引言

目前市场上的气压传感器大多为模拟输出，这不仅容易引入干扰信号，增加外围信号调理电路的复杂度，而且还需AD转换，给MCU增加额外功耗。本文介绍的MPL3115A2数字气压传感器,具有较强的抗干扰能力，补偿运算可给出最大、最小测量值及设定测量阈值和窗口，内部FIFO数据缓存区允许MCU处于低功耗的睡眠模式，直至FIFO数据存满后再唤醒MCU读取数据。MPL3115A2压力传感器可广泛应用于导航设备、GPS、智能手机等手持式低功耗设备。本文基于STM32介绍MEMS气压传感器的内部寄存器设置、工作模式配置等。

1 硬件电路

STM32是32位微控制器芯片，兼具低功耗和高性价比。图1所示是STM32F103CBT6与MPL3115A2的电路图，MPL3115A2的INT1、INT2引脚短接时需外接4.7 kΩ的上拉电阻，当STM32初始化MPL3115A2时,需将INT1、INT2设置成开漏输出。引脚2接100 nF电容到地，旁路芯片内部产生的高频噪声。

图1 基于STM32F103CBT6的MPL3115A2气压测量系统电路

2 MPL3115A2寄存器介绍及设置

MPL3115A2内部有44个寄存器，寄存器地址为0x00~0x2D。首先用宏定义将寄存器的地址和名称联系起来，如地址为0x00的寄存器,则“#define MPL3115A2_STATUS 0x00”。此外还要宏定义I2C地址“#define MPL3115A2_ADDR 0xc0”。

2.1 控制寄存器

图2是F_SETUP寄存器，用于配置FIFO缓冲区的工作模式以及“水印”的数值。图3是PT_DATA_CFG寄存器，用于配置采样数据后是否置位相应的就绪标志位。图4是CTRL_REG1寄存器，用于配置芯片的活动模式、输出采样率、测高或者测压功能的选择以及器件的软件复位。图5是CTRL_REG2寄存器，用于设置自动采样时间间隔=2^ST,选择“窗口”“阈值”数据的来源。图6是CTRL_REG3寄存器，用于设置两个中断引脚的工作模式。图7是CTRL_REG4寄存器，用于使能各类中断源。图8是CTRL_REG5寄存器，用于将各类的中断源路由到引脚INT1或者INT2。

图2 F_SETUP寄存器

图3 PT_DATA_CFG寄存器

图4 CTRL_REG1寄存器

图5 CTRL_REG2寄存器

图6 CTRL_REG3寄存器

图7 CTRL_REG4寄存器

图8 CTRL_REG5寄存器

图9 DR_STATUS寄存器

2.2 状态寄存器

MPL3115A2有3个状态寄存器，STATUS、DR_STATUS和F_STATUS。若使用FIFO，则STATUS与F_STATUS共享地址；若不使用FIFO，则STATUS与DR_STATUS共享地址。图9是DR_STATUS寄存器，其中数据位用于指示数据的状态——就绪或者溢出。

图10是F_STATUS寄存器，给出FIFO中断类型和当前FIFO保存的采样次数。

图10 F_STATUS寄存器

2.3 数据寄存器

寄存器OUT_P(MSB、CSB、LSB)保存20位有符号气压/高度数据，OUT_P_MSB和OUT_P_CSB存储整数，OUT_P_LSB的高4位存储小数。寄存器OUT_T(MSB、LSB)保存12位有符号温度数据，OUT_T_MSB存储整数，OUT_T_LSB的高4位存储小数。在MPL3115A2初始化程序中，需对这5个数据寄存器“伪读”，确保清除所有的中断标志。

3 软件控制

3.1 工作模式配置

MPL3115A2有3种工作模式，就绪模式(stand by)、活动测高模式(active altitude)和活动测压模式(active barometer)。模式的切换可通过配置控制寄存器CTRL_REG1实现，如图4所示。Bit0=1使MPL3115A2进入活动模式，反之为就绪模式，该模式下传感器的I2C工作；Bit2=1，复位所有寄存器到初始状态；Bit3~Bit5设置传感器的输出采样率；Bit7=0，表示OUT_P(MSB、CSB、LSB)存储气压值，反之是高度值。

对CTRL_REG1寄存器的任何改动，必须在MPL3115A2就绪模式下进行。建议在MPL3115A2初始化开始复位所有寄存器，进入就绪模式；在初始化结束打开活动测高模式。具体设置如下：

I2C_WriteByte(MPL3115A2_ADDR,MPL3115A2_CTRL_REG1,0x04);//复位所有寄存器，进入就绪模式

I2C_WriteByte(MPL3115A2_ADDR,MPL3115A2_CTRL_REG1,0xB9);//输出采样时间间隔512 ms，进入活动测高模式

3.2 数据格式的转换

由于数据寄存器保存的数据有整数和小数部分，因此需要对采样数据进行格式转换，如：

OUT_P_MSB = I2C_ReadByte (MPL3115A2_ADDR, MPL3115A2_OUT_P_MSB);

OUT_P_CSB = I2C_ReadByte (MPL3115A2_ADDR, MPL3115A2_OUT_P_CSB);

OUT_P_LSB = I2C_ReadByte (MPL3115A2_ADDR, MPL3115A2_OUT_P_LSB);

