MS5611气压传感器的使用

MS5611气压传感器的使用
——中北大学：马政贵
图1 MS5611的电路图
MS5611气压传感器支持SPI和IIC总线接口，为降低通讯时间，选择使用SPI通讯，设计的电路图如图1所示。

根据电路原理图，程序使用SPI总线接口的模式0方式（时钟空闲时为低，数据捕获于第1个时钟沿）。

MS5611内含低功耗的24位ADC，高度分辨率可达10cm。

4.1 MS5611的初始化：
根据数据手册，MS5611在上电之后应发送一次复位指令，用来将出厂校准数据载入相应的寄存器中。

复位完成后，再读取这些出厂校准数据，后续用于气压和温度的计算。

/*******************************************************************************
功能：对MS5611进行初始化
参数：无
返回值：无
*******************************************************************************/
void MS5611_Init(void)
{
static unsigned char temp_rest;
SPI_MS5611_CS_L;
delay_us(10);
SPI2_ReadWriteByte(CMD_MS5611_RESET); //发送复位指令
delay_ms(20); //复位需要2.8ms，这里取长一点时间，确保复位
SPI_MS5611_CS_H;
delay_us(10);
/*--------------复位后读取PROM内容------------------*/
C1 = SPI_MS5611_Read(CMD_MS5611_PROM_C1);
C2 = SPI_MS5611_Read(CMD_MS5611_PROM_C2);
C3 = SPI_MS5611_Read(CMD_MS5611_PROM_C3);
C4 = SPI_MS5611_Read(CMD_MS5611_PROM_C4);
C5 = SPI_MS5611_Read(CMD_MS5611_PROM_C5);
C6 = SPI_MS5611_Read(CMD_MS5611_PROM_C6);
}
备注：u16 SPI_MS5611_Read(u8 ReadAddr)为寄存器读取函数，参数ReadAddr为要读取的寄存器地址，函数返回相应寄存器的值。

在MS5611.h头文件中根据芯片手册对相应寄存器地址进行了宏定义：
/*MS5611模块传感器地址定义*/
#define MS5611_ADC 0x00
#define CMD_MS5611_RESET 0x1E
#define CMD_MS5611_PROM_Setup 0xA0
#define CMD_MS5611_PROM_C1 0xA2
#define CMD_MS5611_PROM_C20xA4
#define CMD_MS5611_PROM_C3 0xA6
#define CMD_MS5611_PROM_C4 0xA8
#define CMD_MS5611_PROM_C5 0xAA
#define CMD_MS5611_PROM_C6 0xAC
#define CMD_MS5611_PROM_CRC0xAE
#define CMD_CONVERT_D1_OSR4096 0x48
#define CMD_CONVERT_D2_OSR4096 0x58
4.2 MS5611数据读取及转换：
对MS5611进行数据读取时，要先发送相应的转换指令。

MS5611可以进行气压和温度的测量，因此，有两条相应的转换指令，根据精度的不同，每条转换指令又分为5条具体指令。

程序中，我们均按最高精度来进行转换，转换时间约9ms。

由于我们的任务调度基于时间片调度模式，为避免造成程序堵塞，数据读取采用switch语句，从而避免在数据转换时的等待，可以去运行其他任务。

气压和温度的计算过程根据芯片手册进行，具体如下：
图2 气压和温度的计算末尾还进行了相应的二阶温度补偿，具体过程为：
图3 二阶温度补偿
由当前气压和温度值，可计算得到当前高度，公式为：
其中，为海平面气压值；P 为当前大气压值；T 为当前温度值，单位℃。

