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來源：Digi-Key 作者：Stephen Evanczuk 在從工業(yè)感測到基于手勢的用戶界面等各種應(yīng)用中，光學(xué)飛行時間 (ToF) 距離測量扮演著重要角色。隨著精確、高速多像素 ToF 傳感器的出現(xiàn)，開發(fā)人員可以實現(xiàn)這些應(yīng)用中需要的更復(fù)雜的三維 (3D) 感測算法。然而，由于多像素光學(xué)感測子系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，開發(fā)時間會較長。 本文將討論 ToF 的基本原理，然后介紹 Broadcom 的光學(xué) ToF 評估套件，借助該套件，開發(fā)人員能夠快速進(jìn)行精確的 1D 和 3D 距離測量應(yīng)用原型設(shè)計，并可快速實現(xiàn)定制的光學(xué) ToF 感測解決方案。 光學(xué) ToF 技術(shù)基礎(chǔ)知識 光學(xué) ToF 技術(shù)能夠根據(jù)光在空氣中傳播所需的時間做出測量，被廣泛用于多種應(yīng)用以獲得所需的精確距離。執(zhí)行這些測量時，具體計算通常依賴于兩種方法：直接和間接 ToF。在直接 ToF 法（也稱作“脈沖測距”）中，設(shè)備利用公式 1 測量 ToF 傳感器發(fā)射和接收特定光脈沖之間的間隔時間。 
其中： c0 = 真空中的光速 ∆T = 發(fā)射和接收的間隔時間 雖然概念很簡單，但要用這種方法實現(xiàn)精確測量，還面臨著許多挑戰(zhàn)，包括需要足夠強(qiáng)大的發(fā)射器和接收器、改善信噪比，以及精確的脈沖邊緣檢測。 相反，間接 ToF 法使用調(diào)制連續(xù)波，并根據(jù)公式 2 測量發(fā)射信號與接收信號之間的相位差：
其中： c0 = 真空中的光速 fmod = 激光調(diào)制頻率 ∆φ = 確定的相位差 除了降低發(fā)射器和接收器的功率要求外，間接 ToF 法放寬了對脈沖整形的要求，簡化了執(zhí)行 3D 測距和運動檢測的設(shè)計復(fù)雜程度。 直接法和間接法都需要仔細(xì)設(shè)計光學(xué)前端，并精確控制發(fā)射器和接收器的信號。多年來，開發(fā)人員已經(jīng)能夠利用集成光學(xué) ToF 傳感器的優(yōu)勢，將發(fā)射裝置和接收傳感器組合在單一封裝中。然而，這類設(shè)備的前幾代通常要求開發(fā)人員在一些性能或操作特性（如功耗、量程、精度和速度）方面做出權(quán)衡。對于越來越多的工業(yè)感測應(yīng)用，這種妥協(xié)已經(jīng)成為主要障礙，因為這些應(yīng)用需要在不超過 10 m 的中等距離內(nèi)運行。 更先進(jìn)的間接 ToF 傳感器模塊，如 Broadcom 的 AFBR-S50MV85G，則專門用于滿足在中等距離范圍內(nèi)獲得高速、準(zhǔn)確的結(jié)果，同時保持最小封裝尺寸和功耗這一日益增長的需求。基于這種傳感器，Broadcom 的 AFBR-S50MV85G-EK 評估套件及相關(guān)軟件開發(fā)套件 (SDK) 提供了一個多像素 ToF 傳感器開發(fā)平臺，使開發(fā)人員能夠快速實現(xiàn) 3D ToF 感測應(yīng)用。 集成模塊如何簡化 ToF 距離測量 AFBR-S50MV85G 模塊專為工業(yè)感測應(yīng)用而開發(fā)，在單一封裝中提供了完整的光學(xué) ToF 感測解決方案。其集成元器件包括一個用于發(fā)射紅外光 (IR) 的 850 nm 垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)、一個 32 像素的六角形傳感器矩陣、用于 VCSEL 和傳感器光學(xué)器件的集成透鏡，以及一個專用集成電路 (ASIC)。 發(fā)射器相對于感測矩陣以固定對齊的方式定位，照射目標(biāo)物體，從而使感測矩陣中的一些像素檢測到反射的紅外信號。在基本操作中，這使該模塊能夠支持從白色、黑色、彩色、金屬或反光表面進(jìn)行精確的距離測量——即使在陽光直射下亦如此，這得益于其內(nèi)置的環(huán)境光抑制功能。 隨著與物體的距離減小，可對視差進(jìn)行自動補(bǔ)償，使得測量幾乎沒有距離下限。同時，紅外照射與感測矩陣相結(jié)合，可以獲得關(guān)于物體的更多信息，包括其運動、速度、傾斜角度或橫向?qū)R。因此，該模塊可以提供必要的數(shù)據(jù)，以確定經(jīng)過或接近的目標(biāo)物體的方向和速度（圖 1）。
