MS5611气压计数据采集(模拟IIC)/温度采集/相对高度求解

2024-02-14 13:14:46

MS5611气压计数据采集(模拟IIC)/温度采集/相对高度求解

1、 MS5611气压计属性

1.1 基础属性

MS5611使用24位ADC,可以采集温度和气压，并且温度可以用来补偿气压，并且MS5611在出厂时进行了校准，校准的6个系数存储在PROM寄存器中， PROM寄存器其实地址0XA0, 从0xA0到0XAE, 一共16字节，一共16*8 = 128位，其中每两个字节为一个系数：
第一个系数：制造商定的，我们不用在意
第二到第七个系数：我们需要读取，后面用于气压计计算
第八个系数：CRC

1.2 5个命令（COMMANDS）

分别是：
1、复位
2、读取PROM
3、D1转换, 其实就是设置读取气压的一些参数，然后MS5611会返回24字节（下文会说明）
4、D2转换，其实就是设置读取温度的一些参数
5、读取ADC中的数据

1.3 SPI和IIC接口

IIC模式：PS拉高
SPI模式：PS拉低
本实验用的是模拟IIC读取数据
IIC模式中CSB拉低时, IIC从设备地址为0111 0111, CSB拉高时，IIC设备地址为0111 0110

2、温度气压读取

IIC开始、结束、等待ack、读取发送函数等（参考匿名）

#define MS5611_ADDR             0x77   //0xee //
#define CMD_RESET               0x1E // ADC reset command
#define CMD_ADC_READ            0x00 // ADC read command
#define CMD_ADC_CONV            0x40 // ADC conversion command
#define CMD_ADC_D1              0x00 // ADC D1 conversion
#define CMD_ADC_D2              0x10 // ADC D2 conversion
#define CMD_ADC_256             0x00 // ADC OSR=256
#define CMD_ADC_512             0x02 // ADC OSR=512
#define CMD_ADC_1024            0x04 // ADC OSR=1024
#define CMD_ADC_2048            0x06 // ADC OSR=2048
#define CMD_ADC_4096            0x08 // ADC OSR=4096
#define CMD_PROM_RD             0xA0 // Prom read command
#define PROM_NB                 8
#define MS5611_OSR				0x08	//CMD_ADC_4096

//开始信号
int I2c_Soft_Start()
{
	MS5611_IIC_SDA = 1;
	MS5611_IIC_SCL = 1;
	delay_us(4);
	if(!MS5611_READ_SDA)return 0;	//SDA线为低电平则总线忙,退出
	MS5611_IIC_SDA = 0;
	delay_us(4);
	if(MS5611_READ_SDA) return 0;	//SDA线为高电平则总线出错,退出
	MS5611_IIC_SDA = 0;
	delay_us(4);
	return 1;	

}
//结束信号
void I2c_Soft_Stop()
{
	MS5611_IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SDA = 0;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SCL = 1;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SDA = 1;
	delay_us(4);
}
//应答
void I2c_Soft_Ask()
{
	MS5611_IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SDA = 0;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SCL = 1;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);
}
//非应答
void I2c_Soft_NoAsk()
{
	MS5611_IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SDA = 1;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SCL = 1;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);
}
// 等待回复
int I2c_Soft_WaitAsk(void) 	 //返回为:=1无ASK,=0有ASK
{
    u8 ErrTime = 0;
	MS5611_IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SDA = 1;			
	delay_us(4);
	MS5611_IIC_SCL = 1;
	delay_us(4);
	while(MS5611_READ_SDA)
	{
		ErrTime++;
		if(ErrTime>50)
		{
			I2c_Soft_Stop();
			return 1;
		}
	}
	MS5611_IIC_SCL = 0;
	delay_us(4);
	return 0;
}

// IIC发送一个字节
void I2c_Soft_SendByte(u8 SendByte) //数据从高位到低位//
{
    u8 i=8;
    while(i--)
    {
        MS5611_IIC_SCL = 0;
        delay_us(4);
		if(SendByte&0x80)
			MS5611_IIC_SDA = 1;  
		else 
			MS5611_IIC_SDA = 0;   
        SendByte<<=1;
        delay_us(4);
		MS5611_IIC_SCL = 1;
		delay_us(4);
    }
    MS5611_IIC_SCL = 0;
}  

