在從工業(yè)感測到基于手勢的用戶界面等各種應(yīng)用中，光學(xué)飛行時(shí)間 (ToF) 距離測量扮演著重要角色。隨著精確、高速多像素 ToF 傳感器的出現(xiàn)，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用中需要的更復(fù)雜的三維 (3D) 感測算法。然而，由于多像素光學(xué)感測子系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，開發(fā)時(shí)間會(huì)較長。

本文將討論 ToF 的基本原理，然后介紹 Broadcom 的光學(xué) ToF 評估套件，借助該套件，開發(fā)人員能夠快速進(jìn)行精確的 1D 和 3D 距離測量應(yīng)用原型設(shè)計(jì)，并可快速實(shí)現(xiàn)定制的光學(xué) ToF 感測解決方案。

光學(xué) ToF 技術(shù)基礎(chǔ)知識

光學(xué) ToF 技術(shù)能夠根據(jù)光在空氣中傳播所需的時(shí)間做出測量，被廣泛用于多種應(yīng)用以獲得所需的精確距離。執(zhí)行這些測量時(shí)，具體計(jì)算通常依賴于兩種方法：直接和間接 ToF。在直接 ToF 法（也稱作“脈沖測距”）中，設(shè)備利用公式 1 測量 ToF 傳感器發(fā)射和接收特定光脈沖之間的間隔時(shí)間。

?

?

公式 1

其中：

c0 = 真空中的光速

?T = 發(fā)射和接收的間隔時(shí)間

雖然概念很簡單，但要用這種方法實(shí)現(xiàn)精確測量，還面臨著許多挑戰(zhàn)，包括需要足夠強(qiáng)大的發(fā)射器和接收器、改善信噪比，以及精確的脈沖邊緣檢測。

相反，間接 ToF 法使用調(diào)制連續(xù)波，并根據(jù)公式 2 測量發(fā)射信號與接收信號之間的相位差：

?

?

公式 2

其中：

c0 = 真空中的光速

fmod = 激光調(diào)制頻率

?φ = 確定的相位差

除了降低發(fā)射器和接收器的功率要求外，間接 ToF 法放寬了對脈沖整形的要求，簡化了執(zhí)行 3D 測距和運(yùn)動(dòng)檢測的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。

直接法和間接法都需要仔細(xì)設(shè)計(jì)光學(xué)前端，并精確控制發(fā)射器和接收器的信號。多年來，開發(fā)人員已經(jīng)能夠利用集成光學(xué) ToF 傳感器的優(yōu)勢，將發(fā)射裝置和接收傳感器組合在單一封裝中。然而，這類設(shè)備的前幾代通常要求開發(fā)人員在一些性能或操作特性（如功耗、量程、精度和速度）方面做出權(quán)衡。對于越來越多的工業(yè)感測應(yīng)用，這種妥協(xié)已經(jīng)成為主要障礙，因?yàn)檫@些應(yīng)用需要在不超過 10 m 的中等距離內(nèi)運(yùn)行。

更先進(jìn)的間接 ToF 傳感器模塊，如 Broadcom 的 AFBR-S50MV85G，則專門用于滿足在中等距離范圍內(nèi)獲得高速、準(zhǔn)確的結(jié)果，同時(shí)保持最小封裝尺寸和功耗這一日益增長的需求。基于這種傳感器，Broadcom 的 AFBR-S50MV85G-EK 評估套件及相關(guān)軟件開發(fā)套件 (SDK) 提供了一個(gè)多像素 ToF 傳感器開發(fā)平臺，使開發(fā)人員能夠快速實(shí)現(xiàn) 3D ToF 感測應(yīng)用。

集成模塊如何簡化 ToF 距離測量

AFBR-S50MV85G 模塊專為工業(yè)感測應(yīng)用而開發(fā)，在單一封裝中提供了完整的光學(xué) ToF 感測解決方案。其集成元器件包括一個(gè)用于發(fā)射紅外光 (IR) 的 850 nm 垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)、一個(gè) 32 像素的六角形傳感器矩陣、用于 VCSEL 和傳感器光學(xué)器件的集成透鏡，以及一個(gè)專用集成電路 (ASIC)。

