【開源教程15】瘋殼·開源編隊(duì)無(wú)人機(jī)-I2C（激光測(cè)距）

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COCOFLY教程

——瘋殼·無(wú)人機(jī)·系列

I2C（激光測(cè)距）

    圖1


    一、VL53L1X 簡(jiǎn)介
    VL53L1X 屬于 STMicroelectronics 即常說(shuō)的意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的
    FlightSense™ 產(chǎn)品系列 ToF(Time of flight)激光測(cè)距傳感器。
    VL53L1X 是目前市場(chǎng)上最快的微型 ToF 傳感器，精確測(cè)距能力達(dá) 4 米，測(cè)距頻率快至 50 Hz。它采用微型、可回流焊封裝，集成了一個(gè)單光子雪崩二極管
    （SPAD）接收陣列、一個(gè) 940nm 不可見(jiàn)激光 1 類發(fā)射器、物理紅外濾波器和光學(xué)器件，可在各種環(huán)境照明條件下實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)距性能，并提供一系列覆蓋窗口選擇。
    由于封裝小巧，因此它很容易集成到設(shè)備中。與傳統(tǒng)的紅外傳感器不同， VL53L1X 采用 ST 最新一代 ToF 技術(shù)，無(wú)論目標(biāo)顏色和反射率如何，都可以進(jìn)行絕對(duì)距離測(cè)量。還可以對(duì)接收陣列上的 ROI（感興趣區(qū)域）大小進(jìn)行編程，從而減小傳感器 FoV（視場(chǎng)角）。VL53L1X 激光測(cè)距傳感器的實(shí)物圖如下圖所示。

   
    圖2
    二、I2C 概述
    Inter-Integrated Circuit，即內(nèi)部集成電路接口，縮寫為 IIC 或 I2C。IIC 總線是一種由 PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C 總線在物理連接上非常簡(jiǎn)單，分別由 SDA(串行數(shù)據(jù)線)和 SCL(串行時(shí)鐘線)及上拉電阻組成。通信原理是通過(guò)對(duì) SCL 和 SDA 線高低電平時(shí)序的控制， 來(lái)產(chǎn)生 I2C 總線協(xié)議所需要的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。在總線空閑狀態(tài)時(shí)，這兩根線一般被上面所接的上拉電阻拉高，保持著高電平。如下圖所示為單片機(jī)與 I2C接口的傳感器之間通信示意圖。



    圖3

    三、I2C 總線協(xié)議
    對(duì) I2C 總線的操作實(shí)際就是主從設(shè)備之間的讀寫操作。大致可分為以下兩種操作情況：
    第一，主設(shè)備往從設(shè)備中寫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸格式如下：

   
圖4
    第二，主設(shè)備從從設(shè)備中讀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸格式如下：

   
    圖5
    實(shí)際上把 I2C 協(xié)議拆分開來(lái)它的組成有：起始條件、終止條件、地址段、數(shù)據(jù)段、響應(yīng) ACK、非響應(yīng) NACK。
    （1）START 和 STOP，起始和終止條件都是由主機(jī)（master）發(fā)起產(chǎn)生。總線在起始條件之后處于忙碌狀態(tài)，在停止條件之后又處于空閑狀態(tài)。

   
    圖6
    起始條件：SCL 線是高電平時(shí)，SDA 線從高電平向低電平切換。停止條件：SCL 線是高電平時(shí)，SDA 線從低電平向高電平切換。
    （2）地址段，地址段由 7bit 地址+讀寫位組成，一個(gè) 7-bit 的地址是從最高位（MSB） 開始發(fā)送的，這個(gè)地址后面會(huì)緊跟 1-bit（R/W）的操作符，1 表示讀操作，0 表示寫操作。 接下來(lái)的一個(gè) bit 是 NACK/ACK，當(dāng)這個(gè)幀中前面 8 bit 發(fā)送完后，接收端的設(shè)備獲得 SDA 控制權(quán)，此時(shí)接收設(shè)備應(yīng)該在第 9 個(gè)時(shí)鐘脈沖之前回復(fù)一個(gè) ACK（將 SDA 拉低）以表示接收正常，如果接收設(shè)備沒(méi)有將SDA 拉低，則說(shuō)明接收設(shè)備可能沒(méi)有收到數(shù)據(jù)（如尋址的設(shè)備不存在或設(shè)備忙） 或無(wú)法解析收到的消息，如果是這樣，則由 master 來(lái)決定如何處理，比如：停止。

  
    圖7
    （3）數(shù)據(jù)段，SDA 數(shù)據(jù)線上的每個(gè)字節(jié)必須是 8 位，每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量沒(méi)有限制。每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)響應(yīng)位（ACK）。首先傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是最高位
    （MSB)，SDA 上的數(shù)據(jù)必須在 SCL 高電平周期時(shí)保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的高低電平翻轉(zhuǎn)變化發(fā)生在 SCL 低電平時(shí)期。


