很多應(yīng)用需要在不接觸實(shí)際物體的情況下，感測物體的存在或距離。這種接近感應(yīng)需求催生了眾多競爭性解決方案，包括光學(xué)飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器。雖然這些傳感器非常精確，但其成本一直非常昂貴，并且實(shí)施復(fù)雜；不過最近的解決方案已經(jīng)顯著簡化了此類技術(shù)的使用。

使用接近感應(yīng)的產(chǎn)品列表包括相機(jī)自動(dòng)對焦系統(tǒng)、機(jī)器人和無人機(jī)、各種浴室裝置，以及自動(dòng)門的門禁傳感器。這里只是舉了幾個(gè)例子，此類產(chǎn)品列表還在不斷擴(kuò)大。競爭性的接近感應(yīng)技術(shù)首先是簡單的紅外線和超聲波傳感器，再逐漸發(fā)展到更復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，例如使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的立體視頻攝像機(jī)。

所有這些技術(shù)都存在局限性，并且可能需要人工智能來實(shí)施復(fù)雜任務(wù)，例如自主駕駛車輛的對象識(shí)別和跟蹤，但對于分配紙巾和肥皂這樣的任務(wù)，這些技術(shù)又顯得大材小用了。設(shè)計(jì)人員面臨著不斷縮緊的預(yù)算和日益緊迫的設(shè)計(jì)時(shí)間窗口，他們需要最大程度地減少成本、空間和設(shè)計(jì)時(shí)間。

一種替代型接近感應(yīng)解決方案是 ToF 傳感器。它們通過測量光子從傳感器發(fā)射到物體并反射回來的往返時(shí)間，測量與目標(biāo)物體之間的距離。截止目前，一直是很難以低成本快速地實(shí)施 ToF 設(shè)計(jì)，但新一代高度集成的低成本 ToF 傳感器讓我們能夠?qū)⒏叨染_的非接觸式感應(yīng)技術(shù)帶入低成本設(shè)計(jì)中。

本文將討論包括 ToF 傳感器在內(nèi)的距離測量技術(shù)在各種距離感測和手勢識(shí)別應(yīng)用中的演進(jìn)和使用情況。接著，本文將描述 ToF 傳感器技術(shù)的工作原理，最后還將介紹一些最新的解決方案及其入門使用方法。

早期的接近傳感器

1972 年推出的寶麗來 SX-70 即拍即得相機(jī)采用了眾多創(chuàng)新技術(shù)，其中包括一種三反光學(xué)設(shè)計(jì)折疊了扁平的 Fresnel 鏡頭、一個(gè)扁平 6 伏電池內(nèi)置在即時(shí)膠片封裝中，以及一個(gè)十次使用的 Flash Bar 閃光燈。但是，寶麗來在 SX-70 中引入的一種影響最大的技術(shù)莫過于 Sonar 自動(dòng)對焦系統(tǒng)。這種系統(tǒng)最初出現(xiàn)在 1978 年推出的寶麗來 SONAR OneStep 相機(jī)中（圖 1）。SONAR 自動(dòng)對焦系統(tǒng)采用了創(chuàng)新的超聲波傳感器，既可用于發(fā)射超聲波測距脈沖，又可用于接收反射的超聲波能量。

圖 1：寶麗來 SONAR OneStep SX-70 相機(jī)采用了超聲波傳感器（相機(jī)頂部的大金色圓圈）來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對焦測距。（圖片來源：維基百科）

SONAR 的超聲波傳感器取得了極大成功，寶麗來為該傳感器設(shè)立了專門業(yè)務(wù)，直至今日，寶麗來超聲波自動(dòng)對焦傳感器仍然有著巨大影響。例如，價(jià)格低廉的SparkFunSEN-13959HRC-SR04 超聲波測距模塊是一款距離傳感器，采用單獨(dú)的傳輸和接收傳感器（圖 2）。該傳感器可由Arduino開發(fā)板直接驅(qū)動(dòng)。其測距范圍在 2 至 400 厘米 (cm) 之間，能夠進(jìn)行無接觸的近距離測量，最小分辨率為 3 毫米 (mm)。

