近年來，接近傳感器越來越備受關(guān)注。 例如，接近傳感器現(xiàn)今廣泛用于智能手機，在手機進(jìn)行通話時停用觸摸屏模式，因為此項功能可在用戶視線離開屏幕時禁用觸摸靈敏度，從而降低手機功耗。 此外，接近傳感器還可最大限度地減少因用戶身體部位碰觸手機，而導(dǎo)致通話意外斷開的風(fēng)險。 直到最近，接近傳感器仍是由發(fā)射 IR 光脈沖的紅外 LED 和測量目標(biāo)物反射光振幅的紅外檢測器組成。 這項技術(shù)使主機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。 此項技術(shù)準(zhǔn)確測量光傳播到最近的物體，并反射回傳感器的總時間。 這種“渡越時間”(ToF) 法的優(yōu)勢在于光反射回程的時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，所以回程距離的計算公式也很簡單，即“光速” x “時間延遲”。

VL53L0X 是新一代 ToF 激光測距模塊，采用目前市場上最小型的封裝，可基于各種目標(biāo)物顏色和反射特性進(jìn)行精確測距。 該設(shè)備測量的絕對距離可長達(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的 940 nm VCSEL 發(fā)射器（垂直腔面發(fā)射激光器）。 此激光器不會對眼睛造成任何傷害，完全滿足針對 1 類激光設(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，可增大測量距離、增強對環(huán)境光的抗擾度，以及對玻璃罩光學(xué)串?dāng)_的抗擾度。 反射回程的 IR 光通過高靈敏度的領(lǐng)先 SPAD（單光子雪崩二極管）陣列進(jìn)行測量，SPAD 陣列是先進(jìn)醫(yī)療掃描儀的首選技術(shù)。

在單一設(shè)計中使用多個 VL53L0X

雖然 ToF 測距設(shè)備市場起初專注于僅以傳感器為起點進(jìn)行測距的單一設(shè)備，但機器人和手勢感應(yīng)等眾多新興應(yīng)用要求使用多個接近傳感器。 這些應(yīng)用必須考慮的其中一個問題在于，使用多個接近傳感器對主機處理器 GPIO 資源的需求。

單個 VL53L0x 傳感器需要四個主機 MCU 的 GPIO 引腳（圖 1）。 其中，兩個引腳提供 I2C 串行時鐘 (SCL) 信號和串行數(shù)據(jù) (SDA) 信號，第三個引腳 (XSHUT) 用于 MCU 復(fù)位傳感器，而第四個 (GPIO1) 引腳可幫助主機控制器中斷時序關(guān)鍵型應(yīng)用，或者在應(yīng)用無需快速響應(yīng)新測距任務(wù)時，用作輪詢輸入。

然而，這并不表示兩個傳感器需要八個 GPIO 引腳，或三個傳感器需要十二個 GPIO 引腳，因為所有傳感器都可共享相同的 I2C 時鐘線路和數(shù)據(jù)線路。 當(dāng)多個傳感器共享同一條 I2C 總線時，必須各自擁有不同的總線地址。 總線地址由主機 MCU 分配，MCU 將按順序復(fù)位所有傳感器，并及時發(fā)出寫入命令。 因此，MCU 必須能夠直接通過其中一個 GPIO 引腳或 GPIO 擴展芯片，逐個復(fù)位/重啟所有傳感器。

從本質(zhì)上來說，如果設(shè)計人員不希望在 GPIO 計數(shù)、封裝尺寸和板復(fù)雜性三個方面對 MCU 作出過高指定，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 GPIO 引腳專用于 I2C 時鐘信號和數(shù)據(jù)信號）至少是 VL53L0x 接近傳感器數(shù)量兩倍的情況。 這種情況無需 GPIO 擴展芯片，并且每個傳感器的 XSHUT 引腳和中斷 (GPIO1) 引腳均可直接連接到主機 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 信號和中斷 (GPIO1) 信號的 GPIO 引腳數(shù)量不足的情況。 如圖 2 所示，在這種情況下，一對 GPIO 擴展器，例如 Fairchild FLX6408UMX，允許八個接近傳感器共享同一條 I2C 總線。 這一對擴展器中，一個用于為傳感器提供 XSHUT 復(fù)位信號，另一個負(fù)責(zé)接收輸出測距信號。

圖 2：I2C GPIO 擴展器示例。

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)計人員省去了一個 GPIO 擴展器。 對于這種情況，首選方案是利用 GPIO 擴展器（圖 2 中的 U1）向傳感器提供 XSHUT 信號，同時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 GPIO 擴展器傳送中斷信號所固有的延時問題，從而使系統(tǒng)能夠更快響應(yīng)測距過程中發(fā)生的任何變化。

采用 VL53L0x 進(jìn)行設(shè)計

為加快 VL53L0x 應(yīng)用的開發(fā)進(jìn)程，ST 提供了 X-NUCLEO-53LAO1 擴展板等多種開發(fā)板，用于 STM32 MCU 開發(fā)環(huán)境和 STSW-IMG005 API 封裝。 為確保用戶能夠在盡可能接近最終應(yīng)用的環(huán)境中驗證 VL53L0X，X-NUCLEO-53L0A1 擴展板均附帶一個底座，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 語言函數(shù)，其中包括傳感器初始化和測距數(shù)據(jù)采集功能的函數(shù)，可幫助實現(xiàn)最終用戶應(yīng)用的開發(fā)。 這款封裝的結(jié)構(gòu)使其能夠基于任何類型的平臺，通過一個孤立的平臺層（主要針對低級 I2C 訪問）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量精度，此外還提供硬件和軟件支持工具，可幫助設(shè)計人員以低成本方式快速測試新應(yīng)用、制作應(yīng)用原型以及實現(xiàn)其工業(yè)化。這些應(yīng)用都具備基于單一控制板統(tǒng)一管理多個感應(yīng)器的能力。