概述

多區(qū)域掃描模式是 VL53L1 飛行時(shí)間 (Time-of-Flight, ToF) 傳感器的一項(xiàng)高級功能，允許用戶同時(shí)對多個(gè)區(qū)域進(jìn)行距離測量。該模式通過劃分視場（Field of View, FoV）為多個(gè)感興趣區(qū)域（Region of Interest, ROI），并對每個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行測距，為需要廣域監(jiān)控和多目標(biāo)檢測的應(yīng)用提供了理想的解決方案。 在多區(qū)域掃描模式下，VL53L1 傳感器可以最多支持 16 個(gè)區(qū)域的并行測量，用戶還可以根據(jù)需求將區(qū)域數(shù)量擴(kuò)展到 169 個(gè)。每個(gè)區(qū)域的測量結(jié)果會(huì)獨(dú)立報(bào)告，這使得該模式特別適合于需要監(jiān)測大面積區(qū)域或精確跟蹤多個(gè)目標(biāo)的場景，例如投影機(jī)梯形校正、多點(diǎn)距離檢測和環(huán)境映射等。

該模式支持最多 16 個(gè)區(qū)域的并行測量，用戶還可以根據(jù)需求擴(kuò)展到 169 個(gè)區(qū)域。這使得多區(qū)域掃描模式成為投影機(jī)梯形校正應(yīng)用的理想選擇，能夠有效應(yīng)對復(fù)雜的角度調(diào)整和多點(diǎn)校正需求。

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視頻教學(xué)

[https://www.bilibili.com/video/BV1aJHveYEA3/]

樣品申請

[https://www.wjx.top/vm/OhcKxJk.aspx#]

源碼下載

[https://download.csdn.net/download/qq_24312945/89703992]

硬件準(zhǔn)備

首先需要準(zhǔn)備一個(gè)開發(fā)板，這里我準(zhǔn)備的是自己繪制的開發(fā)板，需要的可以進(jìn)行申請。
主控為STM32WB55RGV6，TOF為VL53L1。

主要特點(diǎn)

● 多區(qū)域檢測：支持對投影圖像的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行獨(dú)立測距，有助于精確的梯形校正。
● 高精度與靈活性：用戶可以根據(jù)投影需求自定義 ROI 的數(shù)量和大小，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的圖像調(diào)整。
● 應(yīng)用場景：除了投影機(jī)梯形校正，該模式還適用于需要多點(diǎn)距離測量的其他應(yīng)用，如機(jī)器人導(dǎo)航和環(huán)境映射。

生成STM32CUBEMX

用STM32CUBEMX生成例程，這里使用MCU為STM32WB55RG。

配置時(shí)鐘樹，配置時(shí)鐘為32M。

串口配置

查看原理圖，PB6和PB7設(shè)置為開發(fā)板的串口。

配置串口。

IIC配置

在這個(gè)應(yīng)用中，VL53L1模塊通過I2C（IIC）接口與主控器通信。具體來說，VL53L1模塊的I2C引腳連接到主控器的PB8和PB9兩個(gè)IO口。

配置IIC為快速模式，速度為400k。

XSHUT

XSHUT引腳是由主機(jī)連接和控制的，這種設(shè)計(jì)優(yōu)化了功耗，因?yàn)樵O(shè)備在不使用時(shí)可以被完全關(guān)閉，然后通過主機(jī)使用XSHUT引腳來喚醒。當(dāng)AVDD存在且XSHUT為低電平時(shí)，設(shè)備處于硬件待機(jī)模式（HW Standby mode）。如果XSHUT引腳不由主機(jī)控制，而是通過上拉電阻連接到AVDD，那么設(shè)備在固件啟動(dòng)（FW BOOT）后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入軟件待機(jī)（SW STANDBY），而不會(huì)進(jìn)入硬件待機(jī)。

GPIO1

在VL53L1X傳感器中，GPIO1（通用輸入輸出引腳1）通常用于中斷信號(hào)輸出。

配置如下所示。

X-CUBE-TOF1

本節(jié)介紹在不需要使用樣例應(yīng)用時(shí)如何使用STM32CubeMX將X-CUBE-TOF1軟件包添加到項(xiàng)目中。有了這樣的設(shè)置，就只配置了驅(qū)動(dòng)層。

