Åtta viktiga punkter du behöver känna till om VL53L0X

1. Vad är VL53L0X?

VL53L0X är en avancerad avståndssensor baserad på Time-of-Flight (ToF), tillverkad av STMicroelectronics. Den använder innovativ VCSEL-teknik (vertikalkavitetsbaserad ytemitterande laser) för att noggrant mäta avståndet mellan målet och sensorn i olika tillämpningar, till exempel smarttelefoner, drönare, robotnavigering och smarta hem. Med hög hastighet, hög noggrannhet och hög störningsimmunitet ger VL53L0X kontinuerliga avståndsmätningar från några centimeter till flera meter.

2. Funktion

En 940 nm vertikalkavitetsbaserad ytemitterande laser (VCSEL) används för att sända ut laserljuset, som reflekteras tillbaka till VL53L0X när det träffar ett hinder. Därefter mäts laserljusets utbredningstid i luften för att beräkna avståndet.

3. Specifikationer

Ultraliten storlek: 4,4 × 2,4 × 1,0 mm
Driftspänning: 2,6–5 V DC
940 nm infrarött ljus
Mycket snabb respons (50 ms)
Räckvidd: normalt läge 0–1000 mm, fjärrläge 0–2000 mm
Avvikelsen är 1 % på ett avstånd av 1 meter (mer än 10 % på ett avstånd av 2 meter).
Det emitterade laserljuset är ögonsäkert och helt osynligt.
Kommunikationsläge: IIC, 400 kHz, enhetsadress 0x52. Den lägsta biten är läs-/skrivflaggan. 0 betyder skrivning och 1 betyder läsning. Vid skrivning är dessa 8 bitar därför: 0101 0010, det vill säga 0x52. Vid läsning är dessa 8 bitar: 0101 0011, det vill säga 0x53.

Det finns två hål på VL53L0X: ett för VCSEL-laseremissionen och ett för SPAD-laserdetekteringsarrayen

Stift 1 på sidan med det stora hålet

4. Stiftkonfiguration och kopplingsschema

Stift 1 AVDDVCSEL: positiv VCSEL-matningsspänning
Stift 2 AVSSVCSEL: jord för VCSEL-strömförsörjningen
Stift 3, 4, 6 och 12 GND: jord
Stift 5 XSHUT: styrning av strömförsörjningsläge. Om du inte behöver vilolägesfunktionen kan detta stift anslutas direkt till AVDD.
Stift 7 GPIO1: avbrottsutgång. Öppen dränering, så ett externt pull-up-motstånd krävs.
Stift 8 DNC: ej anslutet
Stift 9 och 10: IIC-kommunikationsport
Stift 11 AVDD: positiv matningsspänning

5. Firmwaretillståndsmaskin

ST har utrustat VL53L0X med en uppsättning API:er som kapslar in olika funktioner direkt, till exempel initiering/kalibrering, start/stopp av avståndsmätning, val av noggrannhet och val av avståndsmätningsläge. Användarens applikationsprogram anropar funktionerna i API:et, varefter API:et kommunicerar med firmware i VL53L0X via IIC, som sedan styr hårdvaran.

Firmware i VL53L0X fungerar enligt en tillståndsmaskin:

När VL53L0X startas går den in i tillståndet Hw Standby, vilket är ett standbyläge med mycket låg strömförbrukning. Dra sedan upp XSHUT-stiftet för att försätta VL53L0X i tillståndet Fw Boot och börja förbereda avståndsmätningen. Om standbyläget inte behövs kan du ansluta XSHUT till AVDD. VL53L0X kan inte kommunicera via IIC när den är i viloläge.

VL53L0X har tre driftlägen:

Enkelt läge: efter att ha tagit emot kommandot för att starta avståndsmätningen börjar den mäta och avslutas automatiskt. När mätningen är slutförd går den till läget Sw Standby.
Kontinuerligt läge: Efter att ha tagit emot kommandot för att starta avståndsmätningen fortsätter den att mäta tills kommandot för att stoppa avståndsmätningen tas emot. När stoppkommandot tas emot slutförs den senaste mätningen innan läget avslutas.
Kontinuerligt intervalläge: Efter att ha tagit emot kommandot för att starta avståndsmätningen börjar den mäta. När en mätning har slutförts väntar den en viss tid innan nästa mätning påbörjas, tills kommandot för att stoppa avståndsmätningen tas emot. Väntetiden mellan mätningarna kan justeras.

6. Försiktighetsåtgärder vid användning

VL53L0X används normalt tillsammans med ett täckglas. Täckglaset har två funktioner: att ge fysiskt skydd mot damm och att filtrera ljus.

Täckglas är vanligtvis ogenomskinliga och har antingen två cirkulära hål eller ett elliptiskt hål för att sända ut och ta emot infrarött ljus. Täckglasen måste uppfylla ett antal optiska krav för att säkerställa avståndsmätning. Täckglasets kvalitet mäts med transmissionskoefficienten och grumlighetskoefficienten.

Det finns två parametrar att ta hänsyn till: luftspalten mellan VL53L0X och täckglasets fönster samt expansionsområdet (exkluderingsområdet) framför VL53L0X, enligt bilden nedan:

När laserljus passerar genom ett skyddsglas reflekteras en del av ljuset, och den reflekterade mängden bör minimeras. Inbäddade partiklar eller hål och/eller grova ytor är de främsta orsakerna till ljusspridning i skyddsglas.