圖 2：SparkFun 的 SEN-13959 超聲波測距模塊使用反射的 40 kHz 脈沖來感測距離。（圖片來源：SparkFun）

為了使用此模塊來測量距離，Arduino 電路板（或其他控制器）發(fā)送 10 微秒 (μs) 脈沖到電路板的 Trig 引腳，該引腳觸發(fā)一系列由超聲波發(fā)射器發(fā)射的八個(gè)短超聲波脈沖。超聲波脈沖遇到目標(biāo)后反射回來，速度為每秒 343 米 (m)（在典型環(huán)境下，溫度為 20?C）。與目標(biāo)之間的距離計(jì)算方法是：超聲波脈沖發(fā)射和接收之間的時(shí)間長度乘以每秒 343 米，再除以 2（因?yàn)闀r(shí)間是往返時(shí)間）。

超聲波脈沖遇到硬表面時(shí)，其反射效果好，但如果遇到簾子、地毯、衣服和聚酯塑料等軟表面，反射效果就不太理想。測量精確度將取決于所使用的脈沖計(jì)時(shí)方法。SparkFun SEN-13959 模塊沒有此類計(jì)時(shí)控制功能。該模塊依賴于主機(jī) CPU 進(jìn)行精確計(jì)時(shí)。此外，超聲波傳感器進(jìn)行距離測量的精確度和穩(wěn)定性會(huì)隨著空氣溫度（溫度會(huì)改變聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣龋┖涂諝饬鲃?dòng)（這會(huì)帶走很多反射的超聲波能量并衰減返回信號(hào)）而發(fā)生變化。

紅外線 (IR) LED 也一直用于接近檢測和距離測量。例如，Sharp MicroelectronicsGP2Y0A41SK0F距離測量傳感器裝置能夠根據(jù)從 IR LED 發(fā)出的反射紅外線光的強(qiáng)度，感應(yīng) 4 cm 至 30 cm 距離范圍內(nèi)的物體（圖 3）。該傳感器輸出模擬電壓，電壓范圍從 3 伏特以上（對應(yīng)于 3 cm 的距離）至大約 0.3 伏特（對應(yīng)于 40 cm 的距離），以指示物體距離。主機(jī)控制器負(fù)責(zé)將此模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示。

圖 3：Sharp GP2Y0A41SK0F 紅外線距離測量傳感器裝置能夠檢測 3 cm 至 40 cm 范圍內(nèi)的物體。（圖片來源：Sharp Microelectronics）

然而，由于物體距離的計(jì)算依據(jù)是反射的紅外線能量多少，因此這種紅外線傳感器的精確度會(huì)受到多個(gè)可變因素的影響，例如物體反射率和環(huán)境光強(qiáng)度。

另一種使用紅外線光測量物體距離的方法是測量光子從傳感器的紅外發(fā)射器發(fā)射到物體，再反射回到傳感器的飛行時(shí)間。這種近距離測量傳感器將超聲波傳感器的 ToF 特征與光子速度的相對無干擾性（不受流動(dòng)空氣、環(huán)境光或反射率的影響）結(jié)合在一起。

一直到最近，我們都很難測量光子短距離發(fā)射的飛行時(shí)間，因?yàn)楣馑俑哌_(dá) 299,792,458 米/秒，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這相當(dāng)于大約每納秒一英尺。因此，ToF 傳感器需要非常精確的次納秒級(jí)計(jì)時(shí)，這樣才能檢測幾微米、幾厘米甚至數(shù)英寸的距離。

不過，ToF 傳感器技術(shù)的成本已經(jīng)顯著降低，這要?dú)w功于視頻游戲產(chǎn)業(yè)。截止目前，也許 ToF 傳感器最廣為人知的應(yīng)用是 Microsoft? 的 Kinect 游戲控制器（圖 4）。第一代 Microsoft Kinect 在 2010 年底推出，作為該公司 Xbox 360 的外設(shè)。這個(gè)控制器在機(jī)器人制造公司中應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)樗軌蚴褂?ToF 距離感測，生成機(jī)器人即時(shí)環(huán)境的三維地圖。

圖 4：Microsoft Kinect 控制器適用于該公司的 Xbox 360 視頻游戲控制臺(tái)，采用 ToF 感測技術(shù)來創(chuàng)建周邊環(huán)境的三維地圖。（圖片來源：維基百科）

Kinect 控制器的感應(yīng)技術(shù)經(jīng)過了微型化和簡化處理，以創(chuàng)建適合眾多嵌入式應(yīng)用的實(shí)用距離測量傳感器。

