【飛控開發基礎教程8】瘋殼·開源編隊無人機-I2C（激光測距）

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——瘋殼·無人機系列

I2C（激光測距）

    圖1


    一、VL53L1X 簡介
    VL53L1X 屬于 STMicroelectronics 即常說的意法半導體（ST）公司推出的
    FlightSense™ 產品系列 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 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 類發射器、物理紅外濾波器和光學器件，可在各種環境照明條件下實現最佳測距性能，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備中。與傳統的紅外傳感器不同， VL53L1X 采用 ST 最新一代 ToF 技術，無論目標顏色和反射率如何，都可以進行絕對距離測量。還可以對接收陣列上的 ROI（感興趣區域）大小進行編程，從而減小傳感器 FoV（視場角）。VL53L1X 激光測距傳感器的實物圖如下圖所示。

   
    圖2
    二、I2C 概述
    Inter-Integrated Circuit，即內部集成電路接口，縮寫為 IIC 或 I2C。IIC 總線是一種由 PHILIPS 公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C 總線在物理連接上非常簡單，分別由 SDA(串行數據線)和 SCL(串行時鐘線)及上拉電阻組成。通信原理是通過對 SCL 和 SDA 線高低電平時序的控制， 來產生 I2C 總線協議所需要的信號進行數據的傳遞。在總線空閑狀態時，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與 I2C接口的傳感器之間通信示意圖。

  
    圖3

    三、I2C 總線協議
    對 I2C 總線的操作實際就是主從設備之間的讀寫操作。大致可分為以下兩種操作情況：
    第一，主設備往從設備中寫數據。數據傳輸格式如下：


圖4
    第二，主設備從從設備中讀數據。數據傳輸格式如下：

   
    圖5
    實際上把 I2C 協議拆分開來它的組成有：起始條件、終止條件、地址段、數據段、響應 ACK、非響應 NACK。
    （1）START 和 STOP，起始和終止條件都是由主機（master）發起產生。總線在起始條件之后處于忙碌狀態，在停止條件之后又處于空閑狀態。

   
    圖6
    起始條件：SCL 線是高電平時，SDA 線從高電平向低電平切換。停止條件：SCL 線是高電平時，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，當這個幀中前面 8 bit 發送完后，接收端的設備獲得 SDA 控制權，此時接收設備應該在第 9 個時鐘脈沖之前回復一個 ACK（將 SDA 拉低）以表示接收正常，如果接收設備沒有將SDA 拉低，則說明接收設備可能沒有收到數據（如尋址的設備不存在或設備忙） 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。


    圖7
    （3）數據段，SDA 數據線上的每個字節必須是 8 位，每次傳輸的字節數量沒有限制。每個字節后必須跟一個響應位（ACK）。首先傳輸的數據是最高位
    （MSB)，SDA 上的數據必須在 SCL 高電平周期時保持穩定，數據的高低電平翻轉變化發生在 SCL 低電平時期。

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

   
    圖9
    （4）響應 ACK（Acknowledge）和非響應 NACK（Not Acknowledge）,
    每個字節傳輸必須帶響應位，相關的響應時鐘也由主機產生，在響應的時鐘脈沖期間（第 9 個時鐘周期），發送端釋放 SDA 線，接收端把 SDA 拉低。以上圖傳輸 101010101 為例，SCL 第 9 位時鐘高電平信號期間，SDA 拉低其代表了有ACK響應位。當在 SCL 第 9 位時鐘高電平信號期間，SDA 仍然保持高電平，這種情況定義為 NACK 非響應位。這種情況下，主機可以直接產生 STOP 條件終止以后的傳輸或者繼續重新 START 開始一個新的傳輸。以下情況會導致出現 NACK 位：
    a、接收機沒有發送機響應的地址，接收端沒有任何 ACK 發送給發射機；
    b、由于接收機正在忙碌處理實時程序導致接無法接收或者發送； c、傳輸過程中，接收機識別不了發送機的數據或命令；
    d、接收機無法接收；
    e、主機接收完成讀取數據后，要發送 NACK 結束告知從機。以下圖例代表 NACK 時序：

   
    圖10

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

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

   
    圖12

    四、激光測距實驗

    激光測距實驗使用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 傳輸到電腦端的串口調試助手顯示出來。做該實驗的時候需要把視覺模組暫時取下，并且把 USB 轉串口的線接到視覺模組接口處。激光測距模組 VL53L1X 在無人機支架底部，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（基礎收發），配置代碼（通過調用官方庫）。獲取 VL53L1X 的測距數據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 的測距代碼如下。

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

   
    圖18
    這里注意要把串口的發送也配置好，這樣才能把數據發送到電腦。串口 1 通過 USB 轉串口模塊接到電腦，保存、編譯、下載代碼，可以看到串口調試助手每隔 5s 在打印 VL53L1X 的 2 個字節的距離數據（mm 為單位），數據如下圖所示：

   
    圖19





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2022-7-21 11:11 上傳

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