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STM32模拟I2C协议获取MLX90614红外温度传感器测温数据(Open Drain管脚配置)

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STM32模拟I2C协议获取MLX90614红外温度传感器测温数据(Open Drain管脚配置)
STM32的GPIO管脚可以配置为Open Drain输出模式,并且有两个功能:

可以设置内部上拉,因此对于I2C访问速度不是特别高的情况,可以不用外部I2C上拉电阻;
虽然是Open Drain输出管脚,可以直接读取管脚电平状态,如同读取输入管脚而不必将输出管脚先切换成输入管脚。
MLX90614是无接触红外温度传感器,有DAA医疗级别高精度的型号,也有针对不同测温距离的型号,适合不同场景产品的应用。MLX90614可以采用PWM方式或者I2C方式进行数据获取,这里是模拟I2C的实现方式。

MLX90615是更小体积的红外温度测温模块,与MLX90614两者相比有如下不同:

管脚排列顺序不同
从PWM进入I2C模式的控制时间长度不同,MLX90614需要大于1.44ms,MLX90615需要大于39ms
访问模块地址不同,除了默认0地址访问,另外的一个默认访问地址,MLX90614是0x5A, 而MLX90615是0x5B
访问温度数据存放的寄存器地址不同,MLX90614是0x07, 而MLX90615是0x27

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沙发
为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:09 | 只看该作者
硬件连接
这里用低成本的STM32F030F4P6开发板作为控制器,读取MLX90614的温度数据。连接关系如下:


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板凳
为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:10 | 只看该作者
软件工程配置
这里采用STM32CUBEIDE开发环境和HAL库。首先建立STM32F030F4P6工程和配置时钟。

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地板
为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:10 | 只看该作者
然后配置PA5和PA6作为Open Drain输出带上拉,默认为高电平输出:

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5
为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:10 | 只看该作者

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6
为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:10 | 只看该作者
然后配置USART1用于串口数据输出:

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7
为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:10 | 只看该作者

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8
为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:11 | 只看该作者
保存并生成初始工程代码。

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9
为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:11 | 只看该作者
FLASH比较小的MCU需要设置“size”优化的编译模式,避免编译后的代码占用空间超过FLASH最大空间。
代码里I2C_Init()初始化函数用于保证MLX90614进入I2C控制模式,然后在while循环里不断的读取温度并串口输出。

MLX90614的读时序如下图所示:

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为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:12 | 只看该作者
PEC是MLX90614发出的CRC-8校验字节,MCU侧可以将前面5个字节内容做CRC-8的计算,得到CRC-8的计算校验字节,和MLX90614发出的CRC-8校验字节比较,以判断传输和接收是否正确。因此设计了针对MLX90614读操作的CRC-8校验函数如下:
uint8_t PY_CRC_MLX90614_READ(uint8_t daddr, uint8_t Raddr, uint8_t dl, uint8_t dh)
{   //Written by Pegasus Yu 2022/02/22

        uint64_t cdata = 0; //Computed total data
        uint16_t data_t = 0; //Process data of CRC computing
        uint16_t crc_poly = 0x0107; //X^8+X^2+X^1+1 total 9 effective bits. Computed total data shall be compensated 8-bit '0' before CRC computing from 9-1=8.

        uint16_t index_t = 47;  ///bit shifting index for initial '1' searching
        uint16_t index = 47;    //bit shifting index for CRC computing

        uint8_t rec = 0; //bit number needed to be compensated for next CRC computing

        cdata |= (((uint64_t)daddr)<<40);       //device write address
        cdata |= (((uint64_t)Raddr)<<32);       //register access address
        cdata |= (((uint64_t)(daddr+1))<<24);   //device read address
        cdata |= (((uint64_t)dl)<<16);          //data LSB
        cdata |= (((uint64_t)dh)<<8);           //data HSB
        //8-bit '0' compensated into cdata so cdata involves 48 bits stored in 64-bit format.

