1. Технології датчиків відстані
2. Датчик освітлення та наближення VL6180X
3. Особливості вимірювання відстані за допомогою VL6180X
4. Вимірювання освітленості за допомогою VL6180X
5. Особливості режимів вимірювання та споживання VL6180X
6. Вимірювальні системи на базі VL6180X і області їх застосування
7. висновок
8. література
9. Про компанію ST Microelectronics

Нові вимірювальні модулі VL6180X , Вироблені компанією STMicroelectronics за технологією ST FlightSense ™ - це справжній прорив в області систем безконтактного управління. Ці модулі мають на борту датчики освітлення та наближення і дозволяють будувати повноцінні 3D-системи управління і позиціонування.

ІК-системи виявлення руху і безконтактного управління широко поширені завдяки надійності і простоті реалізації. Автоматичні крани і двері, ігрові маніпулятори, HMI-інтерфейси - ось лише частина їх додатків.

Однак загальноприйняті ІК-системи використовують технологію вимірювання інтенсивності відбитого світла і не дають достатньої точності при визначенні відстаней до об'єктів, особливо в ближньому діапазоні. Нова технологія ST FlightSense ™ розробки STMicroelectronics використовує принцип вимірювання часу поширення світла і дає набагато більш високу точність.

Модулів VL6180X доступний цілий ряд переваг:

• інтеграція в одному модулі випромінювача, датчиків наближення і освітленості;
• закінченість вимірювальної системи, що не вимагає додаткових оптичних елементів;
• діапазон вимірюваних відстаней - 0 ... 100 мм (і більше);
• незалежність від коефіцієнта відбиття детектируемого об'єкта і зовнішньої освітленості;
• вимір освітленості - 0,08 ... 100000 лк;
• можливість глибокої калібрування;
• гнучка система споживання.

Технології датчиків відстані

ІК-датчики широко поширені в системах розпізнавання рухів і в измерителях відстані. Загальноприйнятою є технологія, в якій використовується вимір інтенсивності відбитого світла.

Мал. 1. Стандартна технологія визначення руху

В такому датчику присутній випромінювач (зазвичай лазерний діод) і фотоприймач (рисунок 1а). Випромінювач формує світлові імпульси, які, відбиваючись від об'єктів, фіксуються фотоприймачем. За амплітудою вихідного сигналу приймача можна судити про наявність об'єкта і його русі. Однак визначення відстані дуже часто виявляється скрутним.

В процесі проходження світла від випромінювача до приймача частина світла неминуче втрачається через поглинання і розсіювання. Якщо перед описаним вище датчиком розташовувати предмети з різною що відображає (K1> K2> K3), потік відбитого світла буде відрізнятися. В результаті одна і та ж амплітуда вихідного сигналу буде відповідати різним відстаням P1> P2> P3 (рисунок 1б).

Мал. 2. Особливості технології ST FlightSense ™

Нова технологія ST FlightSense ™ використовує інший принцип вимірювання. Відстань до об'єкта визначається за часом поширення світлового потоку від передавача до приймача (рисунок 2а). Чим ближче об'єкт, тим менше часу потрібно світла, щоб подолати відстань. При цьому його амплітуда не грає вирішальної ролі.

В результаті датчики, створені за технологією ST FlightSense, здатні не тільки визначати наявність або відсутність об'єкта, а й вимірювати відстань до нього, незалежно від світлових втрат на поглинання і розсіювання. Це призводить до того, що перелік детектіруемих рухів істотно розширюється (таблиця 1).

Таблиця 1. Переваги ST FlightSense ™ перед загальноприйнятою ІК-технологією

Характеристика Стандартна техніка
ІК-детекції ST FlightSenseTM Контроль амплітуди сигналів Є Є Вимірювання часу прольоту Немає Є Точність вимірювання відстані Немає Одиниці см розрізняють руху Детекція руху Детекція руху, будь-які лінійні переміщення, наближення / видалення

Мал. 3. Проблеми детектування інфрачервоного випромінювання на прикладі стільникового телефону

Однак варто зазначити, що обидві представлені технології детектування вимагають вирішення цілого комплексу завдань (малюнок 3), таких як:

• компенсація перехресних оптичних перешкод;
• компенсація фонового освітлення;
• формування вузькосмугового спектру випромінювача і приймача;
• формування жорстко детермінованих ІК-пучків.

Всі ці проблеми були вирішені при створенні нового датчика освітлення і наближення VL6180X виробництва STMicroelectronics.

Датчик освітлення та наближення VL6180X

Мал. 4. Зовнішній вигляд VL6180X

VL6180X - унікальний датчик освітлення і наближення, що використовує технологію FlightSense і реалізований в мініатюрному корпусі LGA12 розмірами 4,8 × 2,8 × 1,0 мм (рисунок 4).