圖 1：利用從 AFBR-S50MV85G 模塊的 8×4 像素感測矩陣獲得的數(shù)據(jù)，開發(fā)人員可以實現(xiàn)能夠測量物體運動特性的 3D 應(yīng)用。（圖片來源：Broadcom） 該模塊的內(nèi)置 ASIC 協(xié)調(diào)其 VCSEL 和感測矩陣的精確運行，提供驅(qū)動 VCSEL、從感測矩陣捕獲模擬信號以及進(jìn)行數(shù)字信號調(diào)節(jié)所需的全部電路（圖 2）。
圖 2：AFBR-S50MV85G 模塊中集成的 ASIC 包括驅(qū)動該模塊的 VCSEL 光源、獲取來自感測矩陣的接收信號以及生成通過 SPI 總線傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)所需的全部電路。（圖片來源：Broadcom） 該 ASIC 集成了電源電路，使該模塊能夠在單一的 5 伏電源下運行，而其集成的經(jīng)出廠校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償?shù)?a href="http://m.4huy16.com/keyword/電阻" target="_blank" class="relatedlink">電阻電容 (RC) 振蕩器和數(shù)字鎖相環(huán) (PLL) 則提供了所有需要的時鐘信號。由于這種集成，開發(fā)人員可以使用微控制器單元 (MCU) 和一些附加的外部元器件，輕松地將該模塊納入他們的設(shè)計。與 MCU 的接口只需要一個通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳，用于接收來自模塊的數(shù)據(jù)就緒信號，以及一個通過模塊的數(shù)字串行外設(shè)接口 (SPI) 實現(xiàn)的連接（圖 3）。
圖 3：Broadcom 的 AFBR-S50MV85G 模塊只需要一個 MCU 和一些附加元器件即可實現(xiàn)完整的 ToF 感測系統(tǒng)。（圖片來源：Broadcom） 作為對這種簡單的硬件設(shè)計的補(bǔ)充，Broadcom 的 ToF 驅(qū)動軟件提供了實現(xiàn)距離測量所需的所有相關(guān)軟件功能。當(dāng)該模塊處理距離測量應(yīng)用的光學(xué)數(shù)據(jù)收集時，該公司提供的 AFBR-S50 SDK 中包含的 Broadcom ToF 驅(qū)動軟件會執(zhí)行所有硬件配置、校準(zhǔn)和測量步驟。在測量過程中，驅(qū)動軟件同時提取像素的距離和振幅值。 如何快速開發(fā)距離測量應(yīng)用 Broadcom 的 AFBR-S50MV85G-EK 評估套件與 AFBR-S50 SDK 相結(jié)合，提供了適用于快速開發(fā)距離測量應(yīng)用原型的綜合平臺。該套件附帶一塊包含 AFBR-S50MV85G 模塊的適配器板，NXP 基于 ArmCortex-M0+ MCU 的 FRDM-KL46Z 評估板，以及一條用于將評估板組件連接到筆記本電腦或其他嵌入式系統(tǒng)的迷你 USB 電纜（圖 4）。
圖 4：Broadcom 的 AFBR-S50MV85G-EK 評估套件及相關(guān)軟件提供了適用于 ToF 距離測量應(yīng)用評估和原型開發(fā)的綜合平臺。（圖片來源：Broadcom） 使用評估套件進(jìn)行 ToF 距離測量只需幾個步驟即可開始。下載 AFBR-S50 SDK 后，安裝向?qū)龑?dǎo)開發(fā)人員完成快速安裝程序。開發(fā)人員啟動 SDK 包中包含的 Broadcom AFBR-S50 Explorer 軟件應(yīng)用程序后，該軟件通過 USB 接口連接到 AFBR-S50 評估板，通過在 NXP 板的 MCU 上運行的驅(qū)動軟件接收測量數(shù)據(jù)，并允許用戶以 1D 或 3D 曲線圖顯示結(jié)果（圖 5）。
圖 5：AFBR-S50 Explorer 軟件通過 3D 曲線圖顯示 ToF 傳感器矩陣中每個像素接收到的照射光振幅，簡化了 ToF 測量的評估。（圖片來源：Broadcom） 如圖 5 所示，3D 曲線圖顯示了每個像素的讀數(shù)，但軟件還提供了另一種視圖，允許開發(fā)人員僅查看被視為有效的測量像素。在此替代視圖中，不符合定義標(biāo)準(zhǔn)的像素將從曲線圖中刪除（圖 6）。
