Для 3D-систем: датчик света и приближения VL6180

12 ноября 2015

Новые измерительные модули VL6180X, производимые компанией STMicroelectronics по технологии ST FlightSense™ – это настоящий прорыв в области систем бесконтактного управления. Эти модули имеют на борту датчики освещения и приближения и позволяют строить полноценные 3D-системы управления и позиционирования.

ИК-системы обнаружения движения и бесконтактного управления широко распространены благодаря надежности и простоте реализации. Автоматические краны и двери, игровые манипуляторы, HMI-интерфейсы – вот лишь часть их приложений.

Однако общепринятые ИК-системы используют технологию измерения интенсивности отраженного света и не дают достаточной точности при определении расстояний до объектов, особенно в ближнем диапазоне. Новая технология ST FlightSense™ разработки STMicroelectronics использует принцип измерения времени распространения света и дает гораздо более высокую точность.

Модулям VL6180X доступен целый ряд преимуществ:

• интеграция в одном модуле излучателя, датчиков приближения и освещенности;
• законченность измерительной системы, не требующей дополнительных оптических элементов;
• диапазон измеряемых расстояний – 0…100 мм (и более);
• независимость от коэффициента отражения детектируемого объекта и внешней освещенности;
• измерение освещенности – 0,08…100000 лк;
• возможность глубокой калибровки;
• гибкая система потребления.

Технологии датчиков расстояния

ИК-датчики широко распространены в системах распознавания движений и в измерителях расстояния. Общепринятой является технология, в которой используется измерение интенсивности отраженного света.

Рис. 1. Стандартная технология определения движения

В таком датчике присутствует излучатель (обычно лазерный диод) и фотоприемник (рисунок 1а). Излучатель формирует световые импульсы, которые, отражаясь от объектов, фиксируются фотоприемником. По амплитуде выходного сигнала приемника можно судить о наличии объекта и его движении. Однако определение расстояния очень часто оказывается затруднительным.

В процессе прохождения света от излучателя к приемнику часть света неизбежно теряется из-за поглощения и рассеивания. Если перед описанным выше датчиком располагать предметы с различной отражающей способностью (K1>K2>K3), поток отраженного света будет отличаться. В итоге одна и та же амплитуда выходного сигнала будет соответствовать разным расстояниям P1>P2>P3 (рисунок 1б).

Рис. 2. Особенности технологии ST FlightSense™

Новая технология ST FlightSense™ использует другой принцип измерения. Расстояние до объекта определяется по времени распространения светового потока от передатчика к приемнику (рисунок 2а). Чем ближе объект, тем меньше времени требуется свету, чтобы преодолеть расстояние. При этом его амплитуда не играет решающей роли.

В результате датчики, созданные по технологии ST FlightSense, способны не только определять наличие или отсутствие объекта, но и измерять расстояние до него, вне зависимости от световых потерь на поглощение и рассеивание. Это приводит к тому, что перечень детектируемых движений существенно расширяется (таблица 1).

Таблица 1. Преимущества ST FlightSense™ перед общепринятой ИК-технологией

Рис. 3. Проблемы детектирования ИК-излучения на примере сотового телефона

Однако стоит отметить, что обе представленные технологии детектирования требуют решения целого комплекса задач (рисунок 3), таких как:

• компенсация перекрестных оптических помех;
• компенсация фонового освещения;
• формирование узкополосного спектра излучателя и приемника;
• формирование жестко детерминированных ИК-пучков.

Все эти проблемы были решены при создании нового датчика освещения и приближения VL6180X производства STMicroelectronics.

Датчик освещения и приближения VL6180X

Рис. 4. Внешний вид VL6180X

VL6180X – уникальный датчик освещения и приближения, использующий технологию FlightSense и реализованный в миниатюрном корпусе LGA12 размерами 4,8×2,8×1,0 мм (рисунок 4).