發(fā)射器相對于感測矩陣以固定對齊的方式定位，照射目標(biāo)物體，從而使感測矩陣中的一些像素檢測到反射的紅外信號。在基本操作中，這使該模塊能夠支持從白色、黑色、彩色、金屬或反光表面進(jìn)行精確的距離測量——即使在陽光直射下亦如此，這得益于其內(nèi)置的環(huán)境光抑制功能。

隨著與物體的距離減小，可對視差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使得測量幾乎沒有距離下限。同時(shí)，紅外照射與感測矩陣相結(jié)合，可以獲得關(guān)于物體的更多信息，包括其運(yùn)動(dòng)、速度、傾斜角度或橫向?qū)R。因此，該模塊可以提供必要的數(shù)據(jù)，以確定經(jīng)過或接近的目標(biāo)物體的方向和速度（圖 1）。

圖 1：利用從 AFBR-S50MV85G 模塊的 8×4 像素感測矩陣獲得的數(shù)據(jù)，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)能夠測量物體運(yùn)動(dòng)特性的 3D 應(yīng)用。（圖片來源：Broadcom）

該模塊的內(nèi)置 ASIC 協(xié)調(diào)其 VCSEL 和感測矩陣的精確運(yùn)行，提供驅(qū)動(dòng) VCSEL、從感測矩陣捕獲模擬信號以及進(jìn)行數(shù)字信號調(diào)節(jié)所需的全部電路（圖 2）。

圖 2：AFBR-S50MV85G 模塊中集成的 ASIC 包括驅(qū)動(dòng)該模塊的 VCSEL 光源、獲取來自感測矩陣的接收信號以及生成通過 SPI 總線傳輸?shù)臄?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)所需的全部電路。（圖片來源：Broadcom）

該 ASIC 集成了電源電路，使該模塊能夠在單一的 5 伏電源下運(yùn)行，而其集成的經(jīng)出廠校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償?shù)?a target="_blank">電阻電容 (RC) 振蕩器和數(shù)字鎖相環(huán) (PLL) 則提供了所有需要的時(shí)鐘信號。由于這種集成，開發(fā)人員可以使用微控制器單元 (MCU) 和一些附加的外部元器件，輕松地將該模塊納入他們的設(shè)計(jì)。與 MCU 的接口只需要一個(gè)通用輸入/輸出 (GPIO) 引腳，用于接收來自模塊的數(shù)據(jù)就緒信號，以及一個(gè)通過模塊的數(shù)字串行外設(shè)接口 (SPI) 實(shí)現(xiàn)的連接（圖 3）。

圖 3：Broadcom 的 AFBR-S50MV85G 模塊只需要一個(gè) MCU 和一些附加元器件即可實(shí)現(xiàn)完整的 ToF 感測系統(tǒng)。（圖片來源：Broadcom）

作為對這種簡單的硬件設(shè)計(jì)的補(bǔ)充，Broadcom 的 ToF 驅(qū)動(dòng)軟件提供了實(shí)現(xiàn)距離測量所需的所有相關(guān)軟件功能。當(dāng)該模塊處理距離測量應(yīng)用的光學(xué)數(shù)據(jù)收集時(shí)，該公司提供的 AFBR-S50 SDK 中包含的 Broadcom ToF 驅(qū)動(dòng)軟件會(huì)執(zhí)行所有硬件配置、校準(zhǔn)和測量步驟。在測量過程中，驅(qū)動(dòng)軟件同時(shí)提取像素的距離和振幅值。

如何快速開發(fā)距離測量應(yīng)用

Broadcom 的 AFBR-S50MV85G-EK 評估套件與 AFBR-S50 SDK 相結(jié)合，提供了適用于快速開發(fā)距離測量應(yīng)用原型的綜合平臺。該套件附帶一塊包含 AFBR-S50MV85G 模塊的適配器板，NXP 基于 ArmCortex-M0+ MCU 的 FRDM-KL46Z 評估板，以及一條用于將評估板組件連接到筆記本電腦或其他嵌入式系統(tǒng)的迷你 USB 電纜（圖 4）。

圖 4：Broadcom 的 AFBR-S50MV85G-EK 評估套件及相關(guān)軟件提供了適用于 ToF 距離測量應(yīng)用評估和原型開發(fā)的綜合平臺。（圖片來源：Broadcom）

