VL6180X距离、光线传感器上手体验

本文主要介绍VL6180X距离、光线传感器模块的一些基本特点、参数及简单的上手Demo，新手上路，老司机谨防追尾。

文章的章节编写按照如下顺序进行：

VL6180X开箱体验

基本功能概述

功能简介及说明

Demo上手测试

结语

参考资料

VL6180X开箱体验

VL6180X是一款比较迷你的传感器模块，拿到手后就是这样的，如图1所示：

图1. 开箱图

包装中一共两个，其中一个已经被我强拆了，外包装采用了ST评估板的惯用包装设计，因此还是备有亲切感的。取出模块后跟一角硬币对比了一下，还是非常短小的，如图2所示：

图2. 模块尺寸对比图

即使如此，该模块还是可以进一步变小，翻看其背面可以看到，VL6180X芯片的供电要求是2.8v，因此上半身是3.3v->2.8v降压电路，如果不需要电压转换的话，可以从中间一排小孔处将其掰歪，不对，是掰断。。。基本功能概述

讲了这么多废话，读者可能还是一脸蒙B：这TM什么玩意?借用ST官方的话说：The VL6180X is a proximity, gesture and ambient light sensor based on ST’s patented FlightSense™ technology. 简单的说就是：这是一款传感器，它能检测距离及光强度，甚至还有姿态。

因此它的基本特性如下：

1. 距离测量，提供三种量程选择：

a. 量程：20CM，精度：1MM ;

b. 量程：40CM，精度：2MM;

c. 量程：60CM，精度：3MM;

2. 环境光测量，多种采样增益及测量范围调节;

3. 环绕滤波器，滤除强反射物体所带来的测量错误;

4. 偏移校准，保证设备在不同的环境下的准确度。

5. 串扰补偿，使用盖玻片进一步提高距离检测的精确度;

6. 三种采样方式：

a. 轮询下的单次距离测量

b. 非轮询下的单次距离测量

c. 硬件中断下的持续距离测量

功能简介及说明

典型的距离输出特性

理论上来讲，VL6180X的输出值应该与目标物体之间的距离呈线性关系，但实际上并不是酱紫。在黑暗环境中，测试VL6180X与不同反射率的物体之间的距离，真实距离与实际测量距离的输出对比关系如图3

所示：

图3. 原始测量值与实际值对比

从图3中可知，测量数据的实际输出存在偏移错误，且数据抖动剧烈，其中偏移错误可通过偏移校准来修正。而为了进一步提高VL6180X的输出精度及稳定性，官方推荐使用盖玻片来增加串扰信号，并在之后进行串扰补偿来修正盖玻片带来的距离错误。如图4所示：在使用了盖玻片并做了串扰补偿修正后，真实距离与实际测量距离的误差减少稳定性也进一步增强。

图4. 串扰补偿后的测量值与实际距离对比

捕获收敛时间

需要注意的是，VL6180X计算与物体之间的距离所需要的时间花费并不是固定的，它与测量距离及目标物体的光反射率有关。如图5所示：在10MM内，模块测量的距离值是无意义的，所花费的转换时间也较长;而当测量距离逐渐增大后，所花费的时间也逐渐增大，反射率越低，消耗的时间越长。

图5. 收敛时间与测量距离及物体反射率之间的关系

由于收敛时间与物体反射率及无标物体的实际距离有关，因此可以使用简单的收敛估计(Early convergence estimate, ECE)来降低模块的功耗。例如，判断0.5ms内VL6180X模块所接收到的反馈信号数，当其低于某个理想中的阈值时，可认定在设定的量程内，周围没有检测到有效物体，因此可中止接下来的测量以节省功耗，如图6所示。反之，当接收到的反馈信号数高于设定的理想阈值时，系统才启动测量，在这种情况下，只有高反射率的金属物体靠近VL6180X模块时，系统才会开始工作，达到了降低功耗的效果，如图7所示。

图6. 量程范围内无目标时的阈值设置

图7. 检测金属物体时的阈值设置

环境光传感器模式

VL6180X模块可以在一个相当宽泛的范围内测量所接收到的环境光，其测量的原理为计算单位时间 (100ms)内光孔所接收到的光量，至于为啥是100ms，因为大多数应用都是这么设置的(嗯，手册上说的)。因此，若要测量不同的光强度，推荐设置模块的测量量程，而不是修改采样时间。

此外模块接收到的实际光量值会受模块光孔的角度影响，如图8所示：模块接收光量的最佳范围在一个圆锥体内，超过该圆锥体，测量的实际值也会受到较大的影响，整体的值也呈现一个正态分布的效果。

图8. 光孔位置及接收角度示意图

对于偏移校准及串扰补偿方法，此处不再过多详述，始终铭记这是评测，这是评测，不是教程，打住。

Demo上手测试

为试验VL6180X的实际测量效果，此处使用STM32F0308-Discovery开发板驱动该模块，如图9所示：

图9. 评估板测试准备

选好板子连好线后，首先需要建立一个新工程，因此需要去ST官网下载STM32F0308-Discovery的软件支持包en.stm32cubef0.zip及VL6180X模块的软件支持包ja.STSW-IMG003。为加快测试效率，可以直接把STM32F0308-Discovery的I2C例程搬过来修改，这样就不用从零开始配置环境了。

完成第一步之后将VL6180X软件支持包中的相关文件导入进工程，这里我们需要添加的文件如图10所示：

图10. 工程文件结构

其中vl6180x_app.x、vl6180x_i2c.x及vl6180x_gpio.x是额外创建的新文件，这几个文件与平台有关，针对不同的处理器，需要做对应的移植修改。将相应文件添加进来后，再配置工程的头文件路径，完成后的工程如图xx所示：

接下来要做的就是移植vl6180x到f0308平台，这也是测试过程中的主要工作，描述代码的过程始终觉得是比较蛋疼的一件事，简单的说，就是：1. 照着例程依葫芦画瓢的修改了I2C的底层驱动代码以及引脚配置的一些代码;2. 额外增加了一个vl6180x_app.c文件，用于实现4个小demo中的一些打印信息函数及模块初始化函数。感兴趣的同学可以直接访问我的代码库获取该工程：测试Demo URL

完成上述工作后，编译-烧写-调试-打印，距离测试的打印结果如下：

图11. 距离测试打印

在图11测试过程中，系统上电时用手遮住了传感器，返回错误6，表示没有检测到有效物体(太近);之后慢慢将手拿开，返回有错误11、13、16，表示模块在量程内未识别有效物体或者目标过多(太远)。更多的错误详情可查阅模块用户手册。

图12. 光照强度测试打印

在图12的测试中可知，系统上电后检测到了周围的环境光强度，用手遮住后检测值立马下降，模块的光照强度减弱。

结语

VL6180X是一款专业、精准的传感器模块，不论是距离检测还是环境光检测，其稳定、可靠性要远远高于普通的超声波模块及光传感器)。因此，其上手难度也高于一般的传感器模块。感兴趣的话，读者不妨购买回来研究一下，用在自己的玩具小车、飞行器等智能硬件领域也是极好的。

参考资料

本文的编写主要参考了以下相关文档：

1. 《VL6180X-SATEL》：产品描述

2. 《UM1983 User manual》：用户手册

3. 《VL6180X》：数据手册

4. 《VL6180X API Integration Guide》：API编程手册

并参考了以下软件资源：

1. ja.STSW-IMG003 ： VL6180X软件支持包

2. en.stm32cubef0.zip：STM32F0308-Discovery软件支持包

- STM32单片机中文官网

- STM32单片机官方开发工具

- STM32单片机参考设计

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