圖 6：借助 Broadcom 的 AFBR-S50 Explorer 軟件，開發(fā)人員可以查看精簡的 3D 測量曲線圖，刪掉不符合預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的像素。（圖片來源：Broadcom） 為了解不同應(yīng)用場景的測量精度和性能，如照明、反射率和表面類型，開發(fā)人員可以查看不同感測配置的影響，例如對于增強(qiáng)型 3D 應(yīng)用使用更多的像素；或?qū)τ谛枰_測量的 1D 應(yīng)用使用更少的像素。在其原型中評估測量方法后，開發(fā)人員可以在 Broadcom 的 AFBR-S50 SDK 中包含的樣例軟件的基礎(chǔ)上，快速實現(xiàn)定制化 ToF 感測應(yīng)用。 構(gòu)建定制化 ToF 感測軟件應(yīng)用 Broadcom 圍繞基于 AFBR-S50 核心庫的高效架構(gòu)建立了對 ToF 感測應(yīng)用的支持，該核心庫包括傳感器硬件專用代碼、應(yīng)用編程接口 (API) 和硬件抽象層 (HAL)（圖 7）。
圖 7：在 Broadcom 的 ToF 工作環(huán)境中，ToF 驅(qū)動程序 API 提供的用戶應(yīng)用代碼可訪問預(yù)編譯 ToF 驅(qū)動程序核心庫中的校準(zhǔn)、測量和評估功能。（圖片來源：Broadcom） 作為 AFBR-S50 SDK 軟件包的一部分，Broadcom 將核心庫作為預(yù)編譯的 ANSI-C 庫文件提供，其中嵌入了運行 AFBR-S50MV85G 硬件所需的全部數(shù)據(jù)和算法。核心庫在距離測量系統(tǒng)的 MCU 上運行，具有校準(zhǔn)、測量和評估等功能，能以最小的處理負(fù)荷或功耗進(jìn)行距離測量。由于核心庫函數(shù)會處理所有的底層細(xì)節(jié)，開發(fā)人員看到的基本測量周期非常簡單（圖 8）。
圖 8：AFBR-S50 SDK ToF 軟件利用中斷和回調(diào)最大限度減少了處理器的工作負(fù)載。（圖片來源：Broadcom） 在每個測量周期的開始（通過周期性定時器中斷或 IRQ 啟動），MCU 啟動測量，隨后立即恢復(fù)空閑狀態(tài)（或繼續(xù)處理一些應(yīng)用代碼）。測量完成后，AFBR-S50MV85G 模塊使用連接的 GPIO 線發(fā)出中斷信號，喚醒 MCU 以啟動 SPI 總線上的數(shù)據(jù)讀出，然后恢復(fù)之前的狀態(tài)。在數(shù)據(jù)讀出完成后（通過 SPI 完成的 IRQ 發(fā)出信號），MCU 執(zhí)行代碼以評估獲得的 ToF 傳感器數(shù)據(jù)。 為防止丟失測量數(shù)據(jù)，核心庫會封鎖數(shù)據(jù)緩沖區(qū)直至調(diào)用評估例程，以防止啟動新的測量周期。因此，開發(fā)人員通常會加入一個用于原始數(shù)據(jù)的雙緩沖器，以允許交錯執(zhí)行測量和評估任務(wù)。 對于應(yīng)用軟件開發(fā)人員來說，核心庫例程屏蔽了校準(zhǔn)、測量和評估的細(xì)節(jié)。事實上，開發(fā)人員可以將評估套件和 AFBR-S50 Explorer 應(yīng)用程序作為一個完整的原型開發(fā)平臺，將測量數(shù)據(jù)傳遞至高級軟件應(yīng)用代碼。 對于需要實現(xiàn)定制化應(yīng)用軟件的開發(fā)人員來說，AFBR-S50 SDK 包將預(yù)編譯的核心庫模塊與幾個軟件樣例結(jié)合起來。由此，開發(fā)人員可以基于 SDK 中提供的樣例應(yīng)用程序快速創(chuàng)建自己的 ToF 感測應(yīng)用程序。開發(fā)人員可以通過調(diào)用 AFBR-S50 SDK API 中的函數(shù)以及為核心庫支持的各種回調(diào)指定自己的函數(shù)，在其應(yīng)用特定的軟件代碼中訪問 AFBR-S50MV85G 硬件和 AFBR-S50 核心庫功能（仍然參見圖 7）。 Broadcom 提供了大量關(guān)于 API 和樣例軟件的文檔，使開發(fā)人員能夠迅速采取行動，根據(jù)自己的需要改寫軟件樣例或者從頭開始。事實上，基礎(chǔ)測量和評估周期非常簡單，只需將自定義函數(shù)和 API 調(diào)用與測量周期相匹配即可（仍然參見圖 8）。例如，前面討論的測量周期包括三個階段：ToF 設(shè)備集成、數(shù)據(jù)讀出和評估。