新一代ToF 激光测距模块VL53L0X

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近年来，接近传感器越来越备受关注。  例如，接近传感器现今广泛用于智能手机，在手机进行通话时停用触摸屏模式，因为此项功能可在用户视线离开屏幕时禁用触摸灵敏度，从而降低手机功耗。此外，接近传感器还可最大限度地减少因用户身体部位碰触手机，而导致通话意外断开的风险。直到最近，接近传感器仍是由发射 IR 光脉冲的红外 LED 和测量目标物反射光振幅的红外检测器组成。这项技术使主机处理器能够估算传感器与目标物之间的距离。  然而，目标物反射的光量取决于目标物表面的颜色和光滑度等若干因素，这一点导致估算精度受限。
STMicroelectronics 的 FlightSense™ 技术采用了另一种完全不同的方法。此项技术准确测量光传播到最近的物体，并反射回传感器的总时间。这种“渡越时间”(ToF) 法的优势在于光反射回程的时间仅由光行走的距离决定，而不必考虑反射回程的光量。众所周知，光速的精度极高，所以回程距离的计算公式也很简单，即“光速” x “时间延迟”。
VL53L0X 是新一代 ToF 激光测距模块，采用目前市场上最小型的封装，可基于各种目标物颜色和反射特性进行精确测距。  该设备测量的绝对距离可长达 2 m，精度高达 3%，具体取决于所选功耗与精度的平衡。

图 1：VL53L0X 框图。
如图 1 所示，VL53L0X 集成了人眼完全可见的 940 nm VCSEL 发射器（垂直腔面发射激光器）。此激光器不会对眼睛造成任何伤害，完全满足针对 1 类激光设备的最新标准（IEC 60825-1:2014 - 第 3 版）。  此外，VL53L0X 还配有内置物理红外滤光片，可增大测量距离、增强对环境光的抗扰度，以及对玻璃罩光学串扰的抗扰度。  反射回程的 IR 光通过高灵敏度的领先 SPAD（单光子雪崩二极管）阵列进行测量，SPAD 阵列是先进医疗扫描仪的首选技术。
在单一设计中使用多个 VL53L0X虽然 ToF 测距设备市场起初专注于仅以传感器为起点进行测距的单一设备，但机器人和手势感应等众多新兴应用要求使用多个接近传感器。  这些应用必须考虑的其中一个问题在于，使用多个接近传感器对主机处理器 GPIO 资源的需求。
单个 VL53L0x 传感器需要四个主机 MCU 的 GPIO 引脚（图 1）。其中，两个引脚提供 I²C 串行时钟 (SCL) 信号和串行数据 (SDA) 信号，第三个引脚 (XSHUT) 用于 MCU 复位传感器，而第四个 (GPIO1) 引脚可帮助主机控制器中断时序关键型应用，或者在应用无需快速响应新测距任务时，用作轮询输入。
然而，这并不表示两个传感器需要八个 GPIO 引脚，或三个传感器需要十二个 GPIO 引脚，因为所有传感器都可共享相同的 I²C 时钟线路和数据线路。  当多个传感器共享同一条 I²C 总线时，必须各自拥有不同的总线地址。总线地址由主机 MCU 分配，MCU 将按顺序复位所有传感器，并及时发出写入命令。因此，MCU 必须能够直接通过其中一个 GPIO 引脚或 GPIO 扩展芯片，逐个复位/重启所有传感器。
从本质上来说，如果设计人员不希望在 GPIO 计数、封装尺寸和板复杂性三个方面对 MCU 作出过高指定，将存在三种情形。
情形 1 是指可用的 GPIO 引脚数量（假定已有两个 GPIO 引脚专用于 I²C 时钟信号和数据信号）至少是 VL53L0x 接近传感器数量两倍的情况。这种情况无需 GPIO 扩展芯片，并且每个传感器的 XSHUT 引脚和中断 (GPIO1) 引脚均可直接连接到主机 MCU 的 GPIO 引脚。
情形 2 涉及可用于处理系统中所有 VL53L0x 传感器的 XSHUT 信号和中断 (GPIO1) 信号的 GPIO 引脚数量不足的情况。如图 2 所示，在这种情况下，一对 GPIO 扩展器，例如 Fairchild FLX6408UMX，允许八个接近传感器共享同一条 I²C 总线。这一对扩展器中，一个用于为传感器提供 XSHUT 复位信号，另一个负责接收输出测距信号。

图 2：I²C GPIO 扩展器示例。
最后，情形 3 属于上述两者的中间情况，即板包含 N 个传感器，而 MCU 可用的 GPIO 引脚数量至少达到了 N+1，这使设计人员省去了一个 GPIO 扩展器。对于这种情况，首选方案是利用 GPIO 扩展器（图 2 中的 U1）向传感器提供 XSHUT 信号，同时将传感器输出直接连接到 MCU 的 GPIO 引脚。  这种方法可避免通过 GPIO 扩展器传送中断信号所固有的延时问题，从而使系统能够更快响应测距过程中发生的任何变化。
采用 VL53L0x 进行设计为加快 VL53L0x 应用的开发进程，ST 提供了 X-NUCLEO-53LAO1 扩展板等多种开发板，用于 STM32 MCU 开发环境和 STSW-IMG005 API 封装。为确保用户能够在尽可能接近最终应用的环境中验证 VL53L0X，X-NUCLEO-53L0A1 扩展板均附带一个底座，可安装 3 种厚度不同的垫片（分别为 0.25 mm、0.5 mm 和 1 mm），用于模拟 VL53L0X 和玻璃罩之间的气隙。
VL53L0X API 封装提供了一组用于控制 VL53L0X 的 C 语言函数，其中包括传感器初始化和测距数据采集功能的函数，可帮助实现最终用户应用的开发。这款封装的结构使其能够基于任何类型的平台，通过一个孤立的平台层（主要针对低级 I²C 访问）进行编译。
总结接近感应已携手新型设备进入了历史新**，这些设备具备前所未有的测量精度，此外还提供硬件和软件支持工具，可帮助设计人员以低成本方式快速测试新应用、制作应用原型以及实现其工业化。这些应用都具备基于单一控制板统一管理多个感应器的能力。