IoT(10) - BMP581 디지털 기압계 (barometer) 개발
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10. BMP581 디지털 기압계 (barometer) 개발 QuickStart Guide
2022년 초에 나온 따끈따끈한(?) 신상 제품 BMP581. 그래서인지 데이터 시트가 뭔가 어설픈 느낌이 있다. 그래도 테스트 해보니 이전에 사용해봤던 BMP390 보다 전류 특성도 좋은 것 같고, 데이터 변환도 훨씬 간단하다. (확실히 여러모로 개선된 느낌이 있음)
데이터 시트 및 개발 자료는 아래 링크를 참고할 것.
https://www.bosch-sensortec.com/products/environmental-sensors/pressure-sensors/bmp581
10.1 주요 특징
데이터 시트 참조
기압 측정 범위는 절대 기압으로 30 ~ 125 kPa 까지임.
참고로 1기압은 101.325 kPa 정도라고 알려져 있음.
센서 소비 전류의 경우는 데이터 시트를 보면 아래와 같이 기술되어 있기는 한데, ODR (output data rate), OSR (over-sampling rate) 그리고 동작 모드에 따라서 달라짐. 실제 센서를 적용할 하드웨어의 VDD 전압이나 데이터 측정 주기에 따라서도 달라지기 때문에 데이터 시트 만으로 판단하기는 어려운 부분이 있음.
- Current consumption low power mode ODR = 1Hz (Room Temp.): 1.3 uA
- Current consumption high power mode ODR = 30Hz (Room Temp.): 75 uA
- Conversion time: 최대 수 ms 정도. (OSR 따라 다름)
BMP581 제어 관련해서 아래 깃허브 링크에 들어가보면 제조사 (Bosch Sensortec)에서 관련 라이브러리를 제공해주는 듯 하다.
다만, 굳이 필요한지는 잘 모르겠다. 제어해야할 레지스터가 많거나 프로토콜이 복잡한 것도 아니라서… 본인이 사용하는 하드웨어의 I2C API 활용해서 적당히 제어하면 될 듯. 결국 핵심은 데이터 레지스터 읽고, Pa 단위로 변환하는게 끝.
10.2 BMP581 동작 모드
BMP581 동작 모드는 다음과 같음.
데이터 시트를 읽어보면 알겠지만, Sleep 모드라는 단어와 Standby 모드라는 단어가 혼용되서 쓰이고 있음. 아마도 이전 버전 메뉴얼 그대로 가져다 써서 그런 것 같다. 그냥, Sleep mode = Standby mode, Deep Sleep mode = Deep Standby mode 이렇게 이해하면 될 듯.
센서는 기본적으로 (Deep) Standby 모드로 동작하고, 이후 입력되는 레지스터에 따라 모드가 전환됨. 참고로 위의 다이어그램 그림에서 볼 수 있듯이, 측정 모드 변경은 Standby 모드로 한 번 전환한 이후에 변경이 가능하다.
예를 들어, 현재 센서가 normal 모드로 동작 중이라고 가정해보자. 이 상태에서는 곧바로 forced 모드나 continuous 모드로 전환될 수는 없고, Standby 모드로 한 번 전환한 뒤 변경해야 함.
10.2.1 Standby mode
이전 측정 데이터가 데이터 레지스터 혹은 FIFO 에 보관은 되어 있으나 새로운 측정은 진행하지 않는 상태. 명령어를 읽고 쓰는 것이 가능하며, 특정 측정 조건 (ODR, IIR 설정 값) 만족되면, 알아서 Deep Standby mode 로 동작하는 것으로 보임.
10.2.2 Forced mode
단일 측정 모드. 센서 데이터 1회 측정 후 다시 Standby 모드로 복귀. 매우 천천히 측정하거나, 240 Hz 이상의 빈도수로 데이터를 측정해야할 때 사용된다고 함 (센서를 제어하는 프로세스에서 강제적으로 여러번 명령어를 전송하는 셈).
10.2.3 Normal mode
일종의 자동 측정 모드. ODR (output data rate) 값에 따라, 데이터 측정과 대기 상태 (Standby mode)가 주기적으로 전환된다. 가장 최근에 측정한 데이터를 Data Buffer (데이터 레지스터 혹은 FIFO)에 저장해둔다.
