如下：
/*實現BME680初始化配置*/
void BME680Initialization(BME680ObjectType *bme, //BMP280對象
uint8_t bmeAddress, //I2C接口是設備地址
BME680PortType port, //接口選擇
BME680IIRFilterType filter, //過濾器
BME680SPI3wUseType spi3W_en, //3線SPI控制
BME680TempSampleType osrs_t, //溫度精度
BME680PresSampleType osrs_p, //壓力精度
BME680SPI3wIntType spi3wint_en,//3線SPI中斷控制
BME680HumiSampleType osrs_h, //溼度精度
BME680GasRunType run_gas, //氣體運行設置
BME680HeaterSPType nb_conv, //加熱器設定點選擇
BME680HeaterOffType heat_off, //加熱器關閉
uint16_t duration, //TPHG測量循環週期，ms單位
uint8_t tempTarget, //加熱器的目標溫度
BME680Read Read, //讀數據操作指針
BME680Write Write, //寫數據操作指針
BME680Delayms Delayms, //延時操作指針
BME680ChipSelect ChipSelect //片選操作指針
)
{
uint8_t try_count = 5;
uint8_t regValue=0;
if((bme==NULL)||(Read==NULL)||(Write==NULL)||(Delayms==NULL))
{
return;
}
bme->Read=Read;
bme->Write=Write;
bme->Delayms=Delayms;
bme->port=port;
if(bme->port==BME680_I2C)
{
if((bmeAddress==0xEC)||(bmeAddress==0xEE))
{
bme->bmeAddress=bmeAddress;
}
else if((bmeAddress==0x76)||(bmeAddress==0x77))
{
bme->bmeAddress=(bmeAddress<<1);
}
else
{
return;
}
bme->ChipSelect=NULL;
}
else
{
if(ChipSelect!=NULL)
{
bme->ChipSelect=ChipSelect;
}
else
{
bme->ChipSelect=BME680ChipSelectDefault;
}
}
bme->chipID=0x00;
bme->pressure=0.0;
bme->temperature=25.0;
bme->humidity=0.0;
bme->bmeAddress=0x00;
bme->caliPara.t_fine=0;
if(!ObjectIsValid(bme))
{
return;
}
while(try_count--)
{
ReadBME680Register(bme,REG_BME680_ID,®Value,1);
bme->chipID=regValue;
if(0x61==bme->chipID)
{
BME680SoftReset(bme);
break;
}
}
if(try_count)
{
uint8_t waitTime;
waitTime=CalcProfileDuration(bme,duration,osrs_t,osrs_p,osrs_h);
//控制寄存器配置
ConfigControlRegister(bme,filter,spi3W_en,osrs_t,osrs_p,spi3wint_en,osrs_h,run_gas,nb_conv,heat_off,waitTime,tempTarget);
//讀取校準值
GetBME680CalibrationData(bme);
}
}2.2、對象操作
每一個對象都有操作，我們使用對象的目的當然是通過操作對象來獲取我們需要的數據。所以開發驅動時，對象的操作纔是我們主要的工作內容。在這裏對BME680的操作就是對其寄存器的操作。
2.2.1、寫寄存器操作
我們已經說過了，對BME680的操作都是通過讀寫寄存器實現的。這裏我們先來看寫寄存器。在I2C接口方式下，寫寄存器操作是在從站地址的最後一位來識別的，再加上要寫的寄存器地址和數據來實現的，這也是I2C協議的標準做法。其時序圖如下所示：
而在SPI接口方式下，由於SPI並未有設備地址，也不存在用從還在那地址最後爲來標記讀寫的模式。通常一些設備需要定義操作碼來實現讀寫區分，但BME680採取了將寄存器地址的最高位置零表示爲寫。之所以可以這樣定義，是因爲BME680寄存器地址分配的特殊性決定的。改變寄存器地址的最高位也能區分不同的寄存器，絕不會重複。在SPI接口方式下，寫寄存器的時序圖如下所示：
根據上述描述和時序圖，我們可以實現寫BME680環境傳感器寄存器的程序。
/* 向BME680寄存器寫一個字節 */
static void WriteBME680Register(BME680ObjectType *bme,uint8_t regAddress,uint8_t command)
{
if(ObjectIsValid(bme))
{
