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MLX90614红外测温传感器在天空星HC32F4A0开发板上的SMBus驱动移植与实战

news 2026/9/1 6:05:02

MLX90614红外测温传感器在天空星HC32F4A0开发板上的SMBus驱动移植与实战

最近在做一个非接触测温的小项目，用到了MLX90614这款红外测温传感器。我发现很多朋友在把它和天空星HC32F4A0开发板搭配使用时，对SMBus通信和开漏模式配置有点摸不着头脑。今天我就把自己完整的移植过程和调试心得分享出来，手把手带你搞定这个传感器。

MLX90614最大的优点就是非接触测温，不用碰到物体就能知道它的温度，而且出厂就校准好了，精度不错。它和单片机通信用的是SMBus协议，你可以把它理解为I2C的“兄弟”，时序很像，但有些细节不同。咱们的天空星开发板没有硬件SMBus接口，所以需要用GPIO引脚来模拟时序，也就是常说的“软件模拟”或“GPIO模拟”。

这篇文章，我会从传感器原理、硬件连接、软件模拟SMBus、再到完整的代码移植和温度读取，一步步讲清楚。只要你跟着做，就能让你的天空星开发板成功读取到物体温度和环境温度。

1. 认识MLX90614与SMBus通信

1.1 传感器简介与工作原理

MLX90614是一个红外测温传感器模块。它内部有个红外热电堆探测器，能检测物体发射的红外辐射能量，再通过内部的DSP和信号调理电路，直接算出温度值。

和传统的接触式测温（比如热敏电阻）相比，红外测温有三大优势：

非接触：不干扰被测物体，适合测运动物体、高温或危险物体。
响应快：几乎瞬间就能读出温度。
测量范围广：咱们这个模块大概能测-70℃到380℃。

模块出厂前已经完成了校准和线性化处理，所以我们拿到手直接用就行，不需要自己再做复杂的标定。

1.2 什么是SMBus？

MLX90614用的通信协议是SMBus（系统管理总线）。它和I2C非常像，也是两根线：

SCL：时钟线
SDA：数据线

通信方式也是主从结构，靠时钟同步数据。那它和I2C有什么区别呢？主要在一些时序参数（比如超时时间、时钟频率范围）和协议细节上。不过对于MLX90614的基本读写操作，我们可以用标准的I2C时序来模拟，绝大部分情况下都能正常工作。

关键点：因为天空星HC32F4A0开发板没有硬件SMBus外设，所以我们必须用两个普通的GPIO引脚，通过软件控制它们的高低电平变化，来“模仿”出SCL和SDA的时序。这就是“软件模拟SMBus”。

2. 硬件连接与关键配置

2.1 模块引脚与开发板连接

首先，看看MLX90614模块（以常见的GY-906模块为例）通常有4个引脚：

VCC：电源，接5V
GND：地
SCL：时钟线
SDA：数据线

这里有个非常重要的细节：MLX90614模块的工作电压是4.5V~5.5V，而咱们天空星HC32F4A0开发板的GPIO引脚输出电压是3.3V。如果直接用3.3V去驱动5V的器件，可能会出现逻辑电平不匹配，导致通信失败。

怎么办？答案就是使用开漏输出模式。

2.2 为什么必须用开漏模式？

开漏模式就像是一个只有“下拉开关”的电路。当单片机输出0时，引脚内部连接到GND，输出低电平；当单片机输出1时，这个开关断开，引脚状态由外部电路决定。

我们可以在SDA和SCL线上各加一个上拉电阻（通常4.7kΩ~10kΩ）到5V。这样：

当单片机输出0时，线被拉低到0V。
当单片机输出1（即断开）时，5V的上拉电阻把线拉到5V的高电平。

这样，数据线的高电平就是5V，符合MLX90614的要求，而低电平0V双方都能识别。所以，在初始化GPIO时，必须将引脚配置为开漏输出模式，并且使能内部上拉（或外部接上拉电阻）。原文代码里特别强调了这一点，我一开始没注意，调了半天都没数据。

2.3 引脚选择与电路连接

在提供的例程中，选择了开发板的PB8作为SDA，PB9作为SCL。你可以按照这个来，也可以换成其他GPIO，只要在代码里改一下宏定义就行。

连接方式很简单：

模块VCC → 开发板5V引脚
模块GND → 开发板GND
模块SCL → 开发板PB9（并接一个4.7kΩ电阻到5V）
模块SDA → 开发板PB8（并接一个4.7kΩ电阻到5V）

