基于STM32CUBEMX驱动TOF模块VL6180与VL6180X(1)----单模块距离获取的最佳实践

概述

VL6180X是基于ST FlightSense™专利技术的最新产品。作为一项突破性技术，它实现了独立于目标反射率的绝对距离测量。传统的测量方法通过测量反射光的光量来估算距离，然而这种方法存在一个主要缺点，即被测物体的颜色和表面特性对测量精度产生很大影响。VL6180X采用了一种全新的方法，它精确测量了光线从传感器照射到最近物体，并在反射回传感器所需的时间（即飞行时间），从而准确计算出两者之间的距离。

VL6180X模块集成了一个红外发射器、一个红外传感器和一个环境光传感器，全部封装在一个便于集成的三合一回流焊封装中。这种设计使终端产品制造商能够减少光学和机械设计的优化过程，并降低相关成本。 该模块具备低功耗操作的特点。测距和环境光感应（ALS）测量可以在用户定义的时间间隔内自动执行。此外，它支持多种门限和中断方案，以最大程度地减少主机操作的需要。 主机控制和结果读取是通过I2C接口实现的，方便快捷。此外，VL6180X还提供两个可编程的GPIO引脚，用于可选的附加功能，例如测量准备和门限中断。 通过以上的优化和扩写，文案更加详细地描述了VL6180X模块的工作原理、集成设计的优势以及支持的功能和接口。这些信息可以帮助读者更好地了解该模块的特性和应用价值。 最近在弄ST和瑞萨RA的课程，需要样片的可以加群申请：6_15061293 。

视频教程

[https://www.bilibili.com/video/BV1tX4y1q7Zj/]

样品申请

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

完整代码下载

[https://download.csdn.net/download/qq_24312945/87945855]

所有功能

• 三合一智能光学模块
  • 接近传感器
  • 环境光传感器
  • VCSEL光源
• 快速，精确测距
  • 绝对测量范围从0到超过10 cm（10cm以上的测距取决于具体情况）
  • 不受目标反射率影响
  • 环境光抑制
  • 盖片的串扰补偿
• 盖片的串扰补偿
  • 主机系统可以用距离和信号电平实现手势识别
  • 可用演示系统：P-NUCLEO-6180X1 评估板
• 环境光传感器
  • 高动态范围
  • 精确/超低光敏感
  • 校准输出值（以勒克斯为单位）
• 方便集成
  • 单回流焊元件
  • 无附加光学元件
  • 单电源
  • 用于器件控制和数据的I2C接口
  • 提供一个文档化的C可移植 API（应用程序接口）
• 两个可编程GPIO
  • 测距和ALS的窗口和门限功能

技术规范

该模块的供电要求为2.8V，适合于低电压应用场景。它通过I2C接口进行主机控制和数据通信，方便与其他设备的集成。支持最大快速模式速率，达到400k，确保高效的数据传输。 此外，VL6180X模块具备出色的光照强度检测能力，覆盖了广泛的光照强度范围。从微弱的1 Lux到高达100 kLux的光照强度，该模块能够准确测量环境的光照水平。这使得它在需要实时监测光照条件的应用中非常有用，例如室内照明控制、自动调节显示亮度等。 最后，VL6180X模块具有一个默认地址为0x29的设备地址，这样在多个I2C设备共享同一总线时，可以轻松管理和区分不同的模块。

接口

vl6180模块接口的示意图如下所示。

接口说明

最小系统图

生成STM32CUBEMX

用STM32CUBEMX生成例程，这里使用MCU为STM32G030C8。 配置时钟树，配置时钟为64M。

串口配置

查看原理图，PA9和PA10设置为开发板的串口。

配置串口。

IIC配置

在这个应用中，VL6180模块通过I2C（IIC）接口与主控器通信。具体来说，VL6180模块的I2C引脚连接到主控器的PB6（引脚B6）和PB7（引脚B7）两个IO口。 这种连接方式确保了模块与主控器之间的可靠数据传输和通信。PB6作为I2C总线的串行数据线（SDA），负责数据的传输和接收。而PB7则充当I2C总线的串行时钟线（SCL），用于同步数据传输的时序。

配置IIC为快速模式，速度为400k。

串口重定向

打开魔术棒，勾选MicroLIB

在main.c中，添加头文件，若不添加会出现 identifier "FILE" is undefined报错。

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */

函数声明和串口重定向：

/* USER CODE BEGIN PFP */
int fputc(int ch, FILE *f){
    HAL_UART_Transmit(&huart1 , (uint8_t *)&ch, 1, 0xFFFF);
    return ch;
}
/* USER CODE END PFP */

模块片选

根据提供的表格信息，我们可以得知VL6180模块的GPIO0/CE引脚用作片选脚（Chip Enable），在需要使用该功能时，需要给该引脚一个高电平信号。 确保在使用GPIO0/CE引脚时，正确设置引脚的电平状态，并按照VL6180模块的规格和要求进行相应的配置和操作。这将确保模块按照预期工作，并满足特定的功能需求。

