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、濕度以及空氣質量等資料，在這一篇中，我們將分析BME680環境傳感器的功能，并設計和實作BME680環境傳感器的驅動，

1、功能概述

BME680是一款專為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、硬體介面

BME680由一個8針金屬蓋3.0 x 3.0 x0.93mm3LGA封裝組成，旨在根據特定的作業模式，長期穩定性和高EMC穩健性進行優化消耗，可以選擇采用I2C介面或者SPI介面，其管腳排布如下圖：

BME680環境傳感器可以選擇使用I2C介面或者SPI介面，在不同的介面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，采用的是I2C介面，此時I2C的設備地址的最后一位由SDO引腳的電平決定，所以設備地址計7位為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介面，SPI介面支持模式0（CPOL=0，CPHA=0）和模式3（CPOL=1，CPHA=1），同時支持3線SPI和4線SPI，控制位元組的最高位為0時表示寫，為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，濕度和溫度傳感器，

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，家具等的揮發性有機化合物（VOC），大氣質量傳感器的特性引數如下：

BME680采用了博世軟體環境群組解決方案，該解決方案使用智能算術方法將空氣質量索引（IAQ）作為輸出，該指標將IAQ劃分為0到500的索引數值用以指示IAQ，具體劃分如下所示：

1.2.2、濕度傳感器

BME680集成了濕度傳感器用于外部環境中濕度資料的采集，濕度傳感器的性能引數如下：

1.2.3、壓力傳感器

BME680集成有大氣壓力傳感器用于檢測外部環境的絕對壓力，壓力傳感器的性能引數如下：

1.2.4、溫度傳感器

BME680也集成了溫度傳感器用以檢測溫度資料，溫度資料除了指示環境溫度外，同時用于壓力和濕度的補償計算，溫度傳感器的性能引數如下：

1.3、資料存盤結構

BME680采用特定的存盤器區域來存盤控制及資料資訊，存盤的資料包括測量資料、控制資訊以及校準資料，

對于溫度傳感器，包括3個校準引數和一個ADC測量資料，其測量資料和校準資料的存盤結構及地址如下：

對于壓力傳感器，包括10個計算校準資料和一個ADC轉換資料，其測量資料的校準資料存盤結構及地址如下：

對于濕度傳感器，包括7個計算校準資料和一個ADC轉換資料，其測量資料的校準資料存盤結構及地址如下：

大氣質量傳感器，包括3個計算校準資料、一個加熱器范圍存盤資料、一個加熱器電阻校準因子存盤資料、氣體ADC測量資料、氣體范圍資料以及范圍轉換錯誤，其測量資料的校準資料存盤結構及地址如下：

BME680環境傳感器暫存器都是8位的，所有的操作均通過對暫存器的讀寫來實作，全部控制暫存器及資料暫存器的結構和地址如下：

這里我們需要說明一下，BME680的存盤器地址范圍是0x00~0xFF，在I2C介面通訊時，通訊采用的是8位暫存器地址正好符合對應的尋址范圍，但是采用SPI介面通訊時，暫存器地址的最高為被用于區分讀寫操作，所以地址只有7位，存盤空間被分為2頁，具體如下：

所以在使用SPI介面時需要分辨是哪一頁，當前操作的是哪一頁由Status暫存器來決定，

2、驅動設計與實作

我們對BME680環境傳感器的基本情況已經有了整體了解，接下來我們將為BME680環境傳感器設計并實作驅動程式，

2.1、物件定義

我們依然是采用基于物件的操作，所以我們需要定義物件，所以我們需要抽象出物件型別，并對我們想要操作的物件進行初始化，

2.1.1、物件抽象

對于一個物件來說，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環境傳感器的物件，

我們需要從BME680物件抽象出其屬性，這些屬性能夠定義一個物件的特點并將其與其它物件區別開來，BME680支持SPI通訊和I2C通訊，所以我們將通訊埠作為屬性以規定物件的通訊方式，在使用I2C時，設備有地址以區別不同的設備，所以我們將I2C設備地址也定義為屬性，每臺BME680都有一個ID用以區別于其它設備，所以我們將它定義為物件的屬性，還有配置暫存器、測量控制暫存器、濕度控制暫存器、氣體控制暫存器都記錄了設備的配置狀態，所以我們也將它們作為屬性，每臺設備都有特定的校準資料，這些校準資料每次資料檢測都是需要的，所以我們用屬性將它們記錄下來，還有測量資料，它們標識了設備當前的作業狀態，所以我們將它們也作為屬性，

接下來我們分析BME680的操作，首先來講，我們肯定要與BME680互動，但我們對BME680的讀寫依賴于具體的硬體平臺，所以我們將它們作為物件的操作，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于具體的軟硬體平臺，所以我們將延時處理作為物件的操作，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于硬體平臺，我們將對片選的操作定義為物件的操作函式，

