STM32F103驱动VL53L0X激光测距模块

简介

TOF 是飞行时间（Tlme of Flight）技术的缩写，即传感器发出经过调制的近红外光，遇到物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被测量物体的距离。
VL53L0X是新一代飞行时间（ToF）激光测距模块，无论目标反射率如何，都能提供精确的距离测量。它可以测量2m的绝对距离，为测距性能等级设定了新的基准。VL53L0X集成了一个领先的SPAD阵列（单光子雪崩二极管），并内嵌ST的第二代FlightSense™专利技术。
VL53L0X的940nm VCSEL发射器（垂直腔面发射激光器）完全不为人眼所见，加上内置的物理红外滤光片，使其测距距离更长，对环境光的免疫性更强，对盖片的光学串扰具有更好的稳定性。
VL53L0X 传感器提供了 4 种测量模式。分别为默认测量模式、高精度测量模式、长距离测量模式以及高速测量模式。根据 ST 官方提供的 4 种不同的精度模式的特点，具体参数如下表所示。

精度模式	S测量时间（ms）	测距性能（m）
默认	30	1.2
高精度	200	1.2精度<±3%
长距离	33	2
高速	20	1.2精度<±5%

由表格可知，在不同精度工作模式下，测量时间长短是不同的，测量时间最快是高速模式，只需 20ms 内就可以采样一次，但精度确存在有±5%的误差范围。而在长距离精度模式下，测距距离能达到 2m，测量时间在 33ms 内，但测量时需在黑暗条件。用户可以根据实际需要，在不用的应用场景可使用不同的工作模式。
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引脚定义

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SCL：IIC接口时钟信号线；
SDA：IIC接口数据信号线；.
VIN：3.3-5V电源正极；
GND：电源负极
XSHUT（reset）：复位，低有效；
GPIO1：中断输出
IIC器件地址：0x52
IIC通信频率：可达400KHz

STM32F103ZET6开发板与VL53L0X模块接线

STM32F103ZET6	VL53L0X
3.3V	VIN
GND	GND
PB10	SCL
PB11	SDA
XSHUT	PA4

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测试代码

主函数与初始化配置
以下按照程序的执行流程，代码清单 1 main 函数（main.c 文件），在 main 函数中，首先对 USART 串口初始化配置。然后进入VL53L0X 传感器功能测试阶段。

int main(void)
{
    
    
 /*初始化 USART 配置模式为 115200 8-N-1，中断接收*/
 USART_Config();
 
 printf(" 欢迎使用野火开发板\r\n");
 printf(" 激光测距传感器实验\r\n");
  while (1) {
    
    
 vl53l0x_test();
 }
}

代码清单2 VL53L0X 传感器测试（VL53L0X.c 文件）在测试函数中先是对 VL53L0X 传感器进行了初始化设置，当初始化成功则退出 while循环函数进入激光测距过程（第 16 行代码）。

1 /**
2 * @brief VL53L0X 主测试程序
3 * @param 无
4 * @retval 无
5 */
6 void vl53l0x_test(void)
7 {
    
    
8 /*vl53l0x 初始化*/
9 while (vl53l0x_init(&vl53l0x_dev)) {
    
    
10 printf("初始化失败\r\n");
11 printf("请检查连接\r\n");
12 }
13 printf("初始化成功\r\n");
14 
15 while (1) {
    
    
16 vl53l0x_general_test(&vl53l0x_dev);
17 }
18 }

代码清单 3 VL53L0X 工作模式测试函数（VL53L0X.c 文件）在 test 函数中，第 8 行使用 scanf 函数，使开发板获取来自串口调试助手发出的控制指令。当开发板接收到的指令字符 ch 为有效指令时（0<=ch<4 的整数），开发板控制传感器通过vl53l0x_general_start(dev,ch)函数（第 17 行代码）进入相对应激光测距模式；当接收的字符是无效指令时，则打印提示用户输入合法指令。

1 /**
2 * @brief vl53l0x 工作模式测试
3 * @param dev:设备 I2C 参数结构体
4 * @retval 无
5 */
6 void vl53l0x_general_test(VL53L0X_Dev_t *dev)
7 {
    
    
8 uint32_t ch;
9 
10 Show_GenTask_Message(); //显示普通测量模式 UI
11 
12 while (1) {
    
    
13 scanf("%d",&ch);
14 printf("接收到字符：%d\r\n",ch);
15 
16 if ((ch>=0) && (ch<=3)) {
    
    
17 vl53l0x_general_start(dev,ch);
18 Show_GenTask_Message();
19 } else {
    
    
20 /*如果不是指定指令字符，打印提示信息*/
21 printf("请输入合法指令！\r\n");
22 Show_GenTask_Message();
23 }
24 }
25 }