如果开发板GPIO内部上拉电阻足够强（通常几十kΩ），也可以尝试直接使能内部上拉，但为了稳定，我建议还是外接4.7kΩ电阻到5V最靠谱。

3. 软件模拟SMBus驱动详解

驱动代码主要包含两个文件：bsp_mlx90614.c和bsp_mlx90614.h。我们一点点拆开看。

3.1 引脚宏定义与模式切换（bsp_mlx90614.h）

头文件里最关键的是几个宏定义，它们封装了引脚操作，让代码更清晰。

//端口移植 #define PORT_MLX90614 GPIO_PORT_B #define GPIO_SDA GPIO_PIN_08 #define GPIO_SCL GPIO_PIN_09 //SDA输入模式 #define SDA_IN() { stc_gpio_init_t stcGpioInit; \ GPIO_StructInit(&stcGpioInit); \ stcGpioInit.u16PinState = PIN_STAT_SET; \ stcGpioInit.u16PinDir = PIN_DIR_IN; \ stcGpioInit.u16PullUp = PIN_PU_ON; \ GPIO_Init(PORT_MLX90614, GPIO_SDA, &stcGpioInit); \ } //SDA输出模式 #define SDA_OUT() { stc_gpio_init_t stcGpioInit; \ GPIO_StructInit(&stcGpioInit); \ stcGpioInit.u16PinState = PIN_STAT_SET; \ stcGpioInit.u16PinOutputType = PIN_OUT_TYPE_NMOS; \ stcGpioInit.u16PinDir = PIN_DIR_OUT; \ stcGpioInit.u16PullUp = PIN_PU_ON; \ GPIO_Init(PORT_MLX90614, GPIO_SDA, &stcGpioInit); \ } //获取SDA引脚的电平 #define SDA_GET() GPIO_ReadInputPins(PORT_MLX90614, GPIO_SDA) //控制SDA与SCL输出高低电平 #define SDA(x) ( x ? GPIO_SetPins(PORT_MLX90614,GPIO_SDA) : GPIO_ResetPins(PORT_MLX90614,GPIO_SDA) ) #define SCL(x) ( x ? GPIO_SetPins(PORT_MLX90614,GPIO_SCL) : GPIO_ResetPins(PORT_MLX90614,GPIO_SCL) )

重点看SDA_OUT()宏：它把引脚方向设为输出(PIN_DIR_OUT)，输出类型设为NMOS开漏(PIN_OUT_TYPE_NMOS)，并且开启了内部上拉(PIN_PU_ON)。这就是实现前面讲的“开漏带上拉”的关键配置。

SDA_IN()宏则在需要读取SDA线状态时（比如等待应答），将引脚临时切换为输入模式。

3.2 GPIO初始化函数

这个函数在bsp_mlx90614.c里，主要就是调用上面的SDA_OUT()配置，并且把SCL和SDA线初始化为高电平（空闲状态）。

void MLX90614_GPIO_Init(void) { stc_gpio_init_t stcGpioInit; // 关闭寄存器保护（对HC32系列，操作外设前有时需要解锁） LL_PERIPH_WE(LL_PERIPH_ALL); (void)GPIO_StructInit(&stcGpioInit); stcGpioInit.u16PinState = PIN_STAT_SET; // 初始状态设为高 stcGpioInit.u16PinOutputType = PIN_OUT_TYPE_NMOS;// 开漏 stcGpioInit.u16PinDir = PIN_DIR_OUT; // 输出模式 stcGpioInit.u16PullUp = PIN_PU_ON; // 上拉开启 // 同时初始化SDA和SCL引脚 (void)GPIO_Init(PORT_MLX90614, GPIO_SCL|GPIO_SDA, &stcGpioInit); // 将两个引脚都设置为高电平 GPIO_SetPins(PORT_MLX90614,GPIO_SCL|GPIO_SDA); }

注意：LL_PERIPH_WE(LL_PERIPH_ALL);这行是HC32系列芯片特有的操作，目的是解锁外设寄存器，允许写入。如果你移植到其他芯片平台，可能需要删除或修改这一行。

