近年來(lái)，接近傳感器越來(lái)越備受關(guān)注。 例如，接近傳感器現(xiàn)今廣泛用于智能手機(jī)，在手機(jī)進(jìn)行通話(huà)時(shí)停用觸摸屏模式，因?yàn)榇隧?xiàng)功能可在用戶(hù)視線(xiàn)離開(kāi)屏幕時(shí)禁用觸摸靈敏度，從而降低手機(jī)功耗。 此外，接近傳感器還可最大限度地減少因用戶(hù)身體部位碰觸手機(jī)，而導(dǎo)致通話(huà)意外斷開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)。 直到最近，接近傳感器仍是由發(fā)射 IR 光脈沖的紅外 LED 和測(cè)量目標(biāo)物反射光振幅的紅外檢測(cè)器組成。 這項(xiàng)技術(shù)使主機(jī)處理器能夠估算傳感器與目標(biāo)物之間的距離。 然而，目標(biāo)物反射的光量取決于目標(biāo)物表面的顏色和光滑度等若干因素，這一點(diǎn)導(dǎo)致估算精度受限。
STMicroelectronics 的 FlightSense? 技術(shù)采用了另一種完全不同的方法。 此項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量光傳播到最近的物體，并反射回傳感器的總時(shí)間。 這種“渡越時(shí)間”(ToF) 法的優(yōu)勢(shì)在于光反射回程的時(shí)間僅由光行走的距離決定，而不必考慮反射回程的光量。 眾所周知，光速的精度極高，所以回程距離的計(jì)算公式也很簡(jiǎn)單，即“光速” x “時(shí)間延遲”。
VL53L0X 是新一代 ToF 激光測(cè)距模塊，采用目前市場(chǎng)上最小型的封裝，可基于各種目標(biāo)物顏色和反射特性進(jìn)行精確測(cè)距。 該設(shè)備測(cè)量的絕對(duì)距離可長(zhǎng)達(dá) 2 m，精度高達(dá) 3%，具體取決于所選功耗與精度的平衡。
圖 1：VL53L0X 框圖。
如圖 1 所示，VL53L0X 集成了人眼完全可見(jiàn)的 940 nm VCSEL 發(fā)射器（垂直腔面發(fā)射激光器）。 此激光器不會(huì)對(duì)眼睛造成任何傷害，完全滿(mǎn)足針對(duì) 1 類(lèi)激光設(shè)備的最新標(biāo)準(zhǔn)（IEC 60825-1:2014 - 第 3 版）。 此外，VL53L0X 還配有內(nèi)置物理紅外濾光片，可增大測(cè)量距離、增強(qiáng)對(duì)環(huán)境光的抗擾度，以及對(duì)玻璃罩光學(xué)串?dāng)_的抗擾度。 反射回程的 IR 光通過(guò)高靈敏度的領(lǐng)先 SPAD（單光子雪崩二極管）陣列進(jìn)行測(cè)量，SPAD 陣列是先進(jìn)醫(yī)療掃描儀的首選技術(shù)。
在單一設(shè)計(jì)中使用多個(gè) VL53L0X
雖然 ToF 測(cè)距設(shè)備市場(chǎng)起初專(zhuān)注于僅以傳感器為起點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距的單一設(shè)備，但機(jī)器人和手勢(shì)感應(yīng)等眾多新興應(yīng)用要求使用多個(gè)接近傳感器。 這些應(yīng)用必須考慮的其中一個(gè)問(wèn)題在于，使用多個(gè)接近傳感器對(duì)主機(jī)處理器 GPIO 資源的需求。
單個(gè) VL53L0x 傳感器需要四個(gè)主機(jī) MCU 的 GPIO 引腳（圖 1）。 其中，兩個(gè)引腳提供 I2C 串行時(shí)鐘 (SCL) 信號(hào)和串行數(shù)據(jù) (SDA) 信號(hào)，第三個(gè)引腳 (XSHUT) 用于 MCU 復(fù)位傳感器，而第四個(gè) (GPIO1) 引腳可幫助主機(jī)控制器中斷時(shí)序關(guān)鍵型應(yīng)用，或者在應(yīng)用無(wú)需快速響應(yīng)新測(cè)距任務(wù)時(shí)，用作輪詢(xún)輸入。
然而，這并不表示兩個(gè)傳感器需要八個(gè) GPIO 引腳，或三個(gè)傳感器需要十二個(gè) GPIO 引腳，因?yàn)樗袀鞲衅鞫伎晒蚕硐嗤?I2C 時(shí)鐘線(xiàn)路和數(shù)據(jù)線(xiàn)路。 當(dāng)多個(gè)傳感器共享同一條 I2C 總線(xiàn)時(shí)，必須各自擁有不同的總線(xiàn)地址。 總線(xiàn)地址由主機(jī) MCU 分配，MCU 將按順序復(fù)位所有傳感器，并及時(shí)發(fā)出寫(xiě)入命令。 因此，MCU 必須能夠直接通過(guò)其中一個(gè) GPIO 引腳或 GPIO 擴(kuò)展芯片，逐個(gè)復(fù)位/重啟所有傳感器。