    圖8
    以傳輸 Byte：1010 1010 (0xAAh)為例，SDA SCL 傳輸時(shí)序如下所示：

  
    圖9
    （4）響應(yīng) ACK（Acknowledge）和非響應(yīng) NACK（Not Acknowledge）,
    每個(gè)字節(jié)傳輸必須帶響應(yīng)位，相關(guān)的響應(yīng)時(shí)鐘也由主機(jī)產(chǎn)生，在響應(yīng)的時(shí)鐘脈沖期間（第 9 個(gè)時(shí)鐘周期），發(fā)送端釋放 SDA 線，接收端把 SDA 拉低。以上圖傳輸 101010101 為例，SCL 第 9 位時(shí)鐘高電平信號(hào)期間，SDA 拉低其代表了有ACK響應(yīng)位。當(dāng)在 SCL 第 9 位時(shí)鐘高電平信號(hào)期間，SDA 仍然保持高電平，這種情況定義為 NACK 非響應(yīng)位。這種情況下，主機(jī)可以直接產(chǎn)生 STOP 條件終止以后的傳輸或者繼續(xù)重新 START 開始一個(gè)新的傳輸。以下情況會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn) NACK 位：
    a、接收機(jī)沒(méi)有發(fā)送機(jī)響應(yīng)的地址，接收端沒(méi)有任何 ACK 發(fā)送給發(fā)射機(jī)；
    b、由于接收機(jī)正在忙碌處理實(shí)時(shí)程序?qū)е陆訜o(wú)法接收或者發(fā)送； c、傳輸過(guò)程中，接收機(jī)識(shí)別不了發(fā)送機(jī)的數(shù)據(jù)或命令；
    d、接收機(jī)無(wú)法接收；
    e、主機(jī)接收完成讀取數(shù)據(jù)后，要發(fā)送 NACK 結(jié)束告知從機(jī)。以下圖例代表 NACK 時(shí)序：

   
    圖10

    根據(jù) I2C 協(xié)議分解的各個(gè)部分，可得出讀和寫的時(shí)序圖，以向某傳感器的地址為 0x09 的寄存器寫入兩個(gè)字節(jié) 0x02 和 0x84 為例，如下圖所示為該過(guò)程時(shí)序圖。


    圖11
    以從某傳感器的地址為 0x09 的寄存器中讀出兩個(gè)字節(jié) 0x02 和 0x84 為例， 該時(shí)序圖如下所示。

   
    圖12

    四、激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)

    激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)使用STM32 的GPIO 模擬I2C 與激光測(cè)距模組VL53L1X 相連接，串口 1 即UART1，通過(guò) USB 轉(zhuǎn)串口模塊連接電腦，把 I2C 獲取到的VL53L1X的距離值（mm 為單位）通過(guò)串口 1 傳輸?shù)诫娔X端的串口調(diào)試助手顯示出來(lái)。做該實(shí)驗(yàn)的時(shí)候需要把視覺(jué)模組暫時(shí)取下，并且把 USB 轉(zhuǎn)串口的線接到視覺(jué)模組接口處。激光測(cè)距模組 VL53L1X 在無(wú)人機(jī)支架底部，杜邦線和 SH1.0 接口接到主板上的 USART3（這里用該接口的 GPIO 模擬 I2C）的接口上，如下圖所示。

   
    圖13
    根據(jù)原理圖，可以看到 VL53L1X 的 I2C 接口分別是：PB10、PB11，如下圖所示。

   
    圖14
    串口 1 的配置可以參考《串口（基礎(chǔ)收發(fā)），配置代碼（通過(guò)調(diào)用官方庫(kù)）。獲取 VL53L1X 的測(cè)距數(shù)據(jù)代碼編寫的思路如下：
    代碼思路

   
    表1
    模擬 I2C 的 GPIO 初始化代碼如下：


    圖15
    VL53L1X 的初始化代碼如下。

   
    圖16
    VL53L1X 的測(cè)距代碼如下。

   
    圖17
    每隔 5s 讀取一次距離，并發(fā)送到串口上。代碼如下所示。


    圖18
    這里注意要把串口的發(fā)送也配置好，這樣才能把數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦。串口 1 通過(guò) USB 轉(zhuǎn)串口模塊接到電腦，保存、編譯、下載代碼，可以看到串口調(diào)試助手每隔 5s 在打印 VL53L1X 的 2 個(gè)字節(jié)的距離數(shù)據(jù)（mm 為單位），數(shù)據(jù)如下圖所示：

  
    圖19




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2022-8-19 15:34 上傳

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