近年來，接近傳感器越來越備受關注。 例如，接近傳感器現今廣泛用于智能手機，在手機進行通話時停用觸摸屏模式，因為此項功能可在用戶視線離開屏幕時禁用觸摸靈敏度，從而降低手機功耗。 此外，接近傳感器還可最大限度地減少因用戶身體部位碰觸手機，而導致通話意外斷開的風險。 直到最近，接近傳感器仍是由發射 IR 光脈沖的紅外 LED 和測量目標物反射光振幅的紅外檢測器組成。 這項技術使主機處理器能夠估算傳感器與目標物之間的距離。 然而，目標物反射的光量取決于目標物表面的顏色和光滑度等若干因素，這一點導致估算精度受限。

STMicroelectronics 的 FlightSense? 技術采用了另一種完全不同的方法。 此項技術準確測量光傳播到最近的物體，并反射回傳感器的總時間。 這種“渡越時間”(ToF) 法的優勢在于光反射回程的時間僅由光行走的距離決定，而不必考慮反射回程的光量。 眾所周知，光速的精度極高，所以回程距離的計算公式也很簡單，即“光速” x “時間延遲”。

VL53L0X 是新一代 ToF 激光測距模塊，采用目前市場上最小型的封裝，可基于各種目標物顏色和反射特性進行精確測距。 該設備測量的絕對距離可長達 2 m，精度高達 3%，具體取決于所選功耗與精度的平衡。

圖 1：VL53L0X 框圖。

如圖 1 所示，VL53L0X 集成了人眼完全可見的 940 nm VCSEL 發射器（垂直腔面發射激光器）。 此激光器不會對眼睛造成任何傷害，完全滿足針對 1 類激光設備的最新標準（IEC 60825-1:2014 - 第 3 版）。 此外，VL53L0X 還配有內置物理紅外濾光片，可增大測量距離、增強對環境光的抗擾度，以及對玻璃罩光學串擾的抗擾度。 反射回程的 IR 光通過高靈敏度的領先 SPAD（單光子雪崩二極管）陣列進行測量，SPAD 陣列是先進醫療掃描儀的首選技術。

在單一設計中使用多個 VL53L0X

雖然 ToF 測距設備市場起初專注于僅以傳感器為起點進行測距的單一設備，但機器人和手勢感應等眾多新興應用要求使用多個接近傳感器。 這些應用必須考慮的其中一個問題在于，使用多個接近傳感器對主機處理器 GPIO 資源的需求。

單個 VL53L0x 傳感器需要四個主機 MCU 的 GPIO 引腳（圖 1）。 其中，兩個引腳提供 I2C 串行時鐘 (SCL) 信號和串行數據 (SDA) 信號，第三個引腳 (XSHUT) 用于 MCU 復位傳感器，而第四個 (GPIO1) 引腳可幫助主機控制器中斷時序關鍵型應用，或者在應用無需快速響應新測距任務時，用作輪詢輸入。

然而，這并不表示兩個傳感器需要八個 GPIO 引腳，或三個傳感器需要十二個 GPIO 引腳，因為所有傳感器都可共享相同的 I2C 時鐘線路和數據線路。 當多個傳感器共享同一條 I2C 總線時，必須各自擁有不同的總線地址。 總線地址由主機 MCU 分配，MCU 將按順序復位所有傳感器，并及時發出寫入命令。 因此，MCU 必須能夠直接通過其中一個 GPIO 引腳或 GPIO 擴展芯片，逐個復位/重啟所有傳感器。

從本質上來說，如果設計人員不希望在 GPIO 計數、封裝尺寸和板復雜性三個方面對 MCU 作出過高指定，將存在三種情形。

情形 1 是指可用的 GPIO 引腳數量（假定已有兩個 GPIO 引腳專用于 I2C 時鐘信號和數據信號）至少是 VL53L0x 接近傳感器數量兩倍的情況。 這種情況無需 GPIO 擴展芯片，并且每個傳感器的 XSHUT 引腳和中斷 (GPIO1) 引腳均可直接連接到主機 MCU 的 GPIO 引腳。

情形 2 涉及可用于處理系統中所有 VL53L0x 傳感器的 XSHUT 信號和中斷 (GPIO1) 信號的 GPIO 引腳數量不足的情況。 如圖 2 所示，在這種情況下，一對 GPIO 擴展器，例如 Fairchild FLX6408UMX，允許八個接近傳感器共享同一條 I2C 總線。 這一對擴展器中，一個用于為傳感器提供 XSHUT 復位信號，另一個負責接收輸出測距信號。

圖 2：I2C GPIO 擴展器示例。

最后，情形 3 屬于上述兩者的中間情況，即板包含 N 個傳感器，而 MCU 可用的 GPIO 引腳數量至少達到了 N+1，這使設計人員省去了一個 GPIO 擴展器。 對于這種情況，首選方案是利用 GPIO 擴展器（圖 2 中的 U1）向傳感器提供 XSHUT 信號，同時將傳感器輸出直接連接到 MCU 的 GPIO 引腳。 這種方法可避免通過 GPIO 擴展器傳送中斷信號所固有的延時問題，從而使系統能夠更快響應測距過程中發生的任何變化。

采用 VL53L0x 進行設計

為加快 VL53L0x 應用的開發進程，ST 提供了 X-NUCLEO-53LAO1 擴展板等多種開發板，用于 STM32 MCU 開發環境和 STSW-IMG005 API 封裝。 為確保用戶能夠在盡可能接近最終應用的環境中驗證 VL53L0X，X-NUCLEO-53L0A1 擴展板均附帶一個底座，可安裝 3 種厚度不同的墊片（分別為 0.25 mm、0.5 mm 和 1 mm），用于模擬 VL53L0X 和玻璃罩之間的氣隙。

VL53L0X API 封裝提供了一組用于控制 VL53L0X 的 C 語言函數，其中包括傳感器初始化和測距數據采集功能的函數，可幫助實現最終用戶應用的開發。 這款封裝的結構使其能夠基于任何類型的平臺，通過一個孤立的平臺層（主要針對低級 I2C 訪問）進行編譯。

總結

接近感應已攜手新型設備進入了歷史新紀元，這些設備具備前所未有的測量精度，此外還提供硬件和軟件支持工具，可幫助設計人員以低成本方式快速測試新應用、制作應用原型以及實現其工業化。這些應用都具備基于單一控制板統一管理多個感應器的能力。