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树莓派开发笔记(七)：GPIO口的SPI使用(BME280三合一传感器)

前话

前面介绍了UART的使用，本章节我们开发GPIO口的SPI使用，连接BME280三合一传感器，采集气压、温度、湿度，计算海拔高度。

Demo：GPIO口的SPI通讯

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性。

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入）、SDO（数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。

（1）SDI – SerialData In,串行数据输入；

（2）SDO – SerialData Out,串行数据输出；

（3）SCLK – SerialClock,时钟信号，由主设备产生；

（4）CS – Chip Select,从设备使能信号，由主设备控制，注意：如果示波器测量不到，请降低频率到10000；SPI在发送接收数据的时候CS片选才会拉低生效。

其中，CS是从芯片是否被主芯片选中的控制信号，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），主芯片对此从芯片的操作才有效。这就使在同一条总线上连接多个SPI设备成为可能。

负责通讯的3根线SDI、SDO、SCLK。通讯是通过数据交换完成的，SPI是串行通讯协议，数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCLK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。因此，至少需要8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），才能完成8位数据的传输。

SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。

SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

BME280

BME280是一款集成温度、湿度、气压，三位一体的环境传感器。具有高精度，多功能，小尺寸等特点，如下图：

BME280模块，设备地址默认为0x77。下面是读取数据的指令，数据的读出是从0xf7到0xfc读做（温度和压力）或从0xf7到0xfe（温度、压力、湿度等）数据以无符号形式读出。

控制指令集，如下图：

读取数据指令集，分为压力，温度，适度，如下图：

BME280的SPI写入方法（特别注意）

查看数据手册，我们看到BME280的写入方法，需要将第七位置0。

如上图，读取F4h则发送F4h,写入F4h则是发送4h。

开启树莓派SPI接口

sudo raspi-config

按照下图步骤选取

然后重启。

查看系统是否启动spi，如下图：

电路原理图

关键代码

初始化代码

MainWindow::MainWindow(QWidget *parent) :
    QMainWindow(parent),
    ui(new Ui::MainWindow)
{
    ui->setupUi(this);
    _bme280ForSpi.initPressureTemperatureMode();
    _bme280ForSpi.initHumidity();
    startTimer(1000);
}

每隔1s获取一次

void MainWindow::timerEvent(QTimerEvent *event)
{
    Q_UNUSED(event);
    ui->label_i2cP->setText(QString("%1 Pa").arg(_bme280ForSpi.getPressure()));
    ui->label_i2cT->setText(QString("%1 ℃").arg(_bme280ForSpi.getTemperatureC()));
    ui->label_i2cH->setText(QString("%1 %").arg(_bme280ForSpi.getHumidity()));
    ui->label_i2cA->setText(QString("%1 m").arg(_bme280ForSpi.getAltitudeMeters()));
}

模块代码

bme280forspi.h

#ifndef BME280FORSPI_H
#define BME280FORSPI_H
#include <QObject>
#include "spi.h"
//Register names:
#define BME280_DIG_T1_LSB_REG			0x88
#define BME280_DIG_T1_MSB_REG			0x89
#define BME280_DIG_T2_LSB_REG			0x8A
#define BME280_DIG_T2_MSB_REG			0x8B
#define BME280_DIG_T3_LSB_REG			0x8C
#define BME280_DIG_T3_MSB_REG			0x8D
#define BME280_DIG_P1_LSB_REG			0x8E
#define BME280_DIG_P1_MSB_REG			0x8F
#define BME280_DIG_P2_LSB_REG			0x90
#define BME280_DIG_P2_MSB_REG			0x91
#define BME280_DIG_P3_LSB_REG			0x92
#define BME280_DIG_P3_MSB_REG			0x93
#define BME280_DIG_P4_LSB_REG			0x94
#define BME280_DIG_P4_MSB_REG			0x95
#define BME280_DIG_P5_LSB_REG			0x96
#define BME280_DIG_P5_MSB_REG			0x97
#define BME280_DIG_P6_LSB_REG			0x98
#define BME280_DIG_P6_MSB_REG			0x99
#define BME280_DIG_P7_LSB_REG			0x9A
#define BME280_DIG_P7_MSB_REG			0x9B
#define BME280_DIG_P8_LSB_REG			0x9C
#define BME280_DIG_P8_MSB_REG			0x9D
#define BME280_DIG_P9_LSB_REG			0x9E
#define BME280_DIG_P9_MSB_REG			0x9F
#define BME280_DIG_H1_REG				0xA1
#define BME280_CHIP_ID_REG				0xD0 //Chip ID Online value is 0x60 all the time
#define BME280_RST_REG					0xE0 //Softreset Reg
#define BME280_DIG_H2_LSB_REG			0xE1
#define BME280_DIG_H2_MSB_REG			0xE2
#define BME280_DIG_H3_REG				0xE3
#define BME280_DIG_H4_MSB_REG			0xE4
#define BME280_DIG_H4_LSB_REG			0xE5
#define BME280_DIG_H5_MSB_REG			0xE6
#define BME280_DIG_H6_REG				0xE7
#define BME280_CTRL_HUMIDITY_REG		0xF2 //Ctrl Humidity Reg
#define BME280_STAT_REG					0xF3 //Status Reg
#define BME280_CTRL_MEAS_REG			0xF4 //Ctrl Measure Reg
#define BME280_CONFIG_REG				0xF5 //Configuration Reg
#define BME280_PRESSURE_MSB_REG			0xF7 //Pressure MSB
#define BME280_PRESSURE_LSB_REG			0xF8 //Pressure LSB
#define BME280_PRESSURE_XLSB_REG		0xF9 //Pressure XLSB
#define BME280_TEMPERATURE_MSB_REG		0xFA //Temperature MSB
#define BME280_TEMPERATURE_LSB_REG		0xFB //Temperature LSB
#define BME280_TEMPERATURE_XLSB_REG		0xFC //Temperature XLSB
#define BME280_HUMIDITY_MSB_REG			0xFD //Humidity MSB
#define BME280_HUMIDITY_LSB_REG			0xFE //Humidity LSB