Несмотря на малые габариты, VL6180X представляет собой законченную систему, включающую датчик приближения (Proximity sensor), датчик освещенности (Ambient Light Sensor), излучатель (VCSEL light source), ОЗУ и ПЗУ, микроконтроллер (рисунок 5). VL6180X предназначен для монтажа на печатную плату и не требует никаких дополнительных оптических элементов. Результаты измерений доступны по I2C-интерфейсу.

Рис. 5. Архитектура датчика VL6180X

VL6180X способен определять расстояние до объектов в диапазоне 0…100 мм с миллиметровой точностью вне зависимости от характеристик объекта, а также измерять освещенность в широком динамическом диапазоне (таблица 2).

Таблица 2. Характеристики VL6180X

Среди ключевых преимуществ сенсора следует отметить:

• законченную и продуманную электронно-оптическую систему для точных измерений расстояния;
• измерение освещенности с широким динамическим диапазоном;
• работу в различных режимах преобразования и потребления (важно для мобильных устройств);
• возможность построения сложных 1D/2D/3D-систем управления.

Особенности измерения расстояния с помощью VL6180X

VL6180X использует технологию определения расстояния FlightSense, при которой измеряется время пролета световых импульсов от передатчика к приемнику. Рассмотрим основные особенности измерительной системы данного сенсора.

Высокостабильный излучатель (Single Photon Avalanche Diode). В качестве излучателя в VL6180X используется стабильный лазерный диод с длинной волны 850 нм. Выбор длины волны сделан с учетом минимизации влияния фонового излучения (рисунок 6).

Рис. 6. Спектры оптических элементов VL6180X

ИК-излучатель создает мощные одиночные световые импульсы. С одной стороны, это позволяет определять время пролета с высокой точностью, а с другой – увеличивает максимальное измеряемое расстояние. Например, фотоприемник способен фиксировать световые импульсы даже на расстояниях более 100 мм при коэффициенте отражения объекта всего 3%.

Вместе с тем стоит отметить, что мощность лазера и его оптические элементы позволяют ему соответствовать уровню безопасности класса 1 по стандарту МЭК 60825-1:2007. Это, в том числе, значит, что разработчикам не рекомендуется использовать дополнительные оптические элементы для фокусирования лазерного луча.

Фотоприемник. Спектр фотоприемника достаточно узок и согласован со спектром излучателя для минимизации влияния фонового излучения.

На точность измерения расстояния влияют несколько факторов: собственные погрешности VL6180X (таблица 3), оптические перекрестные помехи (Optical crosstalk) и внешний шум фонового освещения (Ambient illumination). Для их минимизации применяется несколько основных механизмов: калибровка смещения лазерного диода, программная калибровка, компенсация перекрестных помех.

Таблица 3. Источники погрешностей измерений VL6180X

Ручная или автоматическая калибровка смещения лазерного диода (Manual/autoVHV calibration). Смысл калибровки заключается в изменении напряжения смещения лазерного диода (Very High Voltage, VHV). Его начальное значение составляет 14 В, но может быть подстроено вручную либо автоматически. Длительность подстройки занимает всего 200 мкс и не мешает выполнению основных измерений. Периодичность автоматической подстройки также может быть задана вручную.

Калибровка позволяет устранить негативное воздействие температуры и дрейфа напряжения питания на характеристики лазерного диода.

Программная калибровка заключается в записи смещений в калибровочные регистры. Эти значения будут автоматически вычитаться из результатов измерений. С помощью этого метода удается устранить начальное смещение.

Компенсация перекрестных помех. Как было сказано выше, в любой оптической системе существуют дополнительные проблемы устранения перекрестных оптических помех (рисунок 3). В реальных системах (например, телефонах) возникают дополнительные отражения от поверхности границ сред. Эти помехи фиксируются приемником и влияют на точность измерения.

В VL6180X существует механизм компенсации этих помех. Его суть заключается в отсекании слишком «быстрых» возвратившихся импульсов. Возможность тонкой подстройки является крайне удобной функцией, так как уровень отсечки будет отличаться от системы к системе.