堆棧設(shè)置

若無法正常運(yùn)行需要修改優(yōu)化等級。

函數(shù)說明

[https://docs.ros.org/en/melodic/api/vl53l1x/html/group__VL53L1__parameters__group.html]

初始化設(shè)置

UM2371文檔是關(guān)于使用X-CUBE-53L1A1軟件擴(kuò)展包在STM32Cube平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)VL53L1X傳感器應(yīng)用的入門指南。它詳細(xì)介紹了如何配置和使用VL53L1X傳感器進(jìn)行測距，并將測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C。

預(yù)設(shè)模式 (Preset mode)

在 UM2133 文檔的第 3.2.4 節(jié)中，描述了 VL53L1 傳感器的預(yù)設(shè)模式選擇功能。以下是該部分的主要內(nèi)容：
● 功能: VL53L1_SetPresetMode() 函數(shù)用于選擇一個(gè)預(yù)設(shè)的測距模式。使用當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)程序版本，可以選擇以下幾種預(yù)設(shè)模式：
● VL53L1_PRESETMODE_RANGING: 標(biāo)準(zhǔn)測距模式，用于獲取單個(gè)或多個(gè)（最多 4 個(gè)）目標(biāo)的測距數(shù)據(jù)。
● VL53L1_PRESETMODE_MULTIZONES_SCANNING: 多區(qū)域掃描模式，允許用戶定義的多個(gè)感興趣區(qū)域（ROI）進(jìn)行連續(xù)掃描，并逐一報(bào)告每個(gè)區(qū)域的測距值。默認(rèn)最多支持 16 個(gè)區(qū)域，最高可擴(kuò)展到 169 個(gè)區(qū)域。
● VL53L1_PRESETMODE_LITE_RANGING: 簡化測距模式（已廢棄），最初設(shè)計(jì)用于降低主機(jī)的處理負(fù)擔(dān)。
● VL53L1_PRESETMODE_AUTONOMOUS: 自主測距模式，在該模式下，傳感器可以定期進(jìn)行測量，而無需主機(jī)干預(yù)，適合低功耗應(yīng)用。
● 默認(rèn)模式: 默認(rèn)的預(yù)設(shè)模式為 VL53L1_PRESETMODE_RANGING。

VL53L1_SetPresetMode

VL53L1_SetPresetMode() 是 VL53L1 傳感器的一個(gè)API函數(shù)，用于將設(shè)備設(shè)置為一個(gè)新的預(yù)設(shè)模式（Preset Mode）。該函數(shù)定義了傳感器的工作模式，比如高速測距或多目標(biāo)檢測。
函數(shù)描述：
● 作用: 這個(gè)函數(shù)設(shè)置設(shè)備的操作模式，比如高速測距或多對象檢測等。它通過修改測量的時(shí)間預(yù)算和測量間隔來實(shí)現(xiàn)不同的模式。
● 注意事項(xiàng):
○ 這個(gè)函數(shù)并不會(huì)直接訪問設(shè)備，而是修改了相關(guān)的配置參數(shù)。
○ 使用該函數(shù)后，時(shí)間預(yù)算會(huì)被設(shè)定為 16 ms，測量間隔被設(shè)定為 1000 ms，且距離模式被設(shè)定為 VL53L1_DISTANCEMODE_LONG。

將 VL53L1 傳感器的預(yù)設(shè)模式設(shè)置為 VL53L1_PRESETMODE_MULTIZONES_SCANNING（多區(qū)域掃描模式）。

/*VL53L1_SetPresetMode function is mandatory to be called even if default PresetMode is the VL53L1_PRESETMODE_RANGING */
  status = VL53L1_SetPresetMode(&VL53L1CBObj1, VL53L1_PRESETMODE_MULTIZONES_SCANNING);