下面为模块启动时序图。

模块地址

VL6180模块的默认设备地址为0x29。设备地址是用来识别和通信特定设备的标识符。通过将VL6180模块的设备地址设置为0x29，您可以确保与该模块进行正常的通信和控制。

虽然VL6180模块的默认设备地址为0x29，但可以通过使用I2C_SLAVE__DEVICE_ADDRESS {0x212}来修改模块的设备地址。 通过修改设备地址，可以为VL6180模块指定一个与默认地址不同的唯一地址。这种灵活性使您能够在同一I2C总线上连接多个VL6180X模块或与其他设备进行通信，而无需担心地址冲突的问题。

读写位

在I2C总线上，由于可能连接多个设备，主设备在传输有效数据之前需要指定从设备的地址。大多数从设备使用7位地址，而一些设备支持10位地址寻址。主设备在需要发送或接收数据时，首先发送所需从设备的地址，并匹配总线上挂载的从设备的地址。然后，主设备可以将数据发送到SDA数据线上。 紧随地址的第8位是数据方向位（R/W），其中'0'表示发送（写入），'1'表示请求数据（读取）。 对于VL6180模块，默认的7位地址是0x29（二进制为010 1001），加上写位后为0x52（二进制为0101 0010），加上读位后为0x53（二进制为0101 0011）。 这意味着当主设备与VL6180模块进行通信时，要发送0x52地址字节进行写操作，或发送0x53地址字节进行读取操作。

extern I2C_HandleTypeDef hi2c1;

void VL6180X_WriteByte(uint8_t add,uint16_t reg,uint8_t data)
{
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1 ,(add< < 1)|0,reg,I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,&data,1,0xffff);

}
void VL6180X_WriteByte_16Bit(uint8_t add,uint16_t reg,uint16_t data)
{
    uint8_t data2[2]={0,0};
    data2[0]=data > >8;
    data2[1]=data;
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1 ,(add< < 1)|0,reg,I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,data2,2,0xffff);

}

uint8_t VL6180X_ReadByte(uint8_t add,uint16_t reg)
{
    uint8_t data=0;
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1 ,(add< < 1)|1,reg,I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,&data,1,0xffff);
    return data;
}


uint16_t VL6180X_ReadBytee_16Bit(uint8_t add,uint16_t reg)
{
    uint16_t data=0;
    uint8_t data2[2];
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1 ,(add< < 1)|1,reg,I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,data2,2,0xffff);
    data=data2[0];
    data=data< < 8;
    data+=data2[1];

    return data;



}

模块寄存器

对于VL6180，模块寄存器的地址是16位的，不是8位的。VL6180模块使用16位的寄存器地址来访问和配置各种功能和参数。这种扩展的地址空间提供了更大的灵活性和更多的寄存器选项，以满足不同的应用需求。 在与VL6180模块进行通信时，主设备需要发送16位的寄存器地址，以指定所需的操作和寄存器位置。这样可以确保主设备与模块之间的正确数据交换和通信。

所以对于vl6180模块，读写代码如下所示。

void VL6180X_WriteByte(uint8_t add,uint16_t reg,uint8_t data)
{
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1 ,(add< < 1)|0,reg,I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,&data,1,0xffff);

}
void VL6180X_WriteByte_16Bit(uint8_t add,uint16_t reg,uint16_t data)
{
    uint8_t data2[2]={0,0};
    data2[0]=data > >8;
    data2[1]=data;
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1 ,(add< < 1)|0,reg,I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,data2,2,0xffff);

}


uint8_t VL6180X_ReadByte(uint8_t add,uint16_t reg)
{
    uint8_t data=0;
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1 ,(add< < 1)|1,reg,I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,&data,1,0xffff);
    return data;
}




uint16_t VL6180X_ReadBytee_16Bit(uint8_t add,uint16_t reg)
{
    uint16_t data=0;
    uint8_t data2[2];
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1 ,(add< < 1)|1,reg,I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,data2,2,0xffff);
    data=data2[0];
    data=data< < 8;
    data+=data2[1];

    return data;



}

初始化

首先需要检查寄存器SYSTEM__FRESH_OUT_OF_RESET {0x16}是否为0x01.