VCSEL 和 SPAD

例如，STMicroelectronics現(xiàn)在擁有幾代微型 ToF 傳感器產(chǎn)品系列，可用于近距離測量。這些傳感器基于一些非?，F(xiàn)代化的基礎(chǔ)技術(shù)，包括紅外線垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 和單光子雪崩光電二極管陣列 (SPAD)。

這個(gè) ToF 傳感器產(chǎn)品系列的三款傳感器是VL53L0CX、VL53L1CX和VL6180X。雖然這三款產(chǎn)品都可用來測量距離，但它們具有不同的功能。

第一代 VL6180X ToF 傳感器具有一種距離模式，可測量從幾毫米到 100 mm 的距離（圖 5）。這款傳感器的尺寸為 4.8 x 2.8 x 1.0 mm，視場角為 42 度。它還帶有內(nèi)置的環(huán)境光傳感器，能夠補(bǔ)償環(huán)境光的變化。

圖 5：STMicroelectronics 的第一代 VL6180X 傳感器的最大測量距離為 100 mm。（圖片來源：STMicroelectronics）

第二代 VL53L0CX ToF 傳感器對白色目標(biāo)的室內(nèi)測量距離為 50 至 1200 mm（圖 6）。這款傳感器的尺寸為 4.4 x 2.4 x 1.0 mm，視場角為 25 度。當(dāng)傳感器在室外使用時(shí)，由于環(huán)境光的作用，最大測量距離縮小為 600 至 800 mm。

圖 6：STMicroelectronics 的第二代 VL53L0CX 傳感器的最大測量距離為 1200 mm。（圖片來源：STMicroelectronics）

第三代 VL53L1CX ToF 傳感器具有三種距離模式（圖 7）。在短距離、中距離和長距離這三種模式下，當(dāng)沒有環(huán)境光時(shí)，白色目標(biāo)的最大測量距離分別為 1360、2900 和 3600 mm。在環(huán)境光很強(qiáng)的情況下，短距離、中距離和長距離這三種模式下的最大測量距離分別為 1350、760 和 730 mm。這與我們的直覺相反，在環(huán)境光很強(qiáng)的情況下，短距離模式的測量距離最長。

VL53L1CX 的尺寸為 4.9 x 2.5 x 1.56 mm，最大視場角為 27 度。（這款傳感器的視場可以進(jìn)行編程并且可以縮小，如下所述。）

圖 7：STMicroelectronics 的第三代 VL53L1CX 傳感器的最大測量距離接近 4 m。（圖片來源：STMicroelectronics）

所有這三款 ToF 傳感器都支持近距離測量，分辨率為 1 mm，通過數(shù)字 I2C 接口報(bào)告到主機(jī)處理器，該接口也作為傳感器的控制端口。由于這些傳感器都使用 I2C 接口，因此連接到主機(jī)處理器極為簡單（圖 8）。

圖 8：與產(chǎn)品系列中的早期傳感器相同，STMicroelectronics 的第三代 VL53L1CX 傳感器使用簡單的 I2C 連接來連接到主機(jī)處理器。（圖片來源：STMicroelectronics）

請注意 AVDDVCSEL 和 AVDD 電源線非常特殊的旁路要求。100 納法和 4.7 微法的旁路電容器需要盡可能靠近傳感器，以防止電源噪聲進(jìn)入傳感器和降低精確度。

這些 ToF 傳感器實(shí)質(zhì)上全部都是一維的。它們報(bào)告視場范圍內(nèi)的物體接近度。如果視場范圍內(nèi)存在多個(gè)物體，這些傳感器將報(bào)告與最近物體的距離。單個(gè)傳感器無法檢測單手手勢的方向，但可用于檢測四個(gè)簡單手勢，包括：

1. 單擊（手向下移動(dòng)“輕擊”傳感器）
2. 雙擊
3. 單次輕掃（手移動(dòng)滑過傳感器的視場）
4. 雙次輕掃

通過使用一個(gè)、兩個(gè)或更多傳感器，在多個(gè)維度上檢測手勢和運(yùn)動(dòng)，可以從其中一個(gè) ToF 傳感器獲取手勢和運(yùn)動(dòng)信息。通過使用成對的 ToF 傳感器，也可以探測從左至右和從右至左的手部移動(dòng)。