從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，如果設(shè)計(jì)人員不希望在 GPIO 計(jì)數(shù)、封裝尺寸和板復(fù)雜性三個(gè)方面對(duì) MCU 作出過(guò)高指定，將存在三種情形。
情形 1 是指可用的 GPIO 引腳數(shù)量（假定已有兩個(gè) GPIO 引腳專(zhuān)用于 I2C 時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)）至少是 VL53L0x 接近傳感器數(shù)量?jī)杀兜那闆r。 這種情況無(wú)需 GPIO 擴(kuò)展芯片，并且每個(gè)傳感器的 XSHUT 引腳和中斷 (GPIO1) 引腳均可直接連接到主機(jī) MCU 的 GPIO 引腳。
情形 2 涉及可用于處理系統(tǒng)中所有 VL53L0x 傳感器的 XSHUT 信號(hào)和中斷 (GPIO1) 信號(hào)的 GPIO 引腳數(shù)量不足的情況。 如圖 2 所示，在這種情況下，一對(duì) GPIO 擴(kuò)展器，例如 Fairchild FLX6408UMX，允許八個(gè)接近傳感器共享同一條 I2C 總線(xiàn)。 這一對(duì)擴(kuò)展器中，一個(gè)用于為傳感器提供 XSHUT 復(fù)位信號(hào)，另一個(gè)負(fù)責(zé)接收輸出測(cè)距信號(hào)。
圖 2：I2C GPIO 擴(kuò)展器示例。
最后，情形 3 屬于上述兩者的中間情況，即板包含 N 個(gè)傳感器，而 MCU 可用的 GPIO 引腳數(shù)量至少達(dá)到了 N+1，這使設(shè)計(jì)人員省去了一個(gè) GPIO 擴(kuò)展器。 對(duì)于這種情況，首選方案是利用 GPIO 擴(kuò)展器（圖 2 中的 U1）向傳感器提供 XSHUT 信號(hào)，同時(shí)將傳感器輸出直接連接到 MCU 的 GPIO 引腳。 這種方法可避免通過(guò) GPIO 擴(kuò)展器傳送中斷信號(hào)所固有的延時(shí)問(wèn)題，從而使系統(tǒng)能夠更快響應(yīng)測(cè)距過(guò)程中發(fā)生的任何變化。
采用 VL53L0x 進(jìn)行設(shè)計(jì)
為加快 VL53L0x 應(yīng)用的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，ST 提供了 X-NUCLEO-53LAO1 擴(kuò)展板等多種開(kāi)發(fā)板，用于 STM32 MCU 開(kāi)發(fā)環(huán)境和 STSW-IMG005 API 封裝。 為確保用戶(hù)能夠在盡可能接近最終應(yīng)用的環(huán)境中驗(yàn)證 VL53L0X，X-NUCLEO-53L0A1 擴(kuò)展板均附帶一個(gè)底座，可安裝 3 種厚度不同的墊片（分別為 0.25 mm、0.5 mm 和 1 mm），用于模擬 VL53L0X 和玻璃罩之間的氣隙。
VL53L0X API 封裝提供了一組用于控制 VL53L0X 的 C 語(yǔ)言函數(shù)，其中包括傳感器初始化和測(cè)距數(shù)據(jù)采集功能的函數(shù)，可幫助實(shí)現(xiàn)最終用戶(hù)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。 這款封裝的結(jié)構(gòu)使其能夠基于任何類(lèi)型的平臺(tái)，通過(guò)一個(gè)孤立的平臺(tái)層（主要針對(duì)低級(jí) I2C 訪問(wèn)）進(jìn)行編譯。
總結(jié)
接近感應(yīng)已攜手新型設(shè)備進(jìn)入了歷史新紀(jì)元，這些設(shè)備具備前所未有的測(cè)量精度，此外還提供硬件和軟件支持工具，可幫助設(shè)計(jì)人員以低成本方式快速測(cè)試新應(yīng)用、制作應(yīng)用原型以及實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化。這些應(yīng)用都具備基于單一控制板統(tǒng)一管理多個(gè)感應(yīng)器的能力