Незважаючи на малі габарити, VL6180X є закінченою системою, що включає датчик наближення (Proximity sensor), датчик освітленості (Ambient Light Sensor), випромінювач (VCSEL light source), ОЗУ і ПЗУ, мікроконтролер (малюнок 5). VL6180X призначений для монтажу на друковану плату і не вимагає ніяких додаткових оптичних елементів. Результати вимірювань доступні по I2C-інтерфейсу.

Мал. 5. Архітектура датчика VL6180X

VL6180X здатний визначати відстань до об'єктів в діапазоні 0 ... 100 мм з міліметровою точністю незалежно від характеристик об'єкта, а також вимірювати освітленість у широкому динамічному діапазоні (таблиця 2).

Таблиця 2. Характеристики VL6180X

Характеристика VL6180X Корпус LGA12 4,8 × 2,8 × 1,0 мм Вимірюється відстань, мм 0 ... 100 (16 біт) Робоча довжина хвилі, нм 850 Динамічний діапазон виміру
освітленості, лк 0,08 ... 100 000 (16 біт, 8 налаштувань посилення) Діапазон живлячих напруг, В 2,6 ... 3,0 Інтерфейс, кГц I2C, 400 Робочий діапазон температур, ° С -20 ... 70

Серед ключових переваг сенсора слід зазначити:

• закінчену і продуману електронно-оптичну систему для точних вимірювань відстані;
• вимір освітленості з широким динамічним діапазоном;
• роботу в різних режимах перетворення і споживання (важливо для мобільних пристроїв);
• можливість побудови складних 1D / 2D / 3D-систем управління.

Особливості вимірювання відстані за допомогою VL6180X

VL6180X використовує технологію визначення відстані FlightSense, при якій вимірюється час прольоту світлових імпульсів від передавача до приймача. Розглянемо основні особливості вимірювальної системи даного сенсора.

Високостабільний випромінювач (Single Photon Avalanche Diode). В якості випромінювача в VL6180X використовується стабільний лазерний діод з довжиною хвилі 850 нм. Вибір довжини хвилі зроблений з урахуванням мінімізації впливу фонового випромінювання (рисунок 6).

Мал. 6. Спектри оптичних елементів VL6180X

ІК-випромінювач створює потужні поодинокі світлові імпульси. З одного боку, це дозволяє визначати час прольоту з високою точністю, а з іншого - збільшує максимальне вимірюється відстань. Наприклад, фотоприймач здатний фіксувати світлові імпульси навіть на відстанях більше 100 мм при коефіцієнті відображення об'єкта всього 3%.

Разом з тим варто відзначити, що потужність лазера і його оптичні елементи дозволяють йому відповідати рівню безпеки класу 1 по стандарту МЕК 60825-1: 2007. Це, в тому числі, значить, що розробникам не рекомендується використовувати додаткові оптичні елементи для фокусування лазерного променя.

Фотоприймач. Спектр фотоприймача досить вузький і узгоджений зі спектром випромінювача для мінімізації впливу фонового випромінювання.

На точність вимірювання відстані впливають кілька факторів: власні похибки VL6180X (таблиця 3), оптичні перехресні перешкоди (Optical crosstalk) і зовнішній шум фонового освітлення (Ambient illumination). Для їх мінімізації застосовується кілька основних механізмів: калібрування зміщення лазерного діода, програмна калібрування, компенсація перехресних перешкод.

Таблиця 3. Джерела похибок вимірювань VL6180X

Характеристика Максимальне значення вноситься
похибки, мм Метод боротьби Шум 2 Використання даних про рівень освітленості Початкове зміщення 13 Програмна калібрування зміщення Температурний дрейф 15 Калібрування зміщення VHV Вплив дрейфу напруги живлення 5 Калібрування зміщення VHV Перехресні оптичні перешкоди Залежить від системи Компенсація перехресних перешкод

Ручна або автоматична калібрування зміщення лазерного діода (Manual / autoVHV calibration). Сенс калібрування полягає в зміні напруги зсуву лазерного діода (Very High Voltage, VHV). Його початкове значення становить 14 В, але може бути підлаштовано вручну або автоматично. Тривалість підстроювання займає всього 200 мкс і не заважає виконанню основних вимірів. Періодичність автоматичного підстроювання також може бути задана вручну.

Калібрування дозволяє усунути негативний вплив температури і дрейфу напруги живлення на характеристики лазерного діода.

Програмна калібрування полягає в запису зсувів в калібрувальні регістри. Ці значення будуть автоматично відраховуватися з результатів вимірювань. За допомогою цього методу вдається усунути початковий зсув.

Компенсація перехресних перешкод. Як було сказано вище, в будь-оптичної системі існують додаткові проблеми усунення перехресних оптичних перешкод (рисунок 3). У реальних системах (наприклад, телефонах) виникають додаткові відображення від поверхні кордонів середовищ. Ці перешкоди фіксуються приймачем і впливають на точність вимірювання.