OUT_P_INT = ((u16) OUT_P_MSB<<8) | OUT_P_CSB;

if (OUT_P_MSB & 0x80)//判断数据符号

{ OUT_P_INT = ~OUT_P_INT + 1;flag = 1;}

//flag==1，表示负数

Altitude = OUT_P_INT + (float) (OUT_P_LSB>>4)>>4;

3.3 轮询法与中断法

读取传感器数据的方式有轮询法和中断法。轮询法只需要配置工作模式,并不断地检查DR_STATUS寄存器的标志位。采用轮询法时须在初始化函数中设置PT_DATA_CFG寄存器的值为0x07,否则DR_STATUS寄存器的各位不会自动置位。

轮询法虽然简单，但是效率低，要求MCU轮询传感器的速度必须大于其采样速率，否则会造成数据丢失。相反，中断法很大程度上缓轻了CPU的负荷。中断法初始化前需要将INT1和INT2设置成开漏输出，构成“线与”的逻辑，并且使能下降沿触发。具体实现如下：“I2C_WriteByte(MPL3115A2_ADDR,MPL3115A2_CTRL_REG3,0x11);”

MPL3115A2有8个中断源，无FIFO时采用中断法。在初始化MPL3115A2时，需要把CTRL_REG4寄存器的Bit7置位，打开DRDY中断位，如图11所示，当数据就绪时会置位Bit7(SRC_SDRDY)。当程序进入中断后，首先读取INT_SOURCE寄存器，判断中断源。在中断函数中置位自定义的标志位，在主程序中完成数据读取。为及时清除中断标志位，还需读取状态寄存器。

图11 INT_SOURCE寄存器

3.4 阈值和窗口

阈值和窗口是MPL3115A2的特点，均可由用户设定。阈值是用户可编程限定采样数据的极限值，为有符号；窗口是设定采样数据在阈值上下浮动的范围，为无符号。

高度阈值保存在寄存器P_TGT_MSB和P_TGT_LSB中，气压/高度的窗口数据保存在P_WND_MSB和P_WND_LSB中。温度阈值保存在寄存器T_TGT中，温度的窗口数据保存在T_WND寄存器中。设定阈值与窗口后，用户可选择希望发生的中断提醒事件，在CTRL_REG5寄存器中选择PW(Pressure Window)、TW(Temperature Window)、PTH(Pressure Threshold)、TTH(Temperature Threshold)。其中，XW（X代表P或T）中断表示传感器采集的数据在用户设定的窗范围内时，置位相应的中断标志位，通知MCU。这个窗的大小由Window = X_TGT(MSB,LSB)±X_WND(MSB,LSB)决定。XTH（X代表P或T）中断表示当传感器获取的数据在X_TGT(MSB,LSB)+X_WND(MSB,LSB)或X_TGT(MSB,LSB)-X_WND(MSB,LSB)或X_TGT(MSB,LSB)时就触发中断。进入中断后，一定要先判断中断的来源。飞行器用阈值与窗口可实现在某一高度区间飞行。

3.5 FIFO

利用MPL3115A2的FIFO可实现系统的低功耗。FIFO缓冲区有160字节，1次采样有3字节的气压/高度数据、2字节的温度数据，FIFO可保存32次采样数据。采样间隔由用户编程设定，最长可达9小时，因此，FIFO最长保存的采样数据可达12天之久。此外，FIFO还具有“Watermark（水印）”概念，是用户设置FIFO的采样次数。如果打开水印中断，当MPL3115A2采样次数达到水印值后便触发FIFO中断。具体实现如下：在中断程序中首先需要判断中断来源，如果是FIFO中断，读F_STATUS寄存器。若开启的是FIFO溢出中断而非水印中断，则当F_CNT>32时将置位F_OVF标志位；若开启的是FIFO的水印中断，则当F_CNT>Watermark时将置位F_WMRK_FLAG。

MPL3115A2的FIFO功能，可将MCU置于低功耗模式。当MPL3115A2完成预定的采样次数时，即产生中断，启动MCU，使之执行数据读取功能，这样整个系统处于低功耗状态。在F_SETUP寄存器设置FIFO，如图2，F_MODE[1:0]用于配置FIFO的工作模式。默认00是关闭FIFO功能；01表示FIFO工作在循环缓冲区，即当采样数据超过32时，最先采集的数据将被舍弃；10表示FIFO工作在“满停”缓冲区，即当采样数据达到32时，采样暂停。前文提到的水印数值保存在F_SETUP寄存器的低6位。需要注意的是，当切换FIFO的工作模式时，需要先关掉FIFO功能，再开启另外一种模式。

4 提高精度措施

MPL3115A2根据测量的气压值换算其对应的高度，默认海平面气压值为101 326 Pa，存储在寄存器BAR_IN_MSB和BAR_IN_LSB中。若要高度与被测地一致，可将当地海平面的大气压值保存在这两个寄存器中。

此外，芯片长时间使用指针会产生偏置。MPL3115A2作为一款精密的气压传感器，提供了OFF_P、OFF_T、OFF_H三个寄存器，可对气压、温度、海拔的输出数据进行偏置修正。

结语

本文是基于STM32F103CBT6开发的气象检测系统。笔者结合自己的使用经验介绍了MPL3115A2的使用方法。其众多的工作模式可广泛应用于四轴飞行器、GPS等系统。I2C总线接口可与众多MCU通信，FIFO可降低系统的功耗，非常适合手持式设备。