很多應用需要在不接觸實際物體的情況下，感測物體的存在或距離。這種接近感應需求催生了眾多競爭性解決方案，包括光學飛行時間 (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，并且實施復雜；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。

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

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施復雜任務，例如自主駕駛車輛的對象識別和跟蹤，但對于分配紙巾和肥皂這樣的任務，這些技術(shù)又顯得大材小用了。設(shè)計人員面臨著不斷縮緊的預算和日益緊迫的設(shè)計時間窗口，他們需要最大程度地減少成本、空間和設(shè)計時間。

一種替代型接近感應解決方案是 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間，測量與目標物體之間的距離。截止目前，一直是很難以低成本快速地實施 ToF 設(shè)計，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_的非接觸式感應技術(shù)帶入低成本設(shè)計中。

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別應用中的演進和使用情況。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 即拍即得相機采用了眾多創(chuàng)新技術(shù)，其中包括一種三反光學設(shè)計折疊了扁平的 Fresnel 鏡頭、一個扁平 6 伏電池內(nèi)置在即時膠片封裝中，以及一個十次使用的 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 相機中（圖 1）。SONAR 自動對焦系統(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 相機采用了超聲波傳感器（相機頂部的大金色圓圈）來實現(xiàn)自動對焦測距。（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，直至今日，寶麗來超聲波自動對焦傳感器仍然有著巨大影響。例如，價格低廉的 SparkFun SEN-13959 HRC-SR04 超聲波測距模塊是一款距離傳感器，采用單獨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。其測距范圍在 2 至 400 厘米 (cm) 之間，能夠進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)射的八個短超聲波脈沖。超聲波脈沖遇到目標后反射回來，速度為每秒 343 米 (m)（在典型環(huán)境下，溫度為 20?C）。與目標之間的距離計算方法是：超聲波脈沖發(fā)射和接收之間的時間長度乘以每秒 343 米，再除以 2（因為時間是往返時間）。

超聲波脈沖遇到硬表面時，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時方法。SparkFun SEN-13959 模塊沒有此類計時控制功能。該模塊依賴于主機 CPU 進行精確計時。此外，超聲波傳感器進行距離測量的精確度和穩(wěn)定性會隨著空氣溫度（溫度會改變聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣龋┖涂諝饬鲃樱ㄟ@會帶走很多反射的超聲波能量并衰減返回信號）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 Microelectronics GP2Y0A41SK0F 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度，感應 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（對應于 3 cm 的距離）至大約 0.3 伏特（對應于 40 cm 的距離），以指示物體距離。主機控制器負責將此模擬電壓轉(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受到多個可變因素的影響，例如物體反射率和環(huán)境光強度。

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)射的飛行時間，因為光速高達 299,792,458 米/秒，根據(jù)經(jīng)驗，這相當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計時，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，這要歸功于視頻游戲產(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)。這個控制器在機器人制造公司中應用非常廣泛，因為它能夠使用 ToF 距離感測，生成機器人即時環(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，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用的實用距離測量傳感器。

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常現(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 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。當傳感器在室外使用時，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，當沒有環(huán)境光時，白色目標的最大測量距離分別為 1360、2900 和 3600 mm。在環(huán)境光很強的情況下，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 接口報告到主機處理器，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，以防止電源噪聲進入傳感器和降低精確度。

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

單擊（手向下移動“輕擊”傳感器）

雙擊

單次輕掃（手移動滑過傳感器的視場）

雙次輕掃

通過使用一個、兩個或更多傳感器，在多個維度上檢測手勢和運動，可以從其中一個 ToF 傳感器獲取手勢和運動信息。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。

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 SPAD 來實現(xiàn)。VL53L1CX 接近傳感器的 SPAD 陣列為 16 x 16 陣列，包括 256 個光電二極管。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激活的 SPAD 周圍方框的兩個角。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區(qū)域。唯一要求是必須至少激活 16 個 SPAD，形成一個 4 x 4 光電二極管陣列，但也允許更大的陣列。

在設(shè)計中使用 ToF 傳感器

為了快速啟動設(shè)計，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 擴展板，該板安裝在微控制器板上并接受兩個 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 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 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展模塊。這些擴展模塊專用于各個傳感器，并且可從 STMicroelectronics 直接免費下載。

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

機器人通用接近傳感器

自動感應紙巾和肥皂分配器

自動感應坐便器和小便斗沖洗器

自動感應水槽水龍頭

機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

零售自助服務終端的簡單在場和手勢檢測

自動售貨機的物理庫存管理

自動售貨機的硬幣計數(shù)

可自動管理無人商店庫存的智能貨架

無人機的地面迫近檢測

室內(nèi)無人機的天花板接近檢測

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

總結(jié)

包括光學和超聲波在內(nèi)的很多技術(shù)可用于接近感應，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技術(shù)還是 ToF（飛行時間）。這種技術(shù)可計算光子離開傳感器發(fā)射到目標并反射回到傳感器的往返時間，從而測量與目標的距離。

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間的次納秒級計時所必需的電路，使得這種技術(shù)得到了經(jīng)濟高效的使用。此外，相關(guān)的開發(fā)套件也有助于進行實驗和加快原型開發(fā)。