可以通过读取SYSTEM__FRESH_OUT_OF_RESET {0x16}进行判断设备是否准备好，之后进行6180初始化。 初始化如下所示。

uint8_t ptp_offset;
uint8_t VL6180X_Init(uint8_t add)
{
    ptp_offset=VL6180X_ReadByte(add,VL6180X_REG_SYSTEM_FRESH_OUT_OF_RESET);
    printf("ptp_offset=%dn",ptp_offset);
//    if(VL6180X_Read_ID(add) == VL6180X_DEFAULT_ID)
    if(ptp_offset==0x01)
    {    
        VL6180X_WriteByte(add,0x0207, 0x01);
        VL6180X_WriteByte(add,0x0208, 0x01);
        VL6180X_WriteByte(add,0x0096, 0x00);
        VL6180X_WriteByte(add,0x0097, 0xfd);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00e3, 0x00);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00e4, 0x04);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00e5, 0x02);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00e6, 0x01);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00e7, 0x03);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00f5, 0x02);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00d9, 0x05);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00db, 0xce);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00dc, 0x03);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00dd, 0xf8);
        VL6180X_WriteByte(add,0x009f, 0x00);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00a3, 0x3c);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00b7, 0x00);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00bb, 0x3c);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00b2, 0x09);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00ca, 0x09);
        VL6180X_WriteByte(add,0x0198, 0x01);
        VL6180X_WriteByte(add,0x01b0, 0x17);
        VL6180X_WriteByte(add,0x01ad, 0x00);
        VL6180X_WriteByte(add,0x00ff, 0x05);
        VL6180X_WriteByte(add,0x0100, 0x05);
        VL6180X_WriteByte(add,0x0199, 0x05);
        VL6180X_WriteByte(add,0x01a6, 0x1b);
        VL6180X_WriteByte(add,0x01ac, 0x3e);
        VL6180X_WriteByte(add,0x01a7, 0x1f);
        VL6180X_WriteByte(add,0x0030, 0x00);

        // Recommended : Public registers - See data sheet for more detail
        VL6180X_WriteByte(add,0x0011, 0x10);       // Enables polling for 'New Sample ready'
                                    // when measurement completes
        VL6180X_WriteByte(add,0x010a, 0x30);       // Set the averaging sample period
                                    // (compromise between lower noise and
                                    // increased execution time)
        VL6180X_WriteByte(add,0x003f, 0x46);       // Sets the light and dark gain (upper
                                    // nibble). Dark gain should not be
                                    // changed. !上半字节要写入0x4    默认增益是1.0
        VL6180X_WriteByte(add,0x0031, 0xFF);       // sets the # of range measurements after
                                    // which auto calibration of system is
                                    // performed
        VL6180X_WriteByte(add,0x0041, 0x63);       // Set ALS integration time to 100ms
        VL6180X_WriteByte(add,0x002e, 0x01);       // perform a single temperature calibration
                                    // of the ranging sensor

        // Optional: Public registers - See data sheet for more detail
        VL6180X_WriteByte(add,0x001b, 0x09);    //测量间隔    轮询模式
                                    // period to 100ms    每步10ms- >0-10ms
        VL6180X_WriteByte(add,0x003e, 0x31);      //测量周期    ALS模式
                                    // to 500ms        
        VL6180X_WriteByte(add,0x0014, 0x24);       // Configures interrupt on 'New Sample
                                    // Ready threshold event'


//VL6180X_WriteByte(add,VL6180X_REG_SYSTEM_FRESH_OUT_OF_RESET, 0x00); //不发送00那么读出来的数值就是01

        return 0;
    }
    else return 1;
}

设备标识号

查询设备号可以通过0x000指令进行查询，返回值一般为0xB4。

uint8_t VL6180X_Read_ID(uint8_t add)
{
    return VL6180X_ReadByte(add,VL6180X_REG_IDENTIFICATION_MODEL_ID);
}

单次读取距离长度

在VL6180模块中，可以使用单次读取或多次读取的方式来获取所需的数据。在这里，我们将使用单次读取的方式来读取数据。下图中红色框内的部分展示了单次读取的操作方式。 单次读取是一种简单而常用的读取数据的方法。它涉及到向VL6180模块发送一个读取命令，并从模块的寄存器中读取所需的数据。 图示中的红色框内部所示的读取操作方式可以作为参考，帮助理解和实施单次读取操作。

由上图可以得知，读取的寄存器地址为0x062，0x062寄存器的说明如下所示，单位为mm。

代码如下所示。

uint8_t VL6180X_Read_Range(uint8_t add)
{
    uint8_t range = 0;
    //等待设备准备好进行量程测量
    while(!(VL6180X_ReadByte(add,VL6180X_REG_RESULT_RANGE_STATUS) & 0x01));//VL6180X_REG_RESULT_RANGE_STATUS，0x0d， 自检0x01连续性测试
    //开始量程测量
    VL6180X_WriteByte(add,VL6180X_REG_SYSRANGE_START,0x01);//VL6180X_REG_SYSRANGE_START,0x018,开启测距，0x01，单次模
    //轮询到第2位被设置
    while(!(VL6180X_ReadByte(add,VL6180X_REG_RESULT_INTERRUPT_STATUS_GPIO) & 0x04));//VL6180X_REG_RESULT_INTERRUPT_STATUS_GPIO,中断等待，0x04，数据等待完毕
    //读数范围(毫米)
    range = VL6180X_ReadByte(add,VL6180X_REG_RESULT_RANGE_VAL);//RESULT__RANGE_VAL,0x062,显示检测长度
    //清除中断
    VL6180X_WriteByte(add,VL6180X_REG_SYSTEM_INTERRUPT_CLEAR,0x07);//VL6180X_REG_SYSTEM_INTERRUPT_CLEAR,0x015,清除状态位
    return range;
}

测试结果

测试结果如下所示。

审核编辑：汤梓红