        while(index_t>0)
        {
                if( (cdata>>index_t)&1 )
                {
                        index = index_t;
                        index_t = 0;

                        data_t |= (cdata>>(index-8));
                        {
                                data_t = data_t ^ crc_poly;
                        }

            while(index!=0xffff)
            {
                            if ((data_t>>7)&1) rec = 1;
                            else if ((data_t>>6)&1) rec = 2;
                            else if ((data_t>>5)&1) rec = 3;
                            else if ((data_t>>4)&1) rec = 4;
                            else if ((data_t>>3)&1) rec = 5;
                            else if ((data_t>>2)&1) rec = 6;
                            else if ((data_t>>1)&1) rec = 7;
                            else if ((data_t>>0)&1) rec = 8;
                            else rec = 9; ///

                            if((index-8)<rec)
                            {
                                    data_t = data_t<<(index-8);
                                    index = 0xffff;
                            }
                            else
                            {
                                for(uint8_t i=1;i<=rec;i++)
                                {
                                        data_t = (data_t<<1)|((cdata>>(index-8-i))&1) ;
                                }

                                if(rec!= 9)
                                {
                                        data_t = data_t ^ crc_poly;
                                        index -= rec;
                                }
                                else
                                {
                                        data_t = 0;
                                        index_t = index-8-1;
                                        index = 0xffff;

                                }

                            }


            }

                }
                else
                {
                        index_t--;
                        if(index_t<8) break;
                }
        }
        return (uint8_t)data_t;
}

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为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:12 | 只看该作者
代码设计上,通过串口将温度数据的高字节和低字节输出,可以对高字节和低字节按照公式计算,得到浮点格式的温度数据。主要的实现代码(main.c)如下:
/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2022 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  *Written by Pegasus Yu in 2022
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
//us delay functions
__IO float usDelayBase;
void PY_usDelayTest(void)
{
  __IO uint32_t firstms, secondms;
  __IO uint32_t counter = 0;

  firstms = HAL_GetTick()+1;
  secondms = firstms+1;

  while(uwTick!=firstms) ;

  while(uwTick!=secondms) counter++;

  usDelayBase = ((float)counter)/1000;
}

void PY_Delay_us_t(uint32_t Delay)
{
  __IO uint32_t delayReg;
  __IO uint32_t usNum = (uint32_t)(Delay*usDelayBase);

  delayReg = 0;
  while(delayReg!=usNum) delayReg++;
}

void PY_usDelayOptimize(void)
{
  __IO uint32_t firstms, secondms;
  __IO float coe = 1.0;

  firstms = HAL_GetTick();
  PY_Delay_us_t(1000000) ;
  secondms = HAL_GetTick();

  coe = ((float)1000)/(secondms-firstms);
  usDelayBase = coe*usDelayBase;
}

void PY_Delay_us(uint32_t Delay)
{
  __IO uint32_t delayReg;

  __IO uint32_t msNum = Delay/1000;
  __IO uint32_t usNum = (uint32_t)((Delay%1000)*usDelayBase);

  if(msNum>0) HAL_Delay(msNum);

  delayReg = 0;
  while(delayReg!=usNum) delayReg++;
}


//MLX90614 I2C access protocol
#define us_num 10

#define SCL_OUT_H HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET)
#define SCL_OUT_L HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET)
#define SDA_OUT_H HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET)
#define SDA_OUT_L HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_RESET)
#define SDA_IN HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_6)

void I2C_Init(void)
{
        SDA_OUT_H;
        SCL_OUT_L;
        PY_Delay_us_t(2000) ;  //to enable i2c if previous mode PWM
        SCL_OUT_H;
        SDA_OUT_H;
        PY_Delay_us_t(2000000) ;
}

void I2C_Start(void)
{
        PY_Delay_us_t(us_num) ;
        SDA_OUT_H;
        SCL_OUT_H;
        PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
        SDA_OUT_L;
        PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
        SCL_OUT_L;
}

void I2C_Stop(void)
{
        SCL_OUT_L;
        PY_Delay_us_t(us_num) ;
        SDA_OUT_L;
        PY_Delay_us_t(us_num) ;
        SCL_OUT_H;
        PY_Delay_us_t(us_num) ;
        SDA_OUT_H;
        PY_Delay_us_t(us_num) ;
}

void I2C_Write_Ack(void)
{

    PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
        SDA_OUT_L;
        PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
        SCL_OUT_H;
        PY_Delay_us_t(us_num) ;
        SCL_OUT_L;
        SDA_OUT_H;

