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COCOFLY 教程——疯壳无人机·系列·飞控开发基础【8】I2C（激光测距）

2020-4-7 11:37:28 3989 无人机

`I2C（激光测距）一、VL53L1X简介

VL53L1X属于STMicroelectronics即常说的意法半导体（ST）公司推出的FlightSense™ 产品系列ToF(time of flight)激光测距传感器。

VL53L1X是目前市场上最快的微型ToF传感器，精确测距能力达4米，测距频率快至50 Hz。它采用微型、可回流焊封装，集成了一个单光子雪崩二极管（SPAD）接收阵列、一个940nm不可见激光1类发射器、物理红外滤波器和光学器件，可在各种环境照明条件下实现最佳测距性能，并提供一系列覆盖窗口选择。

由于封装小巧，因此它很容易集成到设备中。与传统的红外传感器不同，VL53L1X采用ST最新一代ToF技术，无论目标颜色和反射率如何，都可以进行绝对距离测量。还可以对接收阵列上的ROI（感兴趣区域）大小进行编程，从而减小传感器 FoV（视场角）。VL53L1X激光测距传感器的实物图如下图所示。

二、I2C概述

Inter-Integrated Circuit，即内部集成电路接口，缩写为IIC或I2C。IIC总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线在物理连接上非常简单，分别由SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对SCL和SDA线高低电平时序的控制，来产生I2C总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。如下图所示为单片机与I2C接口的传感器之间通信示意图。

三、I2C总线协议

对I2C总线的操作实际就是主从设备之间的读写操作。大致可分为以下两种操作情况：

第一，主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：

第二，主设备从从设备中读数据。数据传输格式如下：

实际上把I2C协议拆分开来它的组成有：起始条件、终止条件、地址段、数据段、响应ACK、非响应NACK。

（1）START和STOP，起始和终止条件都是由主机（master）发起产生。总线在起始条件之后处于忙碌状态，在停止条件之后又处于空闲状态。

起始条件：SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换。

停止条件：SCL线是高电平时，SDA线从低电平向高电平切换。

（2）地址段，地址段由7bit地址+读写位组成，一个7-bit的地址是从最高位（MSB）开始发送的，这个地址后面会紧跟1-bit（R/W）的操作符，1表示读操作，0表示写操作。接下来的一个bit是NACK/ACK，当这个帧中前面8 bit发送完后，接收端的设备获得SDA控制权，此时接收设备应该在第9个时钟脉冲之前回复一个ACK（将SDA拉低）以表示接收正常，如果接收设备没有将SDA拉低，则说明接收设备可能没有收到数据（如寻址的设备不存在或设备忙）或无法解析收到的消息，如果是这样，则由master来决定如何处理，比如：停止。

（3）数据段，SDA数据线上的每个字节必须是8位，每次传输的字节数量没有限制。每个字节后必须跟一个响应位（ACK）。首先传输的数据是最高位（MSB)，SDA上的数据必须在SCL高电平周期时保持稳定，数据的高低电平翻转变化发生在SCL低电平时期。

以传输Byte：1010 1010 (0xAAh)为例，SDA SCL传输时序如下所示：

（4）响应ACK（Acknowledge）和非响应NACK（Not Acknowledge）,

每个字节传输必须带响应位，相关的响应时钟也由主机产生，在响应的时钟脉冲期间（第9个时钟周期），发送端释放SDA线，接收端把SDA拉低。以上图传输101010101为例，SCL第9位时钟高电平信号期间，SDA拉低其代表了有ACK响应位。当在SCL第9位时钟高电平信号期间，SDA仍然保持高电平，这种情况定义为NACK非响应位。这种情况下，主机可以直接产生STOP条件终止以后的传输或者继续重新START开始一个新的传输。以下情况会导致出现NACK位：

a、接收机没有发送机响应的地址，接收端没有任何ACK发送给发射机；

b、由于接收机正在忙碌处理实时程序导致接无法接收或者发送；

c、传输过程中，接收机识别不了发送机的数据或命令；

d、接收机无法接收；

e、主机接收完成读取数据后，要发送NACK结束告知从机。

以下图例代表NACK时序：

根据I2C协议分解的各个部分，可得出读和写的时序图，以向某传感器的地址为0x09的寄存器写入两个字节 0x02和0x84为例，如下图所示为该过程时序图。

以从某传感器的地址为0x09的寄存器中读出两个字节0x02和0x84为例，该时序图如下所示。

四、激光测距实验

激光测距实验使用STM32的GPIO模拟I2C与激光测距模组VL53L1X相连接，串口1即UART1，通过USB转串口模块连接电脑，把I2C获取到的VL53L1X的距离值（mm为单位）通过串口1传输到电脑端的串口调试助手显示出来。做该实验的时候需要把视觉模组暂时取下，并且把USB转串口的线接到视觉模组接口处。激光测距模组VL53L1X在无人机支架底部，杜邦线和SH1.0接口接到主板上的USART3（这里用该接口的GPIO模拟I2C）的接口上，如下图所示。

根据原理图，可以看到VL53L1X的I2C接口分别是：PB10、PB11，如下图所示。

串口1的配置可以参考《串口（基础收发），配置代码（通过调用官方库）。

获取VL53L1X的测距数据代码编写的思路如下：

代码思路

1	管脚配置	1、定义结构体； 2、使能时钟； 3、填充结构体； 4、装载结构体。
2	I2C读写逻辑	1、I2C各个时序逻辑； 2、读一个字节； 3、写一个字节； 4、读多个字节； 5、写多个字节。
4	VL53L1X驱动	1、VL53L1X初始化； 2、测距逻辑实现。