使用評估套件進(jìn)行 ToF 距離測量只需幾個(gè)步驟即可開始。下載 AFBR-S50 SDK 后，安裝向?qū)?huì)引導(dǎo)開發(fā)人員完成快速安裝程序。開發(fā)人員啟動(dòng) SDK 包中包含的 Broadcom AFBR-S50 Explorer 軟件應(yīng)用程序后，該軟件通過 USB 接口連接到 AFBR-S50 評估板，通過在 NXP 板的 MCU 上運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)軟件接收測量數(shù)據(jù)，并允許用戶以 1D 或 3D 曲線圖顯示結(jié)果（圖 5）。

圖 5：AFBR-S50 Explorer 軟件通過 3D 曲線圖顯示 ToF 傳感器矩陣中每個(gè)像素接收到的照射光振幅，簡化了 ToF 測量的評估。（圖片來源：Broadcom）

如圖 5 所示，3D 曲線圖顯示了每個(gè)像素的讀數(shù)，但軟件還提供了另一種視圖，允許開發(fā)人員僅查看被視為有效的測量像素。在此替代視圖中，不符合定義標(biāo)準(zhǔn)的像素將從曲線圖中刪除（圖 6）。

圖 6：借助 Broadcom 的 AFBR-S50 Explorer 軟件，開發(fā)人員可以查看精簡的 3D 測量曲線圖，刪掉不符合預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的像素。（圖片來源：Broadcom）

為了解不同應(yīng)用場景的測量精度和性能，如照明、反射率和表面類型，開發(fā)人員可以查看不同感測配置的影響，例如對于增強(qiáng)型 3D 應(yīng)用使用更多的像素；或?qū)τ谛枰_測量的 1D 應(yīng)用使用更少的像素。在其原型中評估測量方法后，開發(fā)人員可以在 Broadcom 的 AFBR-S50 SDK 中包含的樣例軟件的基礎(chǔ)上，快速實(shí)現(xiàn)定制化 ToF 感測應(yīng)用。

構(gòu)建定制化 ToF 感測軟件應(yīng)用

Broadcom 圍繞基于 AFBR-S50 核心庫的高效架構(gòu)建立了對 ToF 感測應(yīng)用的支持，該核心庫包括傳感器硬件專用代碼、應(yīng)用編程接口 (API) 和硬件抽象層 (HAL)（圖 7）。

圖 7：在 Broadcom 的 ToF 工作環(huán)境中，ToF 驅(qū)動(dòng)程序 API 提供的用戶應(yīng)用代碼可訪問預(yù)編譯 ToF 驅(qū)動(dòng)程序核心庫中的校準(zhǔn)、測量和評估功能。（圖片來源：Broadcom）

作為 AFBR-S50 SDK 軟件包的一部分，Broadcom 將核心庫作為預(yù)編譯的 ANSI-C 庫文件提供，其中嵌入了運(yùn)行 AFBR-S50MV85G 硬件所需的全部數(shù)據(jù)和算法。核心庫在距離測量系統(tǒng)的 MCU 上運(yùn)行，具有校準(zhǔn)、測量和評估等功能，能以最小的處理負(fù)荷或功耗進(jìn)行距離測量。由于核心庫函數(shù)會(huì)處理所有的底層細(xì)節(jié)，開發(fā)人員看到的基本測量周期非常簡單（圖 8）。

圖 8：AFBR-S50 SDK ToF 軟件利用中斷和回調(diào)最大限度減少了處理器的工作負(fù)載。（圖片來源：Broadcom）

在每個(gè)測量周期的開始（通過周期性定時(shí)器中斷或 IRQ 啟動(dòng)），MCU 啟動(dòng)測量，隨后立即恢復(fù)空閑狀態(tài)（或繼續(xù)處理一些應(yīng)用代碼）。測量完成后，AFBR-S50MV85G 模塊使用連接的 GPIO 線發(fā)出中斷信號，喚醒 MCU 以啟動(dòng) SPI 總線上的數(shù)據(jù)讀出，然后恢復(fù)之前的狀態(tài)。在數(shù)據(jù)讀出完成后（通過 SPI 完成的 IRQ 發(fā)出信號），MCU 執(zhí)行代碼以評估獲得的 ToF 傳感器數(shù)據(jù)。