/*******************************************************************************
功能：读取MS5611数据，并求取温度、高度值
参数：无
返回值：无
说明：得到的温度为温度值*100(即实际温度放大100倍)
*******************************************************************************/
void MS5611_get_Data(void)
{
static unsigned char data[3];
static unsigned char temp;
static unsigned char MS5611_Count=0,MS5611_Num=0;
static unsigned int D1,D2; //D1为气压，D2为温度
static long long dT,T2,Temperature,Pressure;
0065.0)
15.273(*)1)((257.510+-=T P
P h 0P
static double OFF,OFF2,SENS,SENS2;
static double tmp_float,Altitude[3];
MS5611_Count++;
MS5611_Num++;
switch(MS5611_Count)
{
case 1:
SPI_MS5611_CS_L;
delay_us(10);
SPI2_ReadWriteByte(CMD_CONVERT_D2_OSR4096); //温度转换指令
break;
case 2: //读取温度值SPI_MS5611_CS_H;
delay_us(10);
SPI_MS5611_CS_L;
delay_us(10);
if(0xfe == SPI2_ReadWriteByte(0x00)) //判断读取是否正确
{
data[2] = SPI2_ReadWriteByte(0x00);
data[1] = SPI2_ReadWriteByte(0x00);
data[0] = SPI2_ReadWriteByte(0x00);
}
delay_us(10);
SPI_MS5611_CS_H;
D2 = ((unsigned int)data[2]<<16) | ((unsigned int)data[1]<<8) | data[0];
dT = D2 - (unsigned int)C5*256;
Temperature = 2000 + dT*C6/8388608;
break;
case 3:
SPI_MS5611_CS_L;
delay_us(10);
SPI2_ReadWriteByte(CMD_CONVERT_D1_OSR4096); //气压转换指令
break;
case 4: //读取气压值SPI_MS5611_CS_H;
delay_us(10);
SPI_MS5611_CS_L;
delay_us(10);
if(0xfe == SPI2_ReadWriteByte(0x00)) //判断读取是否正确
{
data[2] = SPI2_ReadWriteByte(0x00);
data[1] = SPI2_ReadWriteByte(0x00);
data[0] = SPI2_ReadWriteByte(0x00);
}
delay_us(10);
SPI_MS5611_CS_H;
D1 = ((unsigned int)data[2]<<16) | ((unsigned int)data[1]<<8) | data[0];
OFF = (unsigned int)C2*65536 + (unsigned int)C4*dT/128;
SENS = (unsigned int)C1*32768 + (unsigned int)C3*dT/256;
Pressure = (D1*SENS/2097152-OFF)/32768;
break;
default: //二阶温度补偿及高度计算if(Temperature<2000)
{
T2 = (signed int)((double)dT*(double)dT/2147483648);
OFF2 = 5 * (Temperature-2000) * (Temperature-2000) / 2;
SENS2 = 5 * (Temperature-2000) * (Temperature-2000) / 4;
if(Temperature<-1500)
{
OFF2 = OFF2+7*(Temperature+1500)*(Temperature+1500);
SENS2 = SENS2+11*(Temperature+1500)*(Temperature+1500)/2;
}
}
else
{
T2 = 0;
OFF2 = 0;
SENS2 = 0;
}
Temperature = Temperature - T2;
OFF = OFF - OFF2;
SENS = SENS - SENS2;
Pressure = (D1*SENS/2097152-OFF)/32768;
Altitude[0] = 44330 * (1.0 - pow(Pressure / 101325.0, 0.190295));
Altitude[1] = (pow(101325.0/Pressure, 1/5.257)-1.0) * ((float)Temperature/100.0+273.5) / 0.0065;
if(100 == MS5611_Num)
{
MS5611_Num = 0;
printf("D1=%d,D2=%d,T=%d P=%d H1=%f H2=%f\n",D1,D2,(signed int)Temperature,(signed int)Pressure,Altitude[0],Altitude[1]);
}
MS5611_Count=0;
break;
}
}
在程序更正之前，测试过程中，会偶尔出现数据突变的情况，下图为通过串口打印出来的数据：
其中第一列D1为数字气压值，，第二列D2位数字温度值，第三列T为温度值（单位℃，放大100倍显示），第四列H1为绝对气压高度值，第五列H2为相对气压高度值。

从上两图中可以看出，高度值会时不时的出现一百多米的高度跳变，而原始数据D1、D2并没有出现太大变化，因此可以推断为求解过程中出现问题。

通多对数据的逆运算，发现计算过程中，中间结果超过类型范围从而造成溢出的问题。

例如：
Temperature = 2000 + dT*C6/8388608;
根据上图中的粉红色数据对温度值进行解算，应该算出的结果为T=2481，但是实际程序中的结果为T =1961。

由于之前的dT定义为signed int（4 bytes）类型，范围为-2147483648 ~
+2147483647，dT*C6的乘积为4039640374，从而造成溢出，运算得到的值变为-255326922，而得到错误的结果。

将类型定义为long long（8 bytes）之后，问题得到解决。

说明：
1、气压和温度的计算过程中，要注意中间变量的数据类型定义要符合相应范围；
2、MS5611在刚刚通电数10s内读到的数值不稳定，需要一段时间的预读取使其稳定下来，预读取次数可设定为200；或者通过与GPS进行对比，当两者之间的差值在一定范围内时，才将这时气压得到的高度值作为基准值；
3、应用层进行数据取用时，应进行数字低通滤波，上一次值的权重因子可取0.8，当前值的权重因子则为0.2。

参看：
1、Measurement Specialties, Inc.-《MS5611-01BA03 Barometric Pressure Sensor, with stainless steel cap》
2、潘银松，刘天刚，马泽忠，刘智华-《基于MS5611的小型无人机高度检测系统设计》。