//读1个字节，ack=1时，发送ACK，ack=0，发送NACK
u8 I2c_Soft_ReadByte(u8 ask)  //数据从高位到低位//
{ 
    u8 i=8;
    u8 ReceiveByte=0;

    MS5611_IIC_SDA = 1;				
    while(i--)
    {
		ReceiveByte<<=1;      
		MS5611_IIC_SCL = 0;
		delay_us(4);
		MS5611_IIC_SCL = 1;
		delay_us(4);	
		if(MS5611_READ_SDA)
		{
			ReceiveByte|=0x01;
		}
    }
    MS5611_IIC_SCL = 0;

	if (ask)
		I2c_Soft_Ask();
	else
		I2c_Soft_NoAsk();  
    return ReceiveByte;
} 


// IIC写一个字节数据
u8 IIC_Write_1Byte(u8 SlaveAddress,u8 REG_Address,u8 REG_data)
{
	I2c_Soft_Start();
	I2c_Soft_SendByte(SlaveAddress<<1);   
	if(I2c_Soft_WaitAsk())
	{
		I2c_Soft_Stop();
		return 1;
	}
	I2c_Soft_SendByte(REG_Address);       
	I2c_Soft_WaitAsk();	
	I2c_Soft_SendByte(REG_data);
	I2c_Soft_WaitAsk();   
	I2c_Soft_Stop(); 
	return 0;
}

// IIC读1字节数据
u8 IIC_Read_1Byte(u8 SlaveAddress,u8 REG_Address,u8 *REG_data)
{      		
	I2c_Soft_Start();
	I2c_Soft_SendByte(SlaveAddress<<1); 
	if(I2c_Soft_WaitAsk())
	{
		I2c_Soft_Stop();
		return 1;
	}
	I2c_Soft_SendByte(REG_Address);     
	I2c_Soft_WaitAsk();
	I2c_Soft_Start();
	I2c_Soft_SendByte(SlaveAddress<<1 | 0x01);
	I2c_Soft_WaitAsk();
	*REG_data= I2c_Soft_ReadByte(0);
	I2c_Soft_Stop();
	return 0;
}

2.1 第一步：初始化MS5611

初始化包括：
1、复位
2、读取PROM中的6个关键系数

// 复位
void MS5611_Reset(void)
{
	// MS5611_ADDR：0x77    CMD_RESET:0x1E
    IIC_Write_1Byte(MS5611_ADDR, CMD_RESET, 1);
}
u8 MS5611_Read_Prom(void)
{
	uint8_t rxbuf[2] = { 0, 0 };
	u8 check = 0;
	u8 i;

	for (i = 0; i < PROM_NB; i++)
	{
		check += IIC_Read_nByte(MS5611_ADDR, CMD_PROM_RD + i * 2, 2, rxbuf); // send PROM READ command
		ms5611_prom[i] = rxbuf[0] << 8 | rxbuf[1];
	}
	if(check == PROM_NB)
		return 1;
	else
		return 0;
}

2.2 第二步：获取温度数据

首先发送Convert D1命令，进行相应的配置，再发送ADC Read命令，然后MS5611会返回24位的温度数据，这时候再去读取这些温度数据。

// 写入数据
void MS5611_Start_T(void)
{
	//CMD_ADC_CONV + CMD_ADC_D2 + MS5611_OSR = 0x48
	IIC_Write_1Byte(MS5611_ADDR, CMD_ADC_CONV + CMD_ADC_D2 + MS5611_OSR, 1); // D2 (temperature) conversion start!
}
// 读取24位温度数据
void MS5611_Read_Adc_T(void)
{
	IIC_Read_nByte( MS5611_ADDR, CMD_ADC_READ, 3, t_rxbuf ); // read ADC
}

2.3 第三步：获取气压数据

首先发送Convert D2命令，进行相应的配置，然后再发送ADC Read命令，然后MS5611会返回24位的气压数据，这时候再去读取这些气压数据。

// 写入数据
void MS5611_Start_P(void)
{
	CMD_ADC_CONV + CMD_ADC_D1 + MS5611_OSR = 0x58
  IIC_Write_1Byte(MS5611_ADDR, CMD_ADC_CONV + CMD_ADC_D1 + MS5611_OSR, 1); // D1 (pressure) conversion start!
}
// 读取24位气压数据
void MS5611_Read_Adc_P(void)
{
	IIC_Read_nByte(MS5611_ADDR, CMD_ADC_READ, 3, p_rxbuf); // read ADC
}