}

uint8_t I2C_Read_Ack(void)
{
        uint8_t status=0;

        SCL_OUT_L;
        PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
        SDA_OUT_H;
        PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
        status = SDA_IN;
        SCL_OUT_H;
        PY_Delay_us_t(us_num) ;
        SCL_OUT_L;
        SDA_OUT_L;

        return status;

}


void I2C_Send_Byte(uint8_t txd){


    for(uint8_t i=0;i<8;i++)
    {
            PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
        if((txd&0x80)>>7) SDA_OUT_H;
        else SDA_OUT_L;
        txd<<=1;
        PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
        SCL_OUT_H;
        PY_Delay_us_t(us_num) ;
                SCL_OUT_L;
    }

    SDA_OUT_L;
}

uint8_t I2C_Read_Byte(unsigned char rdack)
{
        uint8_t rxd=0;


    for(uint8_t i=0;i<8;i++ )
        {
            SCL_OUT_L;
            PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
            SDA_OUT_H;
            PY_Delay_us_t(us_num/2) ;
            SCL_OUT_H;
        rxd<<=1;
        if(SDA_IN) rxd++;
        PY_Delay_us_t(us_num) ;
    }

    SCL_OUT_L;
    SDA_OUT_H;

    if (rdack) I2C_Write_Ack();

    return rxd;
}

uint8_t PY_CRC_MLX90614_READ(uint8_t daddr, uint8_t Raddr, uint8_t dl, uint8_t dh)
{   //Written by Pegasus Yu 2022/02/22

        uint64_t cdata = 0; //Computed total data
        uint16_t data_t = 0; //Process data of CRC computing
        uint16_t crc_poly = 0x0107; //X^8+X^2+X^1+1 total 9 effective bits. Computed total data shall be compensated 8-bit '0' before CRC computing from 9-1=8.

        uint16_t index_t = 47;  ///bit shifting index for initial '1' searching
        uint16_t index = 47;    //bit shifting index for CRC computing

        uint8_t rec = 0; //bit number needed to be compensated for next CRC computing

        cdata |= (((uint64_t)daddr)<<40);       //device write address
        cdata |= (((uint64_t)Raddr)<<32);       //register access address
        cdata |= (((uint64_t)(daddr+1))<<24);   //device read address
        cdata |= (((uint64_t)dl)<<16);          //data LSB
        cdata |= (((uint64_t)dh)<<8);           //data HSB
        //8-bit '0' compensated into cdata so cdata involves 48 bits stored in 64-bit format.

        while(index_t>0)
        {
                if( (cdata>>index_t)&1 )
                {
                        index = index_t;
                        index_t = 0;

                        data_t |= (cdata>>(index-8));
                        {
                                data_t = data_t ^ crc_poly;
                        }

            while(index!=0xffff)
            {
                            if ((data_t>>7)&1) rec = 1;
                            else if ((data_t>>6)&1) rec = 2;
                            else if ((data_t>>5)&1) rec = 3;
                            else if ((data_t>>4)&1) rec = 4;
                            else if ((data_t>>3)&1) rec = 5;
                            else if ((data_t>>2)&1) rec = 6;
                            else if ((data_t>>1)&1) rec = 7;
                            else if ((data_t>>0)&1) rec = 8;
                            else rec = 9; ///