У VL6180X існує механізм компенсації цих перешкод. Його суть полягає в відсіканні занадто «швидких» повернулися імпульсів. Можливість тонкого налаштування є вкрай зручною функцією, так як рівень відсічення буде відрізнятися від системи до системи.

Мал. 7. Типові результати вимірювань за допомогою VL6180X

Запропоновані механізми дозволяють звести похибки до мінімуму (малюнок 7). Навіть в разі наявності потужних джерел електромагнітних полів точність вимірювань залишається високою (таблиця 4).

Таблиця 4. Вимірювальна здатність VL6180X

відбивна
здатність Діапазон вимірюваних відстаней, мм В темряві Зовнішнє освітлення
(Галогенова лампа 1 клк з розсіюванням) Зовнішнє освітлення
(Галогенова лампа 5 клк з розсіюванням) 0,03> 100> 80> 40 005> 100> 90> 45 0,17> 100> 100> 60 0,88> 100> 100> 70

Вимірювання освітленості за допомогою VL6180X

VL6180X має вбудований датчик освітленості (Ambient Light Sensor, ALS). Його спектр в загальних рисах відповідає спектру денного освітлення (малюнок 6). Кут огляду ALS становить 42 °.

Датчик забезпечений підсилювачем з програмованим коефіцієнтом підсилення 1; 1,25; 1,67; 2,5; 5; 10; 20; 40.

При виконанні вимірювань час інтегрування складає 50 ... 100 мс і може бути налаштована програмним способом.

Діапазон вимірюваної освітленості залежить від наявності або відсутності додаткового захисного скла. Так, наприклад, при відсутності скла діапазон становить від 0,08 лк (при коефіцієнті посилення 40) до 20800 лк (при коефіцієнті посилення 1). При наявності скла з коефіцієнтом прозорості 10% діапазон досягає 0,8 ... 100000 лк.

Особливості режимів вимірювання та споживання VL6180X

VL6180X призначений для роботи в різних системах управління, в тому числі - і в складі портативної електроніки. З цієї причини низьке споживання може виявитися досить важливою вимогою.

VL6180X має значний імпульсне споживання в процесі проведення вимірювань, але середнє значення струмів виявляється досить низьким (рисунок 8). Цілком логічно, що величина струму залежить від типів об'єктів і відстані до них.

Мал. 8. Вплив відстані і коефіцієнта відображення на споживання VL6180X

Додаткового зниження споживання VL6180X можна досягти двома способами: використовувати обмеження на максимальну відстань і / або використовувати режими зниженого споживання. Крім того, сумарне споживання системи може бути зменшено за рахунок роботи по перериванню.

Обмеження вимірюваних відстаней (режим Early convergence estimate, ECE). З ростом відстані до об'єкта середній струм споживання зростає. VL6180X дозволяє обмежити максимальне вимірюється відстань для зниження споживання. Якщо в процесі виконання вимірювання відбитий сигнал не повернувся в заздалегідь заданий інтервал часу - емісія імпульсів може бути зупинена.

Режими зниженого споживання. VL6180X має чотири основних режими зберігання (таблиця 5), в кожному з яких значення струмів значно відрізняються. При відсутності необхідності вимірювань датчик вимикається і споживає менше 1 мкА.

Таблиця 5. Середні значення споживання VL6180X в різних режимах

Режим Струм, мкА Стан Hardware standby <1 Shutdown, I2C неактивний Software standby <1 Після завантаження MCU Вимірювання освітленості ALS 300 В процесі вимірювання Вимірювання відстані 1700 Середнє споживання в процесі вимірювань

Крім того, є сім режимів вимірювань:

• поодинокі вимірювання відстані (Range single-shot);
• поодинокі вимірювання освітленості (ALS single-shot);
• безперервні вимірювання відстані (Range continuous);
• безперервні вимірювання освітленості (ALS continuous);
• безперервні вимірювання відстані і поодинокі вимірювання освітленості (Range continuous and ALS single-shot);
• поодинокі вимірювання відстані і безперервні вимірювання освітленості (Range single-shot and ALS continuous);
• безперервні вимірювання відстані і освітленості (Range Continuous and ALS Continuous).

Вибір режиму проведення вимірювань досить сильно впливає на споживання. При безперервних вимірах воно максимально.

Робота з мікро контролером по перериванню. VL6180X здатний генерувати сигнали переривань для зовнішнього мікроконтролера. При цьому більшу частину часу вся система, за винятком VL6180X, знаходиться в сплячому режимі.

Існує чотири типи переривання при вимірюванні як освітленості, так і відстані:

• переривання після закінчення поточного перетворення;
• переривання при зниженні результату вимірювання нижче встановленого значення;
• переривання при перевищенні результатом вимірювання верхнього встановленого значення;
• переривання при випаданні результату вимірювання з заданого вікна.