此外，還可以通過有選擇地縮小視場范圍，從第三代 VL53L1CX 接近傳感器獲取更多信息。這要使用通過 I2C 接口發(fā)送到傳感器的命令，關(guān)閉傳感器陣列中的各個(gè) SPAD 來實(shí)現(xiàn)。VL53L1CX 接近傳感器的 SPAD 陣列為 16 x 16 陣列，包括 256 個(gè)光電二極管。該陣列的任何方形或矩形部分可以通過軟件命令來激活，這些命令可指定陣列中應(yīng)激活的 SPAD 周圍方框的兩個(gè)角。通過減少激活元件的數(shù)量，可減小傳感器的視場并縮小傳感器的感應(yīng)區(qū)域。唯一要求是必須至少激活 16 個(gè) SPAD，形成一個(gè) 4 x 4 光電二極管陣列，但也允許更大的陣列。

在設(shè)計(jì)中使用 ToF 傳感器

為了快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)，VL53L1CX 接近傳感器隨附了評估套件P-NUCLEO-53L1A1。該套件包括STM32F401RE Nucleo評估板，該板基于 STMicroelectronics STM32 微控制器；還包括X-NUCLEO-53L1A1擴(kuò)展板，該板安裝在微控制器板上并接受兩個(gè) VL53L1X 分線板（也包括在套件中）（圖 9）。

圖 9：STMicroelectronics P-NUCLEO-53L1A1 評估套件中的傳感器分線板包括一個(gè) V53L1X ToF 接近傳感器，它是直接安裝在板上。該板可在插接式分線板上接受另外兩個(gè) V53L1X 傳感器。（圖片來源：STMicroelectronics）

P-NUCLEO-53L1A1 評估套件還包括系統(tǒng)軟件和源代碼示例，以幫助快速啟動(dòng)開發(fā)工作。STMicroelectronics 還為 STM32Cube 軟件開發(fā)包提供了 TOF 距離測量和手勢檢測擴(kuò)展模塊。這些擴(kuò)展模塊專用于各個(gè)傳感器，并且可從 STMicroelectronics 直接免費(fèi)下載。

由于這些 STMicroelectronics ToF 傳感器非常小巧，它們可以用于設(shè)計(jì)人員可能想像得到的幾乎任何位置。以下幾個(gè)應(yīng)用示例可幫助發(fā)揮想像力：

• 機(jī)器人通用接近傳感器
• 自動(dòng)感應(yīng)紙巾和肥皂分配器
• 自動(dòng)感應(yīng)坐便器和小便斗沖洗器
• 自動(dòng)感應(yīng)水槽水龍頭
• 機(jī)器人真空吸塵器的墻壁邊清掃和避障傳感器
• 便攜式電腦和監(jiān)視器的低成本操作人員在場檢測器
• 零售自助服務(wù)終端的簡單在場和手勢檢測
• 自動(dòng)售貨機(jī)的物理庫存管理
• 自動(dòng)售貨機(jī)的硬幣計(jì)數(shù)
• 可自動(dòng)管理無人商店庫存的智能貨架
• 無人機(jī)的地面迫近檢測
• 室內(nèi)無人機(jī)的天花板接近檢測

與基于二維 ToF 傳感器或立體相機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的接近檢測器不同，這些集成式 STMicroelectronics ToF 接近傳感器的成本相對較低，因而能夠應(yīng)用于各種以不同價(jià)位售貨的終端產(chǎn)品。

總結(jié)

包括光學(xué)和超聲波在內(nèi)的很多技術(shù)可用于接近感應(yīng)，并且人們基于這些技術(shù)推出了很多優(yōu)秀的解決方案。然而，其中最新的一種接近感應(yīng)技術(shù)還是 ToF（飛行時(shí)間）。這種技術(shù)可計(jì)算光子離開傳感器發(fā)射到目標(biāo)并反射回到傳感器的往返時(shí)間，從而測量與目標(biāo)的距離。

隨著采用紅外線發(fā)射器和接收器的集成傳感器出現(xiàn)，以及用于光子傳輸時(shí)間的次納秒級(jí)計(jì)時(shí)所必需的電路，使得這種技術(shù)得到了經(jīng)濟(jì)高效的使用。此外，相關(guān)的開發(fā)套件也有助于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和加快原型開發(fā)。