Рис. 7. Типовые результаты измерений с помощью VL6180X

Предложенные механизмы позволяют свести погрешности к минимуму (рисунок 7). Даже в случае наличия мощных источников помех точность измерений остается высокой (таблица 4).

Таблица 4. Измерительная способность VL6180X

Измерение освещенности с помощью VL6180X

VL6180X имеет встроенный датчик освещенности (Ambient Light Sensor, ALS). Его спектр в общих чертах соответствует спектру дневного освещения (рисунок 6). Угол обзора ALS составляет 42°.

Датчик снабжен усилителем с программируемым коэффициентом усиления 1; 1,25; 1,67; 2,5; 5; 10; 20; 40.

При выполнении измерений время интегрирования составляет 50…100 мс и может быть настроено программным способом.

Диапазон измеряемой освещенности зависит от наличия или отсутствия дополнительного защитного стекла. Так, например, при отсутствии стекла диапазон составляет от 0,08 лк (при коэффициенте усиления 40) до 20800 лк (при коэффициенте усиления 1). При наличии стекла с коэффициентом прозрачности 10% диапазон достигает 0,8…100000 лк.

Особенности режимов измерения и потребления VL6180X

VL6180X предназначен для работы в различных системах управления, в том числе – и в составе портативной электроники. По этой причине низкое потребление может оказаться достаточно важным требованием.

VL6180X имеет значительное импульсное потребление в процессе проведения измерений, но среднее значение токов оказывается достаточно низким (рисунок 8). Вполне логично, что величина тока зависит от типов объектов и расстояния до них.

Рис. 8. Влияние расстояния и коэффициента отражения на потребление VL6180X

Дополнительного снижения потребления VL6180X можно достичь двумя способами: использовать ограничения на максимальное расстояние и/или использовать режимы пониженного потребления. Кроме того, суммарное потребление системы может быть уменьшено за счет работы по прерыванию.

Ограничение измеряемых расстояний (режим Early convergence estimate, ECE). С ростом расстояния до объекта средний ток потребления растет. VL6180X позволяет ограничить максимальное измеряемое расстояние для снижения потребления. Если в процессе выполнения измерения отраженный сигнал не вернулся в заранее заданный интервал времени — эмиссия импульсов может быть остановлена.

Режимы пониженного потребления. VL6180X имеет четыре основных режима пониженного потребления (таблица 5), в каждом из которых значения токов значительно отличаются. При отсутствии необходимости измерений датчик выключается и потребляет менее 1 мкА.

Таблица 5. Средние значения потребления VL6180X в различных режимах

Кроме того, имеется семь режимов измерений:

• одиночные измерения расстояния (Range single-shot);
• одиночные измерения освещенности (ALS single-shot);
• непрерывные измерения расстояния (Range continuous);
• непрерывные измерения освещенности (ALS continuous);
• непрерывные измерения расстояния и одиночные измерения освещенности (Range continuous and ALS single-shot);
• одиночные измерения расстояния и непрерывные измерения освещенности (Range single-shot and ALS continuous);
• непрерывные измерения расстояния и освещенности (Range Continuous and ALS Continuous).

Выбор режима проведения измерений достаточно сильно влияет на потребление. При непрерывных измерениях оно максимально.

Работа с микроконтроллером по прерыванию. VL6180X способен генерировать сигналы прерываний для внешнего микроконтроллера. При этом большую часть времени вся система, за исключением VL6180X, находится в спящем режиме.

Существует четыре типа прерывания при измерении как освещенности, так и расстояния:

• прерывание по окончании текущего преобразования;
• прерывание при снижении результата измерения ниже установленного значения;
• прерывание при превышении результатом измерения верхнего установленного значения;
• прерывание при выпадении результата измерения из заданного окна.

Однако, портативная электроника – не единственная область применения VL6180X.