if(bme->port==BME680_SPI)
{
bme->ChipSelect(BME680CS_Enable);
bme->Delayms(1);
SetMemeryPageNumber(bme,regAddress);
regAddress&=0x7F;
bme->Delayms(1);
bme->Write(bme,regAddress,command);
bme->Delayms(1);
bme->ChipSelect(BME680CS_Disable);
}
else
{
bme->Write(bme,regAddress,command);
}
}
}2.2.2、讀寄存器操作
讀寄存器的處理方式與寫寄存器是類似。在I2C接口方式下，將從站地址的最低位置1來表示讀。在I2C接口方式下，讀寄存器的時序圖如下所示：
而在SPI接口方式下，通過將寄存器地址的最改爲置1來標識爲讀操作。事實上，所有寄存器地址的最高爲都是1，所以在讀操作時實際不需要做處理。在SPI接口方式下，讀寄存器的時序圖如下所示：
根據上述描述和時序圖，我們可以實現讀BME680環境傳感器寄存器的程序。
/*從BME680寄存器讀取數據*/
static uint8_t ReadBME680Register(BME680ObjectType *bme,uint8_t regAddress,uint8_t *rDatas,uint16_t rSize)
{
uint8_t bmeError=0xFF;
if(ObjectIsValid(bme))
{
if(bme->port==BME680_SPI)
{
bme->ChipSelect(BME680CS_Enable);
bme->Delayms(1);
SetMemeryPageNumber(bme,regAddress);
regAddress |= 0x80;
bme->Delayms(1);
bme->Read(bme,regAddress,rDatas,rSize);
bme->Delayms(1);
bme->ChipSelect(BME680CS_Disable);
}
else
{
bme->Read(bme,regAddress,rDatas,rSize);
}
bmeError=0x00;
}
return bmeError;
}3、驅動的使用
上一節我們設計並實現了BME680環境傳感器的驅動程序，但這個驅動設計的是否合理還不確定，所以我們來設計一個簡單的應用驗證BME680環境傳感器的驅動。
3.1、聲明並初始化對象
使用基於對象的操作我們需要先得到這個對象，所以我們先要使用前面定義的BME680環境傳感器對象類型聲明一個BME680環境傳感器對象變量，具體操作格式如下：
BME680ObjectType bme680;
聲明瞭這個對象變量並不能立即使用，我們還需要使用驅動中定義的初始化函數對這個變量進行初始化。這個初始化函數所需要的輸入參數如下：
BME680ObjectType *bme，BMP680對象
uint8_t bmeAddress，I2C接口是設備地址
BME680PortType port，接口選擇
BME680IIRFilterType filter，過濾器
BME680SPI3wUseType spi3W_en，3線SPI控制
BME680TempSampleType osrs_t，溫度精度
BME680PresSampleType osrs_p，壓力精度
BME680SPI3wIntType spi3wint_en，3線SPI中斷控制
BME680HumiSampleType osrs_h，溼度精度
BME680GasRunType run_gas，氣體運行設置
BME680HeaterSPType nb_conv，加熱器設定點選擇
BME680HeaterOffType heat_off，加熱器關閉
uint16_t duration，TPHG測量循環週期，ms單位
uint8_t tempTarget，加熱器的目標溫度
BME680Read Read，讀數據操作指針
BME680Write Write，寫數據操作指針
BME680Delayms Delayms，延時操作指針
BME680ChipSelect ChipSelect，片選操作指針
對於這些參數，對象變量我們已經定義了。其他的參數基本都是配置參數，我們根據實際使用需求選擇輸入就好了。主要的是我們需要定義幾個函數，並將函數指針作爲參數。這幾個函數的類型如下：
/* 定義讀數據操作函數指針類型 */
typedef void (*BME680Read)(struct BME680Object *bme,uint8_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize);
/* 定義寫數據操作函數指針類型 */
typedef void (*BME680Write)(struct BME680Object *bme,uint8_t regAddress,uint8_t command);
/* 定義延時操作函數指針類型 */
typedef void (*BME680Delayms)(volatile uint32_t nTime);
/* 定義使用SPI接口時，片選操作函數指針類型 */