class BME280ForSpi : public QObject
{
    Q_OBJECT
public:
    enum PRESSURE_OVERSAMPLING
    {
        PRESSURE_OVERSAMPLING_SKIPPED         = 0x00,
        PRESSURE_OVERSAMPLING_PLUS_ONE        = 0x01,
        PRESSURE_OVERSAMPLING_PLUS_TWO        = 0x02,
        PRESSURE_OVERSAMPLING_PLUS_FOUR       = 0x03,
        PRESSURE_OVERSAMPLING_PLUS_EIGHT      = 0x04,
        PRESSURE_OVERSAMPLING_PLUS_SIXTEEN    = 0x05
    };
    enum TEMPERATURE_OVERSAMPLING
    {
        TEMPERATURE_OVERSAMPLING_SKIPPED      = 0x00,
        TEMPERATURE_OVERSAMPLING_PLUS_ONE     = 0x01,
        TEMPERATURE_OVERSAMPLING_PLUS_TWO     = 0x02,
        TEMPERATURE_OVERSAMPLING_PLUS_FOUR    = 0x03,
        TEMPERATURE_OVERSAMPLING_PLUS_EIGHT   = 0x04,
        TEMPERATURE_OVERSAMPLING_PLUS_SIXTEEN = 0x05
    };
    enum MODE_OF_PRESSURE_TEMPERATUR
    {
        MODE_OF_PRESSURE_TEMPERATUR_SLEEP     = 0x00,
        MODE_OF_PRESSURE_TEMPERATUR_FORCED    = 0x01,
        MODE_OF_PRESSURE_TEMPERATUR_MORMAL    = 0x03
    };
    enum HUMIDITY_OVERSAMPLING
    {
        HUMIDITY_OVERSAMPLING_SKIPPED        = 0x00,
        HUMIDITY_OVERSAMPLING_PLUS_ONE       = 0x01,
        HUMIDITY_OVERSAMPLING_PLUS_TWO       = 0x02,
        HUMIDITY_OVERSAMPLING_PLUS_FOUR      = 0x03,
        HUMIDITY_OVERSAMPLING_PLUS_EIGHT     = 0x04,
        HUMIDITY_OVERSAMPLING_PLUS_SIXTEEN   = 0x05
    };
    struct Calibration
    {
        uint16_t dig_T1;
        int16_t dig_T2;
        int16_t dig_T3;

        uint16_t dig_P1;
        int16_t dig_P2;
        int16_t dig_P3;
        int16_t dig_P4;
        int16_t dig_P5;
        int16_t dig_P6;
        int16_t dig_P7;
        int16_t dig_P8;
        int16_t dig_P9;