啟動這三個階段所需的核心庫 API 調(diào)用包括： · Argus_TriggerMeasurement()，異步觸發(fā)一個測量幀 · Argus_GetStatus()，在成功完成測量后返回 STATUS_OK · Argus_EvaluateData()，評估原始測量數(shù)據(jù)中的有用信息 Broadcom 在 SDK 發(fā)行版包含的一個樣例應(yīng)用程序中演示了該基礎(chǔ)測量循環(huán)，如列表 1 所示。 int main(void) { status_t status = STATUS_OK; /* Initialize the platform hardware including the required peripherals * for the API. */ hardware_init(); /* The API module handle that contains all data definitions that is * required within the API module for the corresponding hardware device. * Every call to an API function requires the passing of a pointer to this * data structure. */ argus_hnd_t * hnd = Argus_CreateHandle(); handle_error(hnd ? STATUS_OK : ERROR_FAIL, "Argus_CreateHandle failed!"); /* Initialize the API with default values. * This implicitly calls the initialization functions * of the underlying API modules. * * The second parameter is stored and passed to all function calls * to the S2PI module. This piece of information can be utilized in * order to determine the addressed SPI slave and enabled the usage * of multiple devices on a single SPI peripheral. */ status = Argus_Init(hnd, SPI_SLAVE); handle_error(status, "Argus_Init failed!"); /* Print some information about current API and connected device. */ uint32_t value = Argus_GetAPIVersion(); uint8_t a = (value >> 24) & 0xFFU; uint8_t b = (value >> 16) & 0xFFU; uint8_t c = value & 0xFFFFU; uint32_t id = Argus_GetChipID(hnd); argus_module_version_t mv = Argus_GetModuleVersion(hnd); print("\n##### AFBR-S50 API - Simple Example ##############\n" " API Version: v%d.%d.%d\n" " Chip ID: %d\n" " Module: %s\n" "##################################################\n", a, b, c, id, mv == AFBR_S50MV85G_V1 ? "AFBR-S50MV85G (v1)" : mv == AFBR_S50MV85G_V2 ? "AFBR-S50MV85G (v2)" : mv == AFBR_S50MV85G_V3 ? "AFBR-S50MV85G (v3)" : mv == AFBR_S50LV85D_V1 ? "AFBR-S50LV85D (v1)" : mv == AFBR_S50MV68B_V1 ? "AFBR-S50MV68B (v1)" : mv == AFBR_S50MV85I_V1 ? "AFBR-S50MV85I (v1)" : mv == AFBR_S50SV85K_V1 ? "AFBR-S50SV85K (v1)" : "unknown"); /* Adjust some configuration parameters by invoking the dedicated API methods. */ status = Argus_SetConfigurationFrameTime( hnd, 100000 ); // 0.1 second = 10 Hz handle_error(status, "Argus_SetConfigurationFrameTime failed!"); /* The program loop ... */ for (;;) { myData = 0; /* Triggers a single measurement. * Note that due to the laser safety algorithms, the method might refuse * to restart a measurement when the appropriate time has not been elapsed * right now. The function returns with status #STATUS_ARGUS_POWERLIMIT and * the function must be called again later. Use the frame time configuration * in order to adjust the timing between two measurement frames. */ Argus_TriggerMeasurement(hnd, measurement_ready_callback); handle_error(status, "Argus_StartMeasurementTimer failed!"); STATUS_ARGUS_POWERLIMIT) { /* Not ready (due to laser safety) to restart the measurement yet. * Come back later. */ continue; } else { /* Wait until measurement data is ready. */ do { status = Argus_GetStatus(hnd); } while (status == STATUS_BUSY); handle_error(status, "Waiting for measurement data ready (Argus_GetStatus) failed!"); /* The measurement data structure. */ argus_results_t res; /* Evaluate the raw measurement results. */ status = Argus_EvaluateData(hnd, &res, (void*) myData); handle_error(status, "Argus_EvaluateData failed!"); /* Use the obtain results, e.g. print via UART. */ print_results(&res); } } } 列表 1：Broadcom AFBR-S50 SDK 發(fā)行版中的樣例代碼演示了從 AFBR-S50MV85G 模塊獲取和評估 ToF 數(shù)據(jù)的基本設(shè)計模式。（代碼來源：Broadcom） 如列表所示，上述三個 API 函數(shù)調(diào)用構(gòu)成了執(zhí)行一個測量周期的骨干。通過研究 SDK 中的 API 文檔和其他樣例應(yīng)用程序可以發(fā)現(xiàn)，該模塊能夠提供確定目標(biāo)物體的速度、方向和傾斜角度等高級特性所需的數(shù)據(jù)，開發(fā)人員可以利用這種能力快速實現(xiàn)復(fù)雜的 3D 應(yīng)用。 總結(jié) 光學(xué) ToF 感測設(shè)備已經(jīng)在需要精確距離測量的各種領(lǐng)域得以應(yīng)用，但測量范圍、精度或可靠性方面的局限性阻礙了其向工業(yè)感測系統(tǒng)等應(yīng)用的擴(kuò)展，因為這類應(yīng)用要求采用能夠在更遠(yuǎn)的范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確結(jié)果的低功耗設(shè)備。Broadcom 的集成光學(xué) ToF 子系統(tǒng)滿足了新一代感測應(yīng)用的這些新興要求。借助基于該設(shè)備的評估套件，開發(fā)人員可以在 1D 測距應(yīng)用中快速實現(xiàn)精密測量系統(tǒng)，并可在 3D 應(yīng)用中快速實現(xiàn)復(fù)雜物體運動跟蹤系統(tǒng)。 |