ODR, OSR 설정 값 등이 적절한지 여부는 데이터 시트를 보고 확인해야함.
가령, OSR: oversampling rate 은 높은데, ODR 설정 값도 상당히 빠른 경우 센서 데이터를 측정할 수 없는 것은 당연함. BMP581 에서는 config auto checking 기능 또한 있음 (문제 시, 관련 레지스터의 특정 Bit 값이 변경되는 것으로 기억).
- Low-power Normal mode
앞서, 특정 조건이 만족되면 Standby 모드 대신 자동적으로 Deep Standby 모드로 동작하는 것을 언급. 해당 조건에서의 Normal 모드가 Low-power Normal 모드인 것으로 보임. 그 조건이란게 대략 다음과 같다.
ODR_CONFIG.deep_dis = 0
ODR_CONFIG.odr < 5 Hz
FIFO_SEL.fifo_frame_sel = DIS
DSP_IIR.set_iir_t = BYPASS
DSP_IIR.set_iir_p = BYPASS
대충 요약하자면 5 Hz 이하의 빈도 수로 측정해야하고 (1초에 5회 이상 측정 불가), 센서에서 제공되는 IIR 필터 사용할 수 없음.
IIR필터는 어차피 센서 반응속도와 연관되기 때문에, 하드웨어에서 소프트웨어 필터링하는데 지장없으면 굳이 없어도 되겠다는 생각.
10.3 Simple Test
BMP581 센서에서는 SPI-4wire / SPI-3wire / I2C / I3C 총 네 종류의 인터페이스를 지원.
I2C 사용하는 경우에는 다음과 같이 회로 구성하면 됨.
i2c slave address 는 SDO 값에 따라 달라진다 (
0x46또는0x47). SDO 핀을 floating 시키지 않도록 주의할 것 (I2C사용하는 경우)
Deep Standby & Low power-Normal mode 로 동작할 수 있도록 다음의 레지스터 값을 설정. 측정은 이렇게 해서 Normal 모드로 측정하고, 일정 시간마다 메인 프로세서 (nRF52840)에서 기압 데이터를 읽어오도록 했음.
레지스터 설정: 까먹음…ㅋㅋ
소비전류 특성: 테스트 보드에서의 기압 센서 동작 전후를 비교해보면, 센서 자체의 동작 전류는 2 uA 정도인 것 같고, 사용 중인 프로세스 에서는 데이터 읽어오는 I2C reading 루틴에서 4.4 uA 정도 소모하는 것을 확인. 결과적으로는 센서 데이터 읽는데 6.4 uA 정도가 추가되는 것이긴 하지만, 이 정도면 충분히 저전력으로 제어된다고 생각됨.
다음은 회사 건물에서 계단을 오르내리면서 측정 데이터를 그래프로 출력한 결과임. 중간에 기압 빠르게 감소하는 부분은 엘리베이터를 타고 로비에서 꼭대기 층으로 이동했을 때 측정된 데이터. (높이 올라갈 수록 기압이 낮다)
10.4 참고사항
데이터 시트를 보면 알겠지만, BMP581 센서는 온도 측정이 가능한 기압계임. 센서 동작의 경우 온도 센서만 동작시킬지, 온도와 기압 센서를 함께 동작시킬지만 정할 수 있음. 기압 센서만 동작하는 경우에 대한 소비 전류도 기술되어 있으나, 실제로는 기압 센서만 구동시킬 수는 없다.
개인적으로는
BMP581센서 내부에서 기압 데이터를 측정할 때 자체 온도 정보를 가지고 기압 측정 값을 환산하는데 사용해야해서, 온도 센서를 별도로 끌 수 없는 듯.
실제로 이전 제품군 중에서 BMP390 센서의 경우는 기압 환산 방식이 보다 복잡했다. 현재 온도 정보와 센서에 저장되어 있는 수십 개의 레지스터 정보를 읽어서 기압 환산 식을 적용해야했는데, BMP581 에서는 기압 데이터가 저장되는 레지스터만 읽어서 단위만 변환하면 됨.
아마 이런 이유로 인해, 제어를 편하게 하려고 온도 센서를 끌 수 없도록 설계가 된 게 아닐까 생각.
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