typedef void (*BME680ChipSelect)(BME680CSType cs);對於這幾個函數我們根據樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬件平臺有關係。若採用的SPI接口則需注意片選操作，片選操作函數用於多設備需要軟件操作時，如採用硬件片選可以傳入NULL即可。同樣如果採用的是I2C接口，則片選可以傳入NULL即可。具體函數定義如下：
/*讀BME680寄存器值*/
static void ReadDataFromBME680(BME680ObjectType *bme680,uint8_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize)
{
HAL_I2C_Master_Transmit(&bme680hi2c, bme680->bmeAddress,®Address,1,1000);
HAL_I2C_Master_Receive(&bme680hi2c, bme680->bmeAddress+1,rData, rSize, 1000);
}
/*寫BME680寄存器值*/
static void WriteDataToBME680(BME680ObjectType *bme680,uint8_t regAddress,uint8_t command)
{
uint8_t pData[2];
pData[0]=regAddress;
pData[1]=command;
HAL_I2C_Master_Transmit(&bme680hi2c,bme680->bmeAddress, pData, 2,1000);
}對於延時函數我們可以採用各種方法實現。我們採用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函數。於是我們可以調用初始化函數如下：
BME680Initialization(&bme680, //BME280對象
0xEC, //I2C接口是設備地址
BME680_I2C, //接口選擇
BME680_IIR_FILTER_COEFF_X127, //過濾器
BME680_SPI3W_DISABLE, //3線SPI控制
BME680_TEMP_SAMPLE_X16, //溫度精度
BME680_PRES_SAMPLE_X16, //壓力精度
BME680_SPI3W_INT_DISABLE, ///3線SPI中斷使能
BME680_HUMI_SAMPLE_X16, //溼度精度
BME680_GAS_RUN_ENABLE,//氣體運行設置
BME680_HEATER_SP0,//加熱器設定點選擇
BME680_HEATER_DISABLE,//加熱器關閉
20,//TPHG測量循環週期，ms單位
200,//加熱器的目標溫度
ReadDataFromBME680, //讀數據操作指針
WriteDataToBME680, //寫數據操作指針
HAL_Delay, //延時操作指針
NULL //片選操作指針
);3.2、基於對象進行操作
我們定義了對象變量並使用初始化函數給其作了初始化。接着我們就來考慮操作這一對象獲取我們想要的數據。我們在驅動中已經將獲取數據並轉換爲轉換值的比例值，接下來我們使用這一驅動開發我們的應用實例。
/*獲取環境數據*/
void BME680GetEnvironmentalData(void)
{
float pressure; //壓力值
float temperature; //溫度值
float humidity; //溼度值
float gasResistance; //氣體電阻
GetBME680Measure(&bme680);
pressure=bme680.pressure;
temperature=bme680.temperature;
humidity=bme680.humidity;
gasResistance=bme680.gasResistence;
}4、應用總結
我們設計並實現了BME680環境傳感器的驅動程序，並基於這一驅動程序設計了簡單的應用。我們獲得了BME680檢測的全部環境數據，結果也是令我們滿意的，這說明我們的驅動設計是正確的。
在使用驅動時需注意，採用SPI接口的器件需要考慮片選操作的問題。如果片選信號是通過硬件電路來實現的，我們在初始化時給其傳遞NULL值。如果是軟件操作片選則傳遞我們編寫的片選操作函數。而如果採用I2C接口，那麼在初始化時也應傳遞NULL值。
BME680環境傳感器支持SPI和I2C兩種接口，而且SPI也支持3線和4線模式，但我們在測試應用中只使用了I2C接口，SPI接口還有待測試。BME680環境傳感器在使用SPI接口時，支持SPI模式0（CPOL=CPHA=0）和模式3（CPOL=CPHA=1）。而在使用I2C接口時，支持標準模式、快速模式以及高速模式。而且在使用I2C接口時，SDO引腳必須接高電平或低電平，以確定設備地址。
BME680環境傳感器有2種工作模式：休眠模式和強制模式。在設備上電後就進入休眠模式，在這種模式下設備不執行測量工作。一旦啓動強制模式則執行一遍TPHG循環檢測。模式設定的具體定義如下：
對於BME680環境傳感器有一個測量範圍寄存器，這個寄存器的值對應兩組計算常數，這下常數用於測量值的計算，具體如下：
總的來說對BME680環境傳感器的讀寫操作本身並不複雜，但其計算與修正關係卻相對複雜，特別是氣體質量數據更應注意。
源碼下載：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver
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