為防止丟失測量數(shù)據(jù)，核心庫會(huì)封鎖數(shù)據(jù)緩沖區(qū)直至調(diào)用評估例程，以防止啟動(dòng)新的測量周期。因此，開發(fā)人員通常會(huì)加入一個(gè)用于原始數(shù)據(jù)的雙緩沖器，以允許交錯(cuò)執(zhí)行測量和評估任務(wù)。

對于應(yīng)用軟件開發(fā)人員來說，核心庫例程屏蔽了校準(zhǔn)、測量和評估的細(xì)節(jié)。事實(shí)上，開發(fā)人員可以將評估套件和 AFBR-S50 Explorer 應(yīng)用程序作為一個(gè)完整的原型開發(fā)平臺，將測量數(shù)據(jù)傳遞至高級軟件應(yīng)用代碼。

對于需要實(shí)現(xiàn)定制化應(yīng)用軟件的開發(fā)人員來說，AFBR-S50 SDK 包將預(yù)編譯的核心庫模塊與幾個(gè)軟件樣例結(jié)合起來。由此，開發(fā)人員可以基于 SDK 中提供的樣例應(yīng)用程序快速創(chuàng)建自己的 ToF 感測應(yīng)用程序。開發(fā)人員可以通過調(diào)用 AFBR-S50 SDK API 中的函數(shù)以及為核心庫支持的各種回調(diào)指定自己的函數(shù)，在其應(yīng)用特定的軟件代碼中訪問 AFBR-S50MV85G 硬件和 AFBR-S50 核心庫功能（仍然參見圖 7）。

Broadcom 提供了大量關(guān)于 API 和樣例軟件的文檔，使開發(fā)人員能夠迅速采取行動(dòng)，根據(jù)自己的需要改寫軟件樣例或者從頭開始。事實(shí)上，基礎(chǔ)測量和評估周期非常簡單，只需將自定義函數(shù)和 API 調(diào)用與測量周期相匹配即可（仍然參見圖 8）。例如，前面討論的測量周期包括三個(gè)階段：ToF 設(shè)備集成、數(shù)據(jù)讀出和評估。啟動(dòng)這三個(gè)階段所需的核心庫 API 調(diào)用包括：

• Argus_TriggerMeasurement()，異步觸發(fā)一個(gè)測量幀
• Argus_GetStatus()，在成功完成測量后返回 STATUS_OK
• Argus_EvaluateData()，評估原始測量數(shù)據(jù)中的有用信息

Broadcom 在 SDK 發(fā)行版包含的一個(gè)樣例應(yīng)用程序中演示了該基礎(chǔ)測量循環(huán)，如列表 1 所示。

列表 1：Broadcom AFBR-S50 SDK 發(fā)行版中的樣例代碼演示了從 AFBR-S50MV85G 模塊獲取和評估 ToF 數(shù)據(jù)的基本設(shè)計(jì)模式。（代碼來源：Broadcom）

如列表所示，上述三個(gè) API 函數(shù)調(diào)用構(gòu)成了執(zhí)行一個(gè)測量周期的骨干。通過研究 SDK 中的 API 文檔和其他樣例應(yīng)用程序可以發(fā)現(xiàn)，該模塊能夠提供確定目標(biāo)物體的速度、方向和傾斜角度等高級特性所需的數(shù)據(jù)，開發(fā)人員可以利用這種能力快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的 3D 應(yīng)用。

總結(jié)

光學(xué) ToF 感測設(shè)備已經(jīng)在需要精確距離測量的各種領(lǐng)域得以應(yīng)用，但測量范圍、精度或可靠性方面的局限性阻礙了其向工業(yè)感測系統(tǒng)等應(yīng)用的擴(kuò)展，因?yàn)檫@類應(yīng)用要求采用能夠在更遠(yuǎn)的范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確結(jié)果的低功耗設(shè)備。Broadcom 的集成光學(xué) ToF 子系統(tǒng)滿足了新一代感測應(yīng)用的這些新興要求。借助基于該設(shè)備的評估套件，開發(fā)人員可以在 1D 測距應(yīng)用中快速實(shí)現(xiàn)精密測量系統(tǒng)，并可在 3D 應(yīng)用中快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物體運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。