3.3 SMBus基础时序模拟

SMBus/I2C通信有几个基本时序单元：起始信号、停止信号、发送一个字节、接收一个字节、应答。我们的驱动需要自己用代码把这些时序“画”出来。

起始信号 (IIC_Start)：在SCL高电平期间，SDA产生一个下降沿。

void IIC_Start(void) { SDA_OUT(); // 确保SDA为输出模式 SDA(1); // SDA高 delay_us(5); SCL(1); // SCL高 delay_us(5); SDA(0); // 在SCL高时拉低SDA，产生起始条件 delay_us(5); SCL(0); // 拉低SCL，准备后续数据传输 delay_us(5); }

停止信号 (IIC_Stop)：在SCL高电平期间，SDA产生一个上升沿。

void IIC_Stop(void) { SDA_OUT(); SCL(0); SDA(0); delay_us(5); SCL(1); delay_us(5); SDA(1); // 在SCL高时拉高SDA，产生停止条件 delay_us(5); }

发送一个字节 (Send_Byte)：从最高位(MSB)开始，在SCL低电平时设置SDA数据，然后拉高SCL，再拉低SCL，如此循环8次。

void Send_Byte(uint8_t dat) { int i = 0; SDA_OUT(); SCL(0); // 拉低时钟开始数据传输 for( i = 0; i < 8; i++ ) { // 取出最高位，右移7位得到0或1，然后设置SDA线 SDA( (dat & 0x80) >> 7 ); delay_us(1); SCL(1); // 拉高时钟，数据被采样 delay_us(5); SCL(0); // 拉低时钟，准备下一位 delay_us(5); dat<<=1; // 左移，处理下一位 } }

接收一个字节 (Read_Byte)：主机控制SCL产生时钟，在SCL高电平时读取SDA线的状态。

unsigned char Read_Byte(void) { unsigned char i,receive=0; SDA_IN(); // SDA设置为输入，以便读取从机发送的数据 for(i=0;i<8;i++ ) { SCL(0); delay_us(5); SCL(1); // 拉高时钟 delay_us(5); receive<<=1; // 左移，为下一位腾出空间 if( SDA_GET() ) // 读取SDA引脚电平 { receive|=1; // 如果为高，则该位为1 } delay_us(5); } SCL(0); return receive; }

等待应答 (I2C_WaitAck)：主机发送完8位数据后，会释放SDA线（设为输入），并产生一个时钟脉冲（SCL高电平）。在这个脉冲期间，从机应该把SDA线拉低，表示应答。

unsigned char I2C_WaitAck(void) { char ack = 0; unsigned char ack_flag = 10; // 超时计数 SCL(0); SDA(1); // 主机释放SDA线 SDA_IN(); // 设置为输入，检测从机应答 delay_us(5); SCL(1); // 产生第9个时钟脉冲 delay_us(5); // 循环检测SDA是否被从机拉低 while( (SDA_GET()==1) && ( ack_flag ) ) { ack_flag--; delay_us(5); } if( ack_flag <= 0 ) // 超时，无应答 { IIC_Stop(); return 1; // 返回1表示失败 } else // 收到应答 { SCL(0); SDA_OUT(); // 重新设置为输出，准备后续操作 } return ack; // 返回0表示成功 }

3.4 MLX90614数据读取核心函数

这是最核心的函数，它按照MLX90614的SMBus协议，组合使用上面的基础时序，完成一次温度数据的读取。

MLX90614内部有两个重要的温度数据寄存器（在RAM中）：

地址0x06：存放环境温度 (Ta)
地址0x07：存放物体温度 (To)

