VL53L5CX ToF传感器使用入门

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VL53L5CX是一款多区飞行时间测距（ToF）传感器，可在4x4或8x8的单独区域中生成测距数据。每个区域最多可检测四个目标并提供最高达四米的距离测量。当配置为4x4分辨率时，最大测距频率为60Hz；而配置为8x8分辨率时，最大测距频率为15Hz。该驱动程序支持多种附加功能，例如当使用区域覆盖玻璃时，进行串扰校准、低功耗操作的对象阈值检测和运动检测。

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VL53L5CX的驱动程序分为两种。ULD API是一组精简优化的C函数集合，只需要三个文件即可实现基本功能。另一种是X-CUBE-TOF1扩展软件包，其中包括几个额外的抽象层和示例应用，非常适合使用X-NUCLEO-53L5A1扩展板和/或VL53L5CS-SATEL子板进行原型设计。X-CUBE-TOF1软件包已经充分集成到STM32CubeMX代码配置器软件中，并且UM2853中还包含详细的使用入门说明。因此，本文将重点介绍ULD API，因为将驱动程序添加到项目中需要更多的手动操作。最后一部分还提供了重现上述动画示例项目的资源。

要求

在开始前，需要准备以下固件、软件和硬件设备。

  • STSW-IMG023 （本教程中使用的是1.3.6版）
    • 本软件包包含独立于平台的VL53L5CX ULD驱动程序文件（采用C语言编写）。你可以点击此处获取。
  • 一块 Nucleo 板
    • 尽管本教程使用的是NUCLEO-F401RE板，但任何Nucleo板都可以使用（尽管相关说明可能稍有不同）。请注意，USB线缆不包括在内。
  • X-NUCLEO-53L1A1
    • 还需要用于评估VL53L5CX模块的扩展板，你可以点击此处购买。
  • STM32CubeIDE （本教程中使用的是1.11.2版）
    • 你也可以根据自己的喜好使用其他IDE，例如Keil、IAR等。但我强烈建议使用STM32CubeIDE。尤其对于STM32开发的新手而言。你可以点击此处下载。

配置 STM32 器件

  1. 新建STM32CubeIDE项目[如果还没有创建的话；创建路径：文件>新建>STM32项目 (File > New > STM32 Project)]。使用MCU/MPU 选择器 或板选择器选择目标器件。本教程中，我选择了NUCLEO-F401RE开发板，因为它包含在P-NUCLEO-53L5A1评估套件中。为项目命名，然后点击完成。

  2. 使用器件配置工具（如果没有自动打开，请双击项目资源管理器中的.ioc文件），将器件配置为与VL53L5CX传感器连接。首先在引脚排列视图中为I2C实例、外部中断信号和启用/复位线配置器件的GPIO引脚。在本例中，我使用了X-NUCLEO-53L5A1扩展板上的中央模块，因此根据UM2889的图2中提供的原理图来配置我的器件（见下面的表1）。最终的引脚排列配置如图1所示。

表 1 ： X-NUCLEO-53L5A1扩展板的中央模块的GPIO配置

X-NUCLEO-53L5CX 信号名称 Arduino 引脚 NUCLEO-F401RE 引脚 引脚配置
I2C_RST_C D3 PB3 GPIO_Output
LPn_C D5 PB4 GPIO_Output
PWR_EN_C A3 PB0 GPIO_Output
INT_C A2 PA4 GPIO_EXTIx
SCL D15 PB8 I2Cx_SCL
SDA D14 PB9 I2Cx_SDA

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图 1 ： 与表1中的信号相对应的引脚排列配置变更

  1. 从左侧的元件清单中选择与先前配置的SDA和SCL引脚相对应的I2C外设。我为我的器件选择了I2C1 。在模式面板中，从I2C设置的下拉列表中选择“I2C”。请注意，执行此操作后，引脚排列视图中的SDA和SCL引脚应从黄色变为绿色。在配置面板中，从“I2C速度模式”设置的下拉列表中选择“快速模式”。最终的I2C配置应与图2类似。

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图 2 ： VL53L5CX传感器的I2C配置

  1. 从元件清单中选择GPIO外设，并将PWR_EN_C和LPn_C引脚的“GPIO输出电平”更改为“高”。对于INT_C引脚，将GPIO模式更改为“带下降沿触发器检测的外部中断模式”。请注意，INT_C引脚的默认“无上拉且无下拉电阻”设置需保持不变，因为X-NUCLEO-53L5A1板上安装了47 kΩ的上拉电阻（R5）。为明确起见，你也可以选择为VL53L5CX接口引脚添加相应的用户标签。图3中突出显示了对GPIO设置的所有更改。

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图 3 ： VL53L5CX传感器的GPIO配置

  1. 在NVIC 选项卡下，勾选INT_C引脚所对应的EXTI线旁边的复选框，如图4所示。

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图 4 ： 启用对应于VL53L5CX INT信号的外部中断。

  1. 保存.ioc文件以生成项目的代码。

添加驱动程序

本教程再次说明了如何添加和使用VL53L5CX ULD API。如果你倾向于使用X-CUBE-TOF1软件包，请按照UM2853中提供的说明操作。

  1. 下载ULD API并将文件提取到目标位置。在撰写本文时，1.3.6版是最新版本。

  2. 在STM32CubeIDE中，在项目资源管理器中右键单击驱动程序文件夹，选择导入。使用导入向导，从常规类别中选择文件系统。点击下一步。

  3. 在“来源目录：”字段中填充ULD驱动程序的路径：<extraction_location>/VL53L5CX_ULD_driver_1.3.0。如图5所示，在VL53L5CX_ULD_API目录中选择所有资源。点击完成。

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图 5 ： 导入VL53L5CX ULD驱动程序

  1. 在项目资源管理器中，右键单击Drivers/VL53L5CX_ULD_API/inc目录。选择添加 / 删除包含路径 … ，然后点击确定。

  2. 将示例平台文件复制并粘贴到项目中。

  • 复制<extraction_location>/VL53L5CX_ULD_driver_1.3.6/CubeIDE_F401RE_Example/Core/Inc/platform.h 并将其粘贴到 Core/Inc。

  • 复制<extraction_location>/VL53L5CX_ULD_driver_1.3.6/CubeIDE_F401RE_Example/Core/Src/platform.c 并将其粘贴到 Core/Src。

对目录结构所做的更改如下图6所示。要开始使用驱动程序，请将#include "vl53l5cx_api.h" 行添加到main.c文件的“私有包含”部分中。该项目应该能够成功构建。

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图 6 ： 平台文件

示例应用

本文开头的动画中展示了使用8x8 NeoPixel矩阵的简单应用。图7显示了硬件设置的静态图像。外部5V（2A）电源已连接到Nucleo板的E5V上，由+5V引脚向NeoPixel矩阵提供电源。引脚PB10（Arduino标头上的D6）提供了NeoPixel控制信号，因此也连接到了矩阵的DIN上。如需了解有关生成NeoPixel控制信号的详细信息，请参见使用STM32控制NeoPixels。

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图 7 ： 应用照片

要为Nucleo板上电，必须遵循正确的启动序列！

  1. 确保JP5处于E5V位置上（在引脚2和3之间）
  2. 确保已移除JP1
  3. 连接外部5V电源并为其上电
  4. 确认LD3已开启
  5. 将PC连接到ST-LINK USB连接器（CN1）

我强烈你建议在使用外部电源之前阅读UM1724的第6.3节，以避免损坏你的开发板！

此应用的main.c文件位于项目的GitHub存储库中。请注意，使用在STM32上轻松使用printf中描述的方法启用printf语句。