Det ideala skyddsglaset har följande egenskaper:

(1) Inga strukturella defekter i plast- eller glasmaterialet

(2) Inga ytdefekter som kan orsaka ljusspridning från fingeravtryck eller ökad känslighet för fläckar

(3) Transmittans >90 % i det nära infraröda området (940nm ± 10nm) och låg disighet

(4) Yttre beläggning (fingeravtrycks- eller antireflexbeläggning) som inte försämrar motståndskraften mot fingeravtryck

(5) Ett enda material. Användning av två material kan påverka prestandan.

Den ideala konstruktionsutformningen (ett skyddsglas placerat över VL53L0X) har följande egenskaper:

(1) Liten luftspalt (<0.5 mm)

(2) Tunt skyddsglas

(3) Lutningsvinkeln mellan skyddsglaset och VL53L0X är mindre än 2 grader.

(4) Snäva toleranser.

Skyddsglasets kvalitet påverkar lasertransmissionen:

Rekommenderad konstruktionsutformning: minsta möjliga luftspalt ('E' i figuren nedan) samt tunt skyddsglas med hög transmittans ('D' i figuren nedan)

Om luftspalten och skyddsglasets tjocklek inte längre kan minskas kan mellanlägg läggas till i spalten. Mellanlägg kan bidra till att minska överhörning.

Skyddsglaset måste också vara parallellt med VL53L0X

7. Kalibreringsprocess

För att säkerställa noggrannheten bör användaren utföra en kalibrering efter att användningsmiljön har fastställts (om glasskydd ska användas, användningsmiljöns temperatur, matningsspänning med mera). Processen är följande:

Temperaturkalibrering innebär att två temperaturberoende parametrar bestäms: VHV och faskalibrering. Omkalibrering krävs varje gång temperaturskillnaden överstiger 8 grader mellan miljön där VL53L0X används och miljön där den kalibrerades.

Offsetkalibrering är skillnaden mellan avståndet vid kalibreringstillfället och mätavståndet, och rekommenderas i allmänhet att utföras vid 10 cm. Offset är vanligtvis ett fast värde. När hänsyn tas till matningsspänning, omgivningstemperatur, huruvida ett glasskydd används med mera kan skillnaden mellan det avlästa mätvärdet och det faktiska värdet användas för att bestämma offset.

Kalibrering av överhörning: Överhörning definieras som den signal som reflekteras tillbaka från täckglaset. Om ett glasöverdrag monteras kommer en del av laserljuset att reflekteras tillbaka som en störningssignal när laserljuset lämnar täckglaset. Störningssignalens storlek beror på typen av täckglas och luftspaltens storlek. Storleken på det avståndsfel som störningssignalen orsakar är proportionell mot förhållandet mellan överhörningens storlek och storleken på signalen som returneras från målet.

8. Avståndsmätning

Användaren kan hämta data genom avläsning eller avbrott

Avläsning: Du måste aktivt läsa API-funktionen för att hämta mätstatusen.

Avbrott: När en mätning är slutförd skickar VL53L0X en avbrottssignal via GPIO1-stiftet.

Avståndsmätning

IIC skriver 1 databits

IIC läser 1 databits

IIC skriver flera databitar

IIC läser flera databitar

Om du arbetar med ett projekt som använder VL53L0X erbjuder vår webbplats ett brett utbud av VL53L0X-produkter, och vi kan även tillverka kundanpassade VL53L0X-enheter utifrån dina krav.

OpenELAB är en komplett utvecklingsplattform för globala AIoT-elektronikentusiaster och en öppen källkodsgemenskap för elektronikingenjörer. Utöver att tillhandahålla utvecklarmoduler online omfattar våra tjänster även kundanpassad tillverkning av olika elektroniska delar, såsom mikrobrytare och batterier, samt plast- eller metalldelar genom 3D-utskrift, formsprutning, CNC, laserskärning med mera.

Utöver VL53L0X erbjuder OpenELAB även andra tjänster för inköp av elektroniska komponenter, såsom sensorer, displayer, IoT, och mer. OpenELAB har en användarvänlig webbplats som gör det enkelt att hitta de komponenter du behöver, och vi erbjuder snabb leverans till kunder över hela världen.

Dessutom erbjuder OpenELAB Design as a Service (DaaS) för designoptimering, Manufacturing as a Service (MaaS) för produktionstillverkning, Supply Chain as a Service (SaaS) för stöd inom leveranskedjan och Quality as a Service (QaaS) för kvalitetskontroll av AIoT-produkter som övergår till massproduktion, vilket säkerställer en smidig övergång till kommersiell produktion.

Framför allt är OpenELAB engagerat i att bygga en global community med öppen källkod för AIoT-elektronikutvecklare. Genom OpenELAB:s öppna community kan utvecklare inom AIoT-elektronikrevolutionen samarbeta, stärka varandra och skapa en kultur av ömsesidig respekt och kunskapsdelning, vilket genererar fler innovativa AIoT-produkter inom intelligent hårdvara för världen.