VL53L1_SetDistanceMode

VL53L1_SetDistanceMode() 是 VL53L1 傳感器的一個(gè)API函數(shù)，用于設(shè)置傳感器的測距模式。該函數(shù)允許用戶選擇適合具體應(yīng)用場景的測距范圍，以優(yōu)化測量精度。不同的測距模式在不同的距離范圍內(nèi)提供最佳的測量結(jié)果。

根據(jù)不同的預(yù)設(shè)模式（Preset mode），用戶可以選擇適合的距離模式來優(yōu)化測量的準(zhǔn)確性和設(shè)備的性能。表格中的內(nèi)容解釋了每種距離模式的可能選項(xiàng)及其優(yōu)點(diǎn)或注意事項(xiàng)。

status = VL53L1_SetDistanceMode(&VL53L1CBObj1, VL53L1_DISTANCEMODE_LONG);

時(shí)間預(yù)算

VL53L1_SetMeasurementTimingBudgetMicroSeconds() 是一個(gè)用于設(shè)置 VL53L1 傳感器測距時(shí)間預(yù)算的 API 函數(shù)。通過這個(gè)函數(shù)，用戶可以定義設(shè)備在當(dāng)前模式下（如測距、直方圖模式等）完成一次完整測距序列所允許的最大時(shí)間。

VL53L1_ERROR_INVALID_PARAMS: 如果傳入的時(shí)間參數(shù)不被支持，會(huì)返回此錯(cuò)誤。計(jì)算出的時(shí)間預(yù)算最大值為10秒，最小值則取決于所選擇的預(yù)設(shè)模式。
時(shí)間預(yù)算值（表格）: 表格中列出了不同預(yù)設(shè)模式下的時(shí)間預(yù)算的最小值、典型值和最大值：
● Ranging（測距模式）:
○ 最小值: 8毫秒
○ 典型值: 16毫秒
○ 最大值: 500毫秒
● MultiZone scanning（多區(qū)域掃描模式）:
○ 最小值: 8毫秒
○ 典型值: 16毫秒
○ 最大值: 500毫秒
● Autonomous（自主模式）:
○ 最小值: 20毫秒
○ 典型值: 40毫秒
○ 最大值: 1000毫秒

status = VL53L1_SetMeasurementTimingBudgetMicroSeconds(&VL53L1CBObj1, 500000);

單個(gè)ROI（Single ROI）設(shè)置

● 默認(rèn)設(shè)置: VL53L1傳感器的默認(rèn)ROI大小是16x16 SPAD（單光子雪崩二極管）矩陣。
● 自定義ROI: 用戶可以調(diào)用 VL53L1_SetROI() 函數(shù)來設(shè)置與默認(rèn)16x16不同的ROI。ROI是由兩個(gè)角點(diǎn)（左上角和右下角）定義的正方形或矩形區(qū)域。
● 四個(gè)坐標(biāo):
● TopLeftX: 左上角X坐標(biāo)。
● TopLeftY: 左上角Y坐標(biāo)。
● BotRightX: 右下角X坐標(biāo)。
● BotRightY: 右下角Y坐標(biāo)。
● 結(jié)構(gòu)體: 這些坐標(biāo)是 VL53L1_UserROI_t 類型的結(jié)構(gòu)體的一部分。用戶需要在結(jié)構(gòu)體中定義這些ROI坐標(biāo)值，然后調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)應(yīng)用ROI更改。
● 最小ROI尺寸: 最小的ROI尺寸是4x4 SPAD矩陣。

設(shè)置完畢之后使用 VL53L1_StartMeasurement 啟動(dòng)測量。

VL53L1_MultiRangingData_t MultiRangingData;
    VL53L1_MultiRangingData_t *pMultiRangingData = &MultiRangingData;
    uint8_t NewDataReady = 0;
    uint8_t NumROI = 16, RoiNumber=0, RoiStatus=0;
    int no_of_object_found = 0, j, k;
    VL53L1_RoiConfig_t pRoiConfig;

    pRoiConfig.NumberOfRoi=NumROI;

  printf("Start set Roi");
  for(k=0;k< 4;k++)
      for(j=0;j< 4;j++)
      {
          pRoiConfig.UserRois[k*4+j].TopLeftX=j*4;
          pRoiConfig.UserRois[k*4+j].TopLeftY=k*4+3;
          pRoiConfig.UserRois[k*4+j].BotRightX=j*4+3;
          pRoiConfig.UserRois[k*4+j].BotRightY=k*4;
          printf("set Roi %dnrx: %d-%d    y: %d-%dnr",k*4+j,j*4,j*4+3,k*4,k*4+3);
      }    