        uint8_t dig_H1;
        int16_t dig_H2;
        uint8_t dig_H3;
        int16_t dig_H4;
        int16_t dig_H5;
        uint8_t dig_H6;
    };
public:
    explicit BME280ForSpi(QObject *parent = 0);
    bool isOnline();
    void initPressureTemperatureMode(
            PRESSURE_OVERSAMPLING p = PRESSURE_OVERSAMPLING_PLUS_ONE,
            TEMPERATURE_OVERSAMPLING t = TEMPERATURE_OVERSAMPLING_PLUS_ONE,
            MODE_OF_PRESSURE_TEMPERATUR m = MODE_OF_PRESSURE_TEMPERATUR_MORMAL);
    void initHumidity(HUMIDITY_OVERSAMPLING h = HUMIDITY_OVERSAMPLING_PLUS_ONE);
    void reset();
public slots:
    float getTemperatureC();
    float getTemperatureF();
    float getPressure();
    float getHumidity();
    float getAltitudeMeters();
    float getAltitudeFeet();
private:
    Spi _spi;
    Calibration _calibration;
    int32_t _tFine;
    int _channel;
    int _speed;
};
#endif // BME280FORSPI_H

bme280forspi.cpp

#include "bme280forspi.h"
BME280ForSpi::BME280ForSpi(QObject *parent) : QObject(parent)
{
    _spi.init();
    ...
}
bool BME280ForSpi::isOnline()
{
    // according to 0xD0 "id", value is 0x60
    return _spi.readData(BME280_CHIP_ID_REG) == 0x60;
}
void BME280ForSpi::initPressureTemperatureMode(BME280ForSpi::PRESSURE_OVERSAMPLING p, BME280ForSpi::TEMPERATURE_OVERSAMPLING t, BME280ForSpi::MODE_OF_PRESSURE_TEMPERATUR m)
{
    ...
}
void BME280ForSpi::initHumidity(BME280ForSpi::HUMIDITY_OVERSAMPLING h)
{
    uchar uc;
    uc = (uchar)h;
    _spi.writeData(BME280_CTRL_HUMIDITY_REG, uc);
}
void BME280ForSpi::reset()
{
    _spi.writeData(BME280_RST_REG, 0xB6);
}
float BME280ForSpi::getTemperatureC()
{
    ...
    int32_t adc_T = ((uint32_t)_spi.readData(BME280_TEMPERATURE_MSB_REG) << 12) | ((uint32_t)_spi.readData(BME280_TEMPERATURE_LSB_REG) << 4) | ((_spi.readData(BME280_TEMPERATURE_XLSB_REG) >> 4) & 0x0F);
    ...
    output = output / 100;
    return output;
}
float BME280ForSpi::getTemperatureF()
{
    float output = getTemperatureC();
    output = (output * 9) / 5 + 32;
    return output;
}
float BME280ForSpi::getPressure()
{
    int32_t adc_P = ((uint32_t)_spi.readData(BME280_PRESSURE_MSB_REG) << 12) | ((uint32_t)_spi.readData(BME280_PRESSURE_LSB_REG) << 4) | ((_spi.readData(BME280_PRESSURE_XLSB_REG) >> 4) & 0x0F);

    int64_t var1, var2, p_acc;
    ...
    return (float)p_acc;
}
float BME280ForSpi::getHumidity()
{
    ...
    int32_t adc_H = ((uint32_t)_spi.readData(BME280_HUMIDITY_MSB_REG) << 8) | ((uint32_t)_spi.readData(BME280_HUMIDITY_LSB_REG));
    ...
    return (float)((var1>>12) >> 10);
}
float BME280ForSpi::getAltitudeMeters()
{
    ...
    return heightOutput;
}
float BME280ForSpi::getAltitudeFeet()
{
    ...
    heightOutput = getAltitudeMeters() * 3.28084;
    return heightOutput;
}

SPI模块代码

spi.h

class Spi : public QObject
{
    Q_OBJECT
public:
    enum CHOICE {
        CHOICE_CE0 = 0x00,
        CHOICE_CE1 = 0x01
    };
public:
    explicit Spi(QObject *parent = 0);
    bool init(CHOICE c = CHOICE_CE0, int speed = 500000);
signals:
public slots:
    void writeData(int reg, uchar data);
    uchar readData(int reg);
private:
    int _fd;
    int _channel;
    int _speed;
}; 
#endif // SPI_H

spi.cpp

#include "spi.h"
#include "wiringPi.h"
#include "wiringPiSPI.h"
#include <QDebug>
#include <QByteArray>
Spi::Spi(QObject *parent)
    : QObject(parent)
{
    wiringPiSetup();
    …
}
bool Spi::init(Spi::CHOICE c, int speed)
{
    …
    _fd = wiringPiSPISetup(_channel, _speed);
    …
}

void Spi::writeData(int reg, uchar data)
{
    …
    ret = wiringPiSPIDataRW(_channel, ch, 2);
}

uchar Spi::readData(int reg)
{
    …
    wiringPiSPIDataRW(_channel, data, 3);
    …
}

运行效果（可参照Demo5的运行效果）

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