Однак, портативна електроніка - не єдина область застосування VL6180X.

Вимірювальні системи на базі VL6180X і області їх застосування

VL6180X є закінченою вимірювальну систему, яка не вимагає додаткових оптичних елементів, має відмінні метрологічні характеристики, компактні розміри і гнучку систему споживання. Все це робить можливим застосування даного датчика в широкому спектрі таких додатків як:

• мобільна і портативна електроніка (смартфони, планшети і так далі);
• безконтактні системи HMI для побутової та промислової електроніки;
• охоронні системи та системи відеоспостереження;
• датчики рівня рідини;
• аварійні кінцеві датчики;
• системи електронного зору;
• автоматичні системи контролю рівня освітленості;
• ігрові маніпулятори і так далі.

Особливо цікаві перспективи створення каскадів датчиків. Кілька VL6180X можуть об'єднуватися по шині I2C для створення 2D / 3D-систем розпізнавання руху (малюнок 9).

Мал. 9. Побудова систем датчиків VL6180X

Якщо одиночний датчик здатний розпізнавати наявність руху і наближення, то два датчика дозволяють визначити ще й напрямок руху вздовж однієї з осей. Наявність трьох і більше датчиків створюють повноцінну 3D-систему зору з контролем положення по всіх трьох осях.

Готові апаратні і програмні рішення на базі VL6180X

Компанія STMicroelectronics пропонує ознайомлювальний набір EVAL-VL6180X і набори розробників VL6180X-SATEL і X-NUCLEO-6180XA1 .

Мал. 10. Зовнішній вигляд EVAL-VL6180X

Для ознайомлення з метрологічними здібностями VL6180X STMicroelectronics пропонує використовувати оцінний набір EVAL-VL6180X (рисунок 10).

EVAL-VL6180X - закінчена вимірювальна система на базі VL6180X. Даний прилад харчується безпосередньо від USB-порту.

Для роботи з EVAL-VL6180X використовується безкоштовне програмне забезпечення STSW-VL6180X. Дане ПО включає графічний інтерфейс користувача, який дозволяє налаштовувати VL6180X і відображати результати його вимірювань.

У комплекті з EVAL-VL6180X йде набір калібрувальних стійок (40 і 45 мм) і карбоновий екран.

VL6180X-SATEL являє собою набір модулів у вигляді друкованих плат з встановленими датчиками VL6180X. Дані плати мають вбудований регулятор напруги і можуть використовуватися c живлять напругою 3,3 ... 10 В.

Модулі можуть застосовуватися окремо або об'єднуватися з I2C для створення 3D-систем.

Найбільш просто таку систему можна створити на базі набору X-NUCLEO-6180XA1.

Основа набору X-NUCLEO-6180XA1 - плата розширення, яка використовується для підключення до трьох модулів VL6180X-SATEL (рисунок 11).

Мал. 11. Зовнішній вигляд X-NUCLEO-6180XA1
і набору VL6180X-SATEL

Мал. 12. Зовнішній вигляд P-NUCLEO-6180X2
і X-NUCLEO-6180XA1

X-NUCLEO-6180XA1 використовується для установки на одну з плат сімейства NUCLEO виробництва компанії STMicroelectronics. наприклад, P-NUCLEO-6180X1 з контролером STM32F401RE Cortex®-M4 або P-NUCLEO-6180X2 з контролером STM32L053R8 Cortex®-M0 + (рисунок 12). Дані набори дозволяють створювати ще більш складні додатки з мінімальними втратами часу за рахунок наявності готових рішень.

висновок

VL6180X - унікальне інтегральне рішення, що включає датчики наближення і освітленості, випромінювач і мікропроцесорний ядро.

Множинні технічні ноу-хау дозволяють проводити вимірювання відстаней до об'єктів з точністю до одиниць міліметрів, незалежно від їх коефіцієнтів відбиття.

VL6180X відрізняється гнучкою системою споживання і можливістю роботи в різних режимах.

Переваги нового датчика дозволяють зробити прорив в області побудови безконтактних систем управління як у побутовій та портативній електроніці, так і в промислових системах.

література

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

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Про компанію ST Microelectronics

Компанія STMicroelectronics є №1 виробником електроніки в Європі. Компоненти ST широко представлені в оточуючих нас споживчих товарах - від iPhone до автомобілів різних марок. Лідери індустріального ринку вибирають компоненти ST за їх надійність і видатні технічні параметри. У компанії ST працює 48 000 співробітників в 35 країнах. Виробничі потужності розташовані в 12 країнах світу. Понад 11 тисяч співробітників зайняті дослідженнями і розробками - інноваційне лідерство ... читати далі