3、温度补偿气压

绝对高度(海拔)的求解公式：
H= 44300*(1- (P/P0)^(1/5.256) )
H为高度
P0为标准大气压(≈101Kpa)
P为读取的气压（注意单位得和P0相同）

相对高度(例如飞机起飞前和飞行中的高度差)的求解
这里提供一个思路：
MS5611开机上电一段时间后，读取静止100组数据并转换成海拔，取个平均，这个海拔高度就相当于基准海拔，如果你把MS5611拿高或者拿低，此时的海拔与基准海拔相见就是相对高度。
ps:求相对高度的时候，可以对此时的海拔高度数据进行一个滑动窗滤波，这样求出的相对高度比较平滑。

void MS5611_BaroAltCalculate(void)
{
	float height = 0;
	int64_t off2 = 0, sens2 = 0, delt = 0, f = 0, f2 = 0;
	int32_t temperature = 0, pressure = 0, T2 = 0;
	int32_t dT = 0;
	int64_t off =0, sens =0;
	static int num = 0;
	static int cnt = 0;
	double ms5611SumDat = 0.0;
	
	ms5611_ut = (t_rxbuf[0] << 16) | (t_rxbuf[1] << 8) | t_rxbuf[2]; // 读取的原始温度值
	ms5611_up = (p_rxbuf[0] << 16) | (p_rxbuf[1] << 8) | p_rxbuf[2]; // 读取的原始气压值
		
    dT = ms5611_ut - ((uint32_t)ms5611_prom[5] << 8);
    off = ((uint64_t)ms5611_prom[2] << 16) + (((int64_t)dT * ms5611_prom[4]) >> 7);
    sens = ((uint64_t)ms5611_prom[1] << 15) + (((int64_t)dT * ms5611_prom[3]) >> 8);
	// 实际温度： 2007：20.07 ℃
    temperature = 2000 + (((int64_t)dT * ms5611_prom[6]) >> 23); 
	
    if (temperature < 2000) 
	{ 
		T2 = (dT*dT)>>31;
		delt = temperature - 2000;
		delt = delt * delt;
		off2 = (5 * delt) >> 1;
		sens2 = (5 * delt) >> 2;
        if (temperature < -1500) 
		{ 
            delt = temperature + 1500;
            delt = delt * delt;
            off2  += 7 * delt;
            sens2 += (11 * delt) >> 1;
        }
    }
	temperature -= T2;
    off  -= off2; 
    sens -= sens2;
	
	ms5611Data.temperature = (double)temperature / 100.0;  // ℃
	// 温度补偿后的气压  100009 = 1000.09 mbar = 100009 Pa
    pressure = (((ms5611_up * sens ) >> 21) - off) >> 15; // mbar
	ms5611Data.pressure = (double)pressure / 100.0;
	
	height = (double)((1.0f - pow((double)pressure / 101325.0f, 0.190295f)) * 44330.0f); // meter
	ms5611Data.height = height;
		
	// 求相对高度
	// 上电100个数据后
	if(num > 100) 
	{
		if(cnt < MS5611_WIN_FILTER)
		{
			alt[cnt] = ms5611Data.height;
			cnt++;
		}
		else
		{
			ms5611SumDat = 0.0;
			for(int i=0; i<MS5611_WIN_FILTER-1; i++)
			{
				alt[i] = alt[i+1];
				ms5611SumDat += alt[i];
			}
			alt[cnt-1] = ms5611Data.height;
			ms5611SumDat += alt[cnt-1];
			ms5611CurAlt = ms5611SumDat/MS5611_WIN_FILTER; // 当前100组数据的高度平均
			if(baroCalOk == true)
			{
				ms5611CurAlt -= ms5611StartAlt; // 当前相对高度
			}
		}
		num = 100;
	}
	num++;
}

4、总结

MS5611主要是用于计算高度，比如可以用于四旋翼的定高等。
MS5611求海拔高度的时候，由于受温度，气流等各种因素的影响，最终的结果并不理想，
例如下面是我静止采集的30分钟左右的数据，可以明显看到高度是飘的。
最后30分钟左右是我把ms5611拿上拿下来测试的，所以出现了上图中的波动。

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