根據上述的分析，我們可以得到BME680環境傳感器的物件型別如下：

/*定義BME680操作物件*/
typedef struct BME680Object{
       uint8_t chipID;       //芯片ID
       uint8_t bmeAddress;         //I2C通訊時的設備地址
       uint8_t memeryPage;       //用于在SPI介面時記錄當前所處的記憶體頁
       uint8_t config;                         //配置暫存器
       uint8_t ctrlMeas;                 //測量控制暫存器
       uint8_t ctrlHumi;              //濕度測量控制暫存器
       uint8_t ctrlGas0;               //氣體控制暫存器0
       uint8_t ctrlGas1;               //氣體控制暫存器1
       uint8_t resHeat;
       uint8_t gasWait;
      
       BME680PortType port;                                              //介面選擇
       BME680CalibParamType caliPara;   //校準引數

#if BME680_COMPENSATION_SELECTED > (0)
       int32_t temperature;         //溫度值
       int32_t pressure;                      //壓力值
       int32_t humidity;                     //濕度值
       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;                         //濕度值
       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);       //讀資料操作指標
       void (*Write)(struct BME680Object *bme,uint8_t regAddress,uint8_t command);    //謝資料操作指標
       void (*Delayms)(volatile uint32_t nTime);       //延時操作指標
       void (*ChipSelect)(BME680CSType cs);    //使用SPI介面時，片選操作
}BME680ObjectType;

片選操作有一點需要注意，如果片選信號在硬體電路上固定有效時，可以將NULL給它，同樣在SPI介面時也需要將NULL給它，

2.1.2、物件初始化函式

一個物件必須對其進行初始化才可使用，初始化物件主要有四個方面的內容：檢查物件賦值的合法性；屬性賦初值；為物件操作指定函式指標；物件所指向設備的初始配置，據此我們可以撰寫BME680環境傳感器的初始化函式如下：

/*實作BME680初始化配置*/
void BME680Initialization(BME680ObjectType *bme,       //BMP280物件
                          uint8_t bmeAddress,         //I2C介面是設備地址
                          BME680PortType port,    //介面選擇
                          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,       //濕度精度
                          BME680GasRunType run_gas,      //氣體運行設定
                          BME680HeaterSPType nb_conv,  //加熱器設定點選擇
                          BME680HeaterOffType heat_off, //加熱器關閉
                          uint16_t duration,      //TPHG測量回圈周期，ms單位
                          uint8_t tempTarget,   //加熱器的目標溫度
                          BME680Read Read,  //讀資料操作指標
                          BME680Write Write,       //寫資料操作指標
                          BME680Delayms Delayms,           //延時操作指標
                          BME680ChipSelect ChipSelect     //片選操作指標
                          )
{
       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,&regValue,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);
             
              //控制暫存器配置
              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、物件操作

每一個物件都有操作，我們使用物件的目的當然是通過操作物件來獲取我們需要的資料，所以開發驅動時，物件的操作才是我們主要的作業內容，在這里對BME680的操作就是對其暫存器的操作，

2.2.1、寫暫存器操作

我們已經說過了，對BME680的操作都是通過讀寫暫存器實作的，這里我們先來看寫暫存器，在I2C介面方式下，寫暫存器操作是在從站地址的最后一位來識別的，再加上要寫的暫存器地址和資料來實作的，這也是I2C協議的標準做法，其時序圖如下所示：

而在SPI介面方式下，由于SPI并未有設備地址，也不存在用從還在那地址最后為來標記讀寫的模式，通常一些設備需要定義操作碼來實作讀寫區分，但BME680采取了將暫存器地址的最高位置零表示為寫，之所以可以這樣定義，是因為BME680暫存器地址分配的特殊性決定的，改變暫存器地址的最高位也能區分不同的暫存器，絕不會重復，在SPI介面方式下，寫暫存器的時序圖如下所示：

根據上述描述和時序圖，我們可以實作寫BME680環境傳感器暫存器的程式，

/* 向BME680暫存器寫一個位元組 */
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、讀暫存器操作

讀暫存器的處理方式與寫暫存器是類似，在I2C介面方式下，將從站地址的最低位置1來表示讀，在I2C介面方式下，讀暫存器的時序圖如下所示：

而在SPI介面方式下，通過將暫存器地址的最改為置1來標識為讀操作，事實上，所有暫存器地址的最高為都是1，所以在讀操作時實際不需要做處理，在SPI介面方式下，讀暫存器的時序圖如下所示：

根據上述描述和時序圖，我們可以實作讀BME680環境傳感器暫存器的程式，

/*從BME680暫存器讀取資料*/
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

上一節我們設計并實作了BME680環境傳感器的驅動程式，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、宣告并初始化物件

使用基于物件的操作我們需要先得到這個物件，所以我們先要使用前面定義的BME680環境傳感器物件型別宣告一個BME680環境傳感器物件變數，具體操作格式如下：

BME680ObjectType bme680;