                            if((index-8)<rec)
                            {
                                    data_t = data_t<<(index-8);
                                    index = 0xffff;
                            }
                            else
                            {
                                for(uint8_t i=1;i<=rec;i++)
                                {
                                        data_t = (data_t<<1)|((cdata>>(index-8-i))&1) ;
                                }

                                if(rec!= 9)
                                {
                                        data_t = data_t ^ crc_poly;
                                        index -= rec;
                                }
                                else
                                {
                                        data_t = 0;
                                        index_t = index-8-1;
                                        index = 0xffff;

                                }

                            }


            }

                }
                else
                {
                        index_t--;
                        if(index_t<8) break;
                }
        }
        return (uint8_t)data_t;
}

uint32_t Get_Temp_DATA( uint8_t ReaAd)
{
     uint8_t Pecreg = 0;
         uint8_t DataL = 0 ,DataH = 0;
         uint32_t Result = 0;


         uint8_t daddr = 0x00; //0x00 or 0xB4(0x5A<<1) for MLX90614 default device address

          I2C_Start();
          I2C_Send_Byte(daddr);
          I2C_Read_Ack();
          //I2C_Write_Ack();
            I2C_Send_Byte(ReaAd);
            //I2C_Write_Ack();
            I2C_Read_Ack();

          I2C_Start();
          I2C_Send_Byte(daddr+1);
          I2C_Read_Ack();

            DataL=I2C_Read_Byte(1);
            DataH=I2C_Read_Byte(1);

            Pecreg=I2C_Read_Byte(0);

            I2C_Stop();

            Result |= (((uint32_t)DataH)<<24);
            Result |= (((uint32_t)DataL)<<16);
            Result |= (((uint32_t)Pecreg)<<8);
            Result |= PY_CRC_MLX90614_READ(daddr, ReaAd, DataL, DataH);
          return Result;
}

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
UART_HandleTypeDef huart1;

/* USER CODE BEGIN PV */
float temperature_f;
uint32_t temperature_d;
uint8_t temprst[4];
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  PY_usDelayTest();
  PY_usDelayOptimize();

  I2C_Init();
  PY_Delay_us(1000000);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
          temperature_d=Get_Temp_DATA(0x07);
          temprst[0]= (temperature_d>>24)&0xff;
          temprst[1]= (temperature_d>>16)&0xff;
          temprst[2]= (temperature_d>>8)&0xff;
          temprst[3]= (temperature_d>>0)&0xff;
      if(temprst[2]==temprst[3]) HAL_UART_Transmit(&huart1, temprst, 2, 2700);

      //HAL_UART_Transmit(&huart1, temprst, 4, 2700);

          /*
          temperature_f = (((float)((temprst[0]<<8)|temprst[1])) * 2 - 27315)/100;  //T= (DataH:DataL)*0.02-273.15
          HAL_UART_Transmit(&huart1, &temperature_f, 4, 2700);
          */
          PY_Delay_us(2000000); //adjustable output delay


    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL8;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PREDIV = RCC_PREDIV_DIV1;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV8;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_USART1;
  PeriphClkInit.Usart1ClockSelection = RCC_USART1CLKSOURCE_PCLK1;
  if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/**
  * @brief USART1 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_USART1_UART_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 0 */

  /* USER CODE END USART1_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 1 */

  /* USER CODE END USART1_Init 1 */
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  huart1.Init.OneBitSampling = UART_ONE_BIT_SAMPLE_DISABLE;
  huart1.AdvancedInit.AdvFeatureInit = UART_ADVFEATURE_NO_INIT;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 2 */

  /* USER CODE END USART1_Init 2 */

}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6, GPIO_PIN_SET);

  /*Configure GPIO pins : PA5 PA6 */
  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_OD;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */



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12
为你转身|  楼主 | 2023-12-29 14:13 | 只看该作者
温度数据
可以通过PC串口工具获得温度数据,如:

16进制39C8,对应十进制14792,按照公式计算(14792*2-27315)/100=22.69℃。

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