Измерительные системы на базе VL6180X и области их применения

VL6180X представляет собой законченную измерительную систему, которая не требует дополнительных оптических элементов, имеет отличные метрологические характеристики, компактные размеры и гибкую систему потребления. Все это делает возможным применение данного датчика в широком спектре таких приложений как:

• мобильная и портативная электроника (смартфоны, планшеты и так далее);
• бесконтактные системы HMI для бытовой и промышленной электроники;
• охранные системы и системы видеонаблюдения;
• датчики уровня жидкостей;
• аварийные концевые датчики;
• системы электронного зрения;
• автоматические системы контроля уровня освещенности;
• игровые манипуляторы и так далее.

Особенно интересны перспективы создания каскадов датчиков. Несколько VL6180X могут объединяться по шине I2C для создания 2D/3D-систем распознавания движения (рисунок 9).

Рис. 9. Построение систем датчиков VL6180X

Если одиночный датчик способен распознавать наличие движения и приближения, то два датчика позволяют определить еще и направление движения вдоль одной из осей. Наличие трех и более датчиков создают полноценную 3D-систему зрения с контролем положения по всем трем осям.

Готовые аппаратные и программные решения на базе VL6180X

Компания STMicro­electro­nics предлагает ознакомительный набор EVAL-VL6180X и наборы разработчиков VL6180X-SATEL и X-NUCLEO-6180XA1.

Рис. 10. Внешний вид EVAL-VL6180X

Для ознакомления с метрологическими способностями VL6180X STMicroelectronics предлагает использовать отладочный набор EVAL-VL6180X (рисунок 10).

EVAL-VL6180X – законченная измерительная система на базе VL6180X. Данный прибор питается непосредственно от USB-порта.

Для работы с EVAL-VL6180X используется бесплатное программное обеспечение STSW-VL6180X. Данное ПО включает графический интерфейс пользователя, который позволяет настраивать VL6180X и отображать результаты его измерений.

В комплекте с EVAL-VL6180X идет набор калибровочных стоек (40 и 45 мм) и карбоновый экран.

VL6180X-SATEL представляет собой набор модулей в виде печатных плат с установленными датчиками VL6180X. Данные платы имеют встроенный регулятор напряжения и могут использоваться c питающими напряжениями 3,3…10 В.

Модули могут применяться отдельно либо объединяться по I2C для создания 3D-систем.

Наиболее просто такую систему можно создать на базе набора X-NUCLEO-6180XA1.

Основа набора X-NUCLEO-6180XA1 – плата расширения, которая используется для подключения до трех модулей VL6180X-SATEL (рисунок 11).

Рис. 11. Внешний вид X-NUCLEO-6180XA1 и набора VL6180X-SATEL

Рис. 12. Внешний вид P-NUCLEO-6180X2 и X-NUCLEO-6180XA1

X-NUCLEO-6180XA1 используется для установки на одну из плат семейства NUCLEO производства компании STMicroelectronics. Например, P-NUCLEO-6180X1 с контроллером STM32F401RE Cortex®-M4 или P-NUCLEO-6180X2 с контроллером STM32L053R8 Cortex®-M0+ (рисунок 12). Данные наборы позволяют создавать еще более сложные приложения с минимальными потерями времени за счет наличия готовых решений.

Заключение

VL6180X – уникальное интегральное решение, включающее датчики приближения и освещенности, излучатель и микропроцессорное ядро.

Множественные технические ноу-хау позволяют проводить измерения расстояний до объектов с точностью до единиц миллиметров, вне зависимости от их коэффициентов отражения.

VL6180X отличается гибкой системой потребления и возможностью работы в различных режимах.

Достоинства нового датчика позволяют совершить прорыв в области построения бесконтактных систем управления как в бытовой и портативной электронике, так и в промышленных системах.

Литература

1. VL6180X. Proximity and ambient light sensing (ALS) module. Rev.6 – ST Microelectronics, 2014;
2. Презентация. Optical Sensing: 1D to 3D using Time-of-Flight Technology. Shaping the Future of MEMS & Sensors, September 10, 2013;
3. http://st.com.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.