飛控開發(fā)基礎(chǔ)-[8] STM32 I2C（激光測距）

ID:716213 · 發(fā)表于 2020-3-27 10:24

I2C（激光測距）一、VL53L1X簡介

VL53L1X屬于STMicroelectronics即常說的意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的FlightSense™ 產(chǎn)品系列ToF(Time of flight)激光測距傳感器。

VL53L1X是目前市場上最快的微型ToF傳感器，精確測距能力達(dá)4米，測距頻率快至50 Hz。它采用微型、可回流焊封裝，集成了一個單光子雪崩二極管（SPAD）接收陣列、一個940nm不可見激光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)，無論目標(biāo)顏色和反射率如何，都可以進(jìn)行絕對距離測量。還可以對接收陣列上的ROI（感興趣區(qū)域）大小進(jìn)行編程，從而減小傳感器 FoV（視場角）。VL53L1X激光測距傳感器的實(shí)物圖如下圖所示。

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。通信原理是通過對SCL和SDA線高低電平時(shí)序的控制，來產(chǎn)生I2C總線協(xié)議所需要的信號進(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。

三、I2C總線協(xié)議

對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：

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：

實(shí)際上把I2C協(xié)議拆分開來它的組成有：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�？偩€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)。

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7-bit的地址是從最高位（MSB）開始發(fā)送的，這個地址后面會緊跟1-bit（R/W）的操作符，1表示讀操作，0表示寫操作。接下來的一個bit是NACK/ACK，當(dāng)這個幀中前面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個時(shí)鐘脈沖之前回復(fù)一個ACK（將SDA拉低）以表示接收正常，如果接收設(shè)備沒有將SDA拉低，則說明接收設(shè)備可能沒有收到數(shù)據(jù)（如尋址的設(shè)備不存在或設(shè)備忙）或無法解析收到的消息，如果是這樣，則由master來決定如何處理，比如：停止。

（3）數(shù)據(jù)段，SDA數(shù)據(jù)線上的每個字節(jié)必須是8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量沒有限制。每個字節(jié)后必須跟一個響應(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。

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

（4）響應(yīng)ACK（Acknowledge）和非響應(yīng)NACK（Not Acknowledge）,

每個字節(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開始一個新的傳輸。以下情況會導(dǎo)致出現(xiàn)NACK位：

a、接收機(jī)沒有發(fā)送機(jī)響應(yīng)的地址，接收端沒有任何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法接收或者發(fā)送；

c、傳輸過程中，接收機(jī)識別不了發(fā)送機(jī)的數(shù)據(jù)或命令；

d、接收機(jī)無法接收；

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：

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

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

四、激光測距實(shí)驗(yàn)

激光測距實(shí)驗(yàn)使用STM32的GPIO模擬I2C與激光測距模組VL53L1X相連接，串口1即UART1，通過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）通過串口1傳輸?shù)诫娔X端的串口調(diào)試助手顯示出來。做該實(shí)驗(yàn)的時(shí)候需要把視覺模組暫時(shí)取下，并且把USB轉(zhuǎn)串口的線接到視覺模組接口處。激光測距模組VL53L1X在無人機(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。

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。

串口1的配置可以參考《串口（基礎(chǔ)收發(fā)），配置代碼（通過調(diào)用官方庫）。

獲取VL53L1X的測距數(shù)據(jù)代碼編寫的思路如下：

代碼思路

1	管腳配置	1、定義結(jié)構(gòu)體； 2、使能時(shí)鐘； 3、填充結(jié)構(gòu)體； 4、裝載結(jié)構(gòu)體。
2	I2C讀寫邏輯	1、I2C各個時(shí)序邏輯； 2、讀一個字節(jié)； 3、寫一個字節(jié)； 4、讀多個字節(jié)； 5、寫多個字節(jié)。
4	VL53L1X驅(qū)動	1、VL53L1X初始化； 2、測距邏輯實(shí)現(xiàn)。

模擬I2C的GPIO初始化代碼如下：

VL53L1X的初始化代碼如下。

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2020-3-27 10:20 上傳

VL53L1X的測距代碼如下。

每隔5s讀取一次距離，并發(fā)送到串口上。代碼如下所示。

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個字節(jié)的距離數(shù)據(jù)（mm為單位），數(shù)據(jù)如下圖所示：

全部資料51hei下載地址：

2.飛控開發(fā)基礎(chǔ)-【8】I2C（激光測距）.pdf (1.18 MB, 下載次數(shù): 24)

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