  /* VL53L1_SetROI must be called after VL53L1_SetPresetMode */
  status = VL53L1_SetROI(&VL53L1CBObj1, &pRoiConfig);
  if (!status){
    status = VL53L1_StartMeasurement(&VL53L1CBObj1);
  }
  else{
    printf("VL53L1_SetROI failed: error =%dnr", status);
    while(1){};
  };    
  if(status){
    printf("VL53L1_StartMeasurement failed: error = %d nr", status);
    while(1);
  }

主程序

● 數(shù)據(jù)檢查:
● VL53L1_GetMeasurementDataReady(&VL53L1CBObj1, &NewDataReady);：這個(gè)函數(shù)檢查傳感器的測量數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。如果有數(shù)據(jù)可用，NewDataReady 會(huì)被設(shè)置為非零值。
● HAL_Delay(1);：插入一個(gè)1毫秒的延遲，避免在輪詢過程中占用過多的CPU時(shí)間。
● 數(shù)據(jù)獲取:
● 如果測量數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，代碼會(huì)調(diào)用 VL53L1_GetMultiRangingData(&VL53L1CBObj1, pMultiRangingData); 獲取多區(qū)域測距數(shù)據(jù)。
● RoiNumber 和 RoiStatus 從 pMultiRangingData 中提取，表示當(dāng)前ROI的編號(hào)和狀態(tài)。
● RangeMilliMeter 是從 pMultiRangingData->RangeData[0] 中提取的測量距離（以毫米為單位）。
● 數(shù)據(jù)輸出:
● printf 語句將獲取到的數(shù)據(jù)（ROI編號(hào)、狀態(tài)、測量距離）輸出到控制臺(tái)或串口。
● 數(shù)據(jù)格式為：RoiNumber, RoiStatus, RangeMilliMeter，每次測量后輸出一行。
● 中斷清除與新測量開始:
● 如果成功獲取到數(shù)據(jù)并處理完，代碼調(diào)用 VL53L1_ClearInterruptAndStartMeasurement(&VL53L1CBObj1); 清除中斷并啟動(dòng)新的測量。

do{ // polling mode
      status = VL53L1_GetMeasurementDataReady(&VL53L1CBObj1, &NewDataReady);
      HAL_Delay(1);
      if((!status)&&(NewDataReady!=0)){
        status = VL53L1_GetMultiRangingData(&VL53L1CBObj1, pMultiRangingData);
        RoiNumber=pMultiRangingData- >RoiNumber;
        RoiStatus=pMultiRangingData- >RoiStatus;

        printf("%1d,", RoiNumber);
        printf("%1d,", RoiStatus);
        printf("%d", pMultiRangingData- >RangeData[0].RangeMilliMeter);
        printf ("nr");
        if (status==0){
          status = VL53L1_ClearInterruptAndStartMeasurement(&VL53L1CBObj1);
        }
      }
    }
    while (1);

數(shù)據(jù)說明

RoiNumber: 8 位整數(shù)，表示與該測量數(shù)據(jù)相關(guān)的ROI編號(hào)。

RoiStatus: 當(dāng)前ROI的狀態(tài)，可能的值為 0, 1 或 2，分別表示“無效ROI”、“有效ROI”和“最后一個(gè)ROI”。

如果未檢測到目標(biāo)且測量有效，所有的距離值會(huì)被強(qiáng)制設(shè)置為最大值，并且其他返回值會(huì)設(shè)置為默認(rèn)值（如0或8191）。

測試結(jié)果

VL53L1對著天花板測量數(shù)據(jù)如下所示，2個(gè)數(shù)據(jù)之間相處時(shí)間約為500ms。

審核編輯 黃宇