宣告了這個物件變數并不能立即使用，我們還需要使用驅動中定義的初始化函式對這個變數進行初始化，這個初始化函式所需要的輸入引數如下：

BME680ObjectType *bme，BMP680物件

uint8_t bmeAddress，I2C介面是設備地址

BME680PortType port，介面選擇

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，濕度精度

BME680GasRunType run_gas，氣體運行設定

BME680HeaterSPType nb_conv，加熱器設定點選擇

BME680HeaterOffType heat_off，加熱器關閉

uint16_t duration，TPHG測量回圈周期，ms單位

uint8_t tempTarget，加熱器的目標溫度

BME680Read Read，讀資料操作指標

BME680Write Write，寫資料操作指標

BME680Delayms Delayms，延時操作指標

BME680ChipSelect ChipSelect，片選操作指標

對于這些引數，物件變數我們已經定義了，其他的引數基本都是配置引數，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式，并將函式指標作為引數，這幾個函式的型別如下：

/* 定義讀資料操作函式指標型別 */
typedef void (*BME680Read)(struct BME680Object *bme,uint8_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize);
/* 定義寫資料操作函式指標型別 */
typedef void (*BME680Write)(struct BME680Object *bme,uint8_t regAddress,uint8_t command);
/* 定義延時操作函式指標型別 */
typedef  void (*BME680Delayms)(volatile uint32_t nTime);
/* 定義使用SPI介面時，片選操作函式指標型別 */
typedef  void (*BME680ChipSelect)(BME680CSType cs);

對于這幾個函式我們根據樣式定義就可以了，具體的操作可能與使用的硬體平臺有關系，若采用的SPI介面則需注意片選操作，片選操作函式用于多設備需要軟體操作時，如采用硬體片選可以傳入NULL即可，同樣如果采用的是I2C介面，則片選可以傳入NULL即可，具體函式定義如下：

/*讀BME680暫存器值*/
static void ReadDataFromBME680(BME680ObjectType *bme680,uint8_t regAddress,uint8_t *rData,uint16_t rSize)
{
  HAL_I2C_Master_Transmit(&bme680hi2c, bme680->bmeAddress,&regAddress,1,1000);
 
  HAL_I2C_Master_Receive(&bme680hi2c, bme680->bmeAddress+1,rData, rSize, 1000);
}

/*寫BME680暫存器值*/
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);
}

對于延時函式我們可以采用各種方法實作，我們采用的STM32平臺和HAL庫則可以直接使用HAL_Delay()函式，于是我們可以呼叫初始化函式如下：

BME680Initialization(&bme680,  //BME280物件
                     0xEC,           //I2C介面是設備地址
                     BME680_I2C,    //介面選擇
                     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,         //濕度精度
                     BME680_GAS_RUN_ENABLE,//氣體運行設定
                     BME680_HEATER_SP0,//加熱器設定點選擇
                     BME680_HEATER_DISABLE,//加熱器關閉
                     20,//TPHG測量回圈周期，ms單位
                     200,//加熱器的目標溫度
                     ReadDataFromBME680,  //讀資料操作指標
                     WriteDataToBME680,     //寫資料操作指標
                     HAL_Delay,                     //延時操作指標
                     NULL                                //片選操作指標
                     );

3.2、基于物件進行操作

我們定義了物件變數并使用初始化函式給其作了初始化，接著我們就來考慮操作這一物件獲取我們想要的資料，我們在驅動中已經將獲取資料并轉換為轉換值的比例值，接下來我們使用這一驅動開發我們的應用實體，

/*獲取環境資料*/
void BME680GetEnvironmentalData(void)
{
       float pressure;                //壓力值
       float temperature;             //溫度值
       float humidity;                //濕度值
       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

我們設計并實作了BME680環境傳感器的驅動程式，并基于這一驅動程式設計了簡單的應用，我們獲得了BME680檢測的全部環境資料，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，采用SPI介面的器件需要考慮片選操作的問題，如果片選信號是通過硬體電路來實作的，我們在初始化時給其傳遞NULL值，如果是軟體操作片選則傳遞我們撰寫的片選操作函式，而如果采用I2C介面，那么在初始化時也應傳遞NULL值，

BME680環境傳感器支持SPI和I2C兩種介面，而且SPI也支持3線和4線模式，但我們在測驗應用中只使用了I2C介面，SPI介面還有待測驗，BME680環境傳感器在使用SPI介面時，支持SPI模式0（CPOL=CPHA=0）和模式3（CPOL=CPHA=1），而在使用I2C介面時，支持標準模式、快速模式以及高速模式，而且在使用I2C介面時，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種作業模式：休眠模式和強制模式，在設備上電后就進入休眠模式，在這種模式下設備不執行測量作業，一旦啟動強制模式則執行一遍TPHG回圈檢測，模式設定的具體定義如下：

對于BME680環境傳感器有一個測量范圍暫存器，這個暫存器的值對應兩組計算常數，這下常數用于測量值的計算，具體如下：

總的來說對BME680環境傳感器的讀寫操作本身并不復雜，但其計算與修正關系卻相對復雜，特別是氣體質量資料更應注意，

原始碼下載：https://github.com/foxclever/ExPeriphDriver

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