代码清单 4 VL53L0X 测量模式配置函数（VL53L0X.c 文件）在测量模式配置函数中，由于频繁切换精度模式容易导致采集距离数据不准，所以在使用之前先对 VL53L0X 传感器进行复位处理（第 18 行代码），然后使用VL53L0X_StaticIni()函数对传感器参数恢复为默认。另外，精度模式的配置是根据函数参数 mode 变量决定的，mode 值对应 0：默认，1：高精度 2：长距离，3：高速，根据全局数组 Mode_data[]变量的写入，从而实现不同精度模式的配置。

1 /**
2 * @brief VL53L0X 测量模式配置
3 * @param dev:设备 I2C 参数结构体
4 * @param mode: 0:默认;1:高精度;2:长距离
5 * @retval 状态信息
6 */
7 VL53L0X_Error vl53l0x_set_mode(VL53L0X_Dev_t *dev,uint8_t mode)
8 {
    
    
9 VL53L0X_Error status = VL53L0X_ERROR_NONE;
10 uint8_t VhvSettings;
11 uint8_t PhaseCal;
12 uint32_t refSpadCount;
13 uint8_t isApertureSpads;
14 
15 /*复位 vl53l0x(频繁切换工作模式容易导致采集距离数据不准，需加上这一代码)*/
18 vl53l0x_reset(dev);
19 status = VL53L0X_StaticInit(dev);
20 
21 /*已校准好了,写入校准值*/
22 if (AjustOK!=0) {
    
    
23 /*设定 Spads 校准值*/
24 status= VL53L0X_SetReferenceSpads(dev,Vl53l0x_data.refSpadCount,
25 Vl53l0x_data.isApertureSpads);
26 if (status!=VL53L0X_ERROR_NONE) goto error;
27 delay_ms(2);
28 
29 /*设定 Ref 校准值*/
30 status= VL53L0X_SetRefCalibration(dev,Vl53l0x_data.VhvSettings,
31 Vl53l0x_data.PhaseCal);
32 if (status!=VL53L0X_ERROR_NONE) goto error;
33 delay_ms(2);
34 
35 /*中间省略代码*/
36 .......
37
38 
39 /*设定 VCSEL 脉冲周期*/
40 status = VL53L0X_SetVcselPulsePeriod(dev,
41 VL53L0X_VCSEL_PERIOD_PRE_RANGE, 
Mode_data[mode].preRangeVcselPeriod);
43 if (status!=VL53L0X_ERROR_NONE) goto error;
44 delay_ms(2);
45 
46 /*设定 VCSEL 脉冲周期范围*/
47 status = VL53L0X_SetVcselPulsePeriod(dev,
 VL53L0X_VCSEL_PERIOD_FINAL_RANGE,
 Mode_data[mode].finalRangeVcselPeriod);
50 
51 error:/*错误信息*/
52 if (status!=VL53L0X_ERROR_NONE) {
    
    
53 print_pal_error(status);
54 return status;
55 }
56 return status;
57}

代码清单 5 VL53L0X 单次距离测量函数（VL53L0X.c 文件）在该函数中，通过调用 VL53L0X_PerformSingleRangingMeasurement ()函数启动单次测量（第 15 行代码），该函数为阻塞函数，当测量结束后，测量的数据将被保存到 pdata 测量数据结构体上，最后将获取测量结构体的测量数据赋值给 Distance_data 全局变量（第24 行代），通过读取 Distance_data 变量的值我们就可以知道测量距离了。

1 /**
2 * @brief VL53L0X 单次距离测量函数
3 * @param dev:设备 I2C 参数结构体
4 * @param pdata:保存测量数据结构体
5 * @retval 状态信息
6 */
7 VL53L0X_Error vl53l0x_start_single_test(VL53L0X_Dev_t *dev, 
VL53L0X_RangingMeasurementData_t *pdata,
9 char *buf)
10 {
    
    
11 VL53L0X_Error status = VL53L0X_ERROR_NONE;
12 uint8_t RangeStatus;
13 
14 /*执行单次测距并获取测距测量数据*/
15 status = VL53L0X_PerformSingleRangingMeasurement(dev, pdata);
16 if (status !=VL53L0X_ERROR_NONE) 
return status;
17 
18 /*获取当前测量状态*/
19 RangeStatus = pdata->RangeStatus;
20 memset(buf,0x00,VL53L0X_MAX_STRING_LENGTH);
21 /*根据测量状态读取状态字符串*/
22 VL53L0X_GetRangeStatusString(RangeStatus,buf);
23 /*保存最近一次测距测量数据*/
24 Distance_data = pdata->RangeMilliMeter;
25 
26 return status;
27 }

实验结果

在串口助手软件输入对应测距模式的编号后，激光测距传感器获取感应信息，将结果通过开发版 usart1 串口输给串口调试助手软件显示出来。
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