器件的默认从机地址是0x5A（7位地址）。在通信时，需要将这个地址左移一位，并根据读写操作补上最低位（0为写，1为读）。

float MLX90614_Read(unsigned char SlaveAddr, unsigned char RegAddr) { // 1. 发送起始信号 IIC_Start(); // 2. 发送器件地址 + 写命令 (地址左移1位，最低位写0) Send_Byte((SlaveAddr << 1) | 0); // 3. 等待从机应答 if(I2C_WaitAck()) { IIC_Stop(); return 0.0; // 应答失败，返回0 } // 4. 发送要读取的寄存器地址（比如0x07读物体温度） Send_Byte(RegAddr); if(I2C_WaitAck()) { IIC_Stop(); return 0.0; } // 5. 发送重复起始信号（Sr），准备读数据 IIC_Start(); // 6. 发送器件地址 + 读命令 (地址左移1位，最低位写1) Send_Byte((SlaveAddr << 1) | 1); if(I2C_WaitAck()) { IIC_Stop(); return 0.0; } // 7. 读取数据（低8位在前） uint8_t lowByte = Read_Byte(); // 读低8位 IIC_Send_Ack(0); // 发送应答(ACK)，请求下一个字节 uint8_t highByte = Read_Byte(); // 读高8位 IIC_Send_Ack(1); // 发送非应答(NACK)，表示读取结束 // 8. 发送停止信号 IIC_Stop(); // 9. 合并数据并换算温度 uint16_t tempRaw = (highByte << 8) | lowByte; float temperature = (tempRaw * 0.02) - 273.15; return temperature; }

关键点解析：

数据顺序：MLX90614返回的数据是低8位在前，高8位在后。所以先读出来的是低字节(lowByte)，后读出来的是高字节(highByte)。合并时是(highByte << 8) | lowByte。
温度换算：原始数据是一个16位的数字。根据数据手册，换算公式是：温度(℃) = 原始数据 × 0.02 - 273.15。这个公式对物体温度(To)和环境温度(Ta)都适用。
应答机制：读取两个字节过程中，读完第一个字节后要发送应答(ACK)，读完第二个字节后要发送非应答(NACK)，然后停止。

4. 移植到你的工程并测试

4.1 文件添加与工程配置

在你的工程目录下（比如Drivers/BSP文件夹），添加下载好的或自己编写的bsp_mlx90614.c和bsp_mlx90614.h文件。
在IDE（如Keil、IAR）的工程中，将.c文件添加到对应的分组，并设置好头文件包含路径。
确保工程里包含了HC32F4A0的标准外设库（例如hc32_ll.h），因为驱动代码里用到了它的GPIO操作函数。

4.2 编写主函数进行测试

在主函数里，初始化串口（用于打印结果）和MLX90614，然后循环读取温度即可。

#include "board.h" #include "bsp_uart.h" #include "stdio.h" #include "bsp_mlx90614.h" int32_t main(void) { // 板级初始化（系统时钟、外设等） board_init(); // 初始化串口1，波特率115200，用于打印调试信息 uart1_init(115200U); // 初始化MLX90614的GPIO（配置为开漏模式） MLX90614_GPIO_Init(); printf("MLX90614 Test Start\r\n"); while(1) { // 读取物体温度（从机地址0x5A，寄存器地址0x07） float object_temp = MLX90614_Read(0X5A, 0X07); if( object_temp != 0.0) // 读取成功 { printf("Object Temperature = %.2f C\r\n", object_temp); } else { printf("Read object temp failed!\r\n"); } // 读取环境温度（寄存器地址0x06） float ambient_temp = MLX90614_Read(0X5A, 0X06); if( ambient_temp != 0.0) { printf("Ambient Temperature = %.2f C\r\n", ambient_temp); } // 延时1秒 delay_ms(1000); } }

4.3 现象与调试

将代码编译下载到天空星开发板，连接好MLX90614模块，打开串口助手（波特率115200）。你应该能看到每秒打印一次物体温度和环境温度。

正常现象：用手靠近传感器，物体温度会迅速上升到30多度（接近体温），环境温度则显示室温。

如果没数据或数据为0，可以按以下步骤排查：

检查硬件连接：VCC、GND、SCL、SDA四根线是否接对、接牢。务必确认SCL和SDA线上拉了4.7kΩ电阻到5V。
检查GPIO配置：确认代码中MLX90614_GPIO_Init函数确实将引脚配置为了开漏输出(PIN_OUT_TYPE_NMOS)并开启了上拉。
用逻辑分析仪或示波器抓时序：这是最有效的调试方法。查看SCL和SDA线上是否有符合SMBus协议的波形，起始信号、地址、数据位、应答信号是否正常。
检查延时：delay_us函数的实际延时时间是否准确。时序太快或太慢都可能导致通信失败。可以适当增大delay_us(5)中的延时值试试。
检查地址：确认使用的从机地址是0x5A。有些模块可以通过命令修改地址，但默认都是0x5A。