很多應(yīng)用需要在不接觸實(shí)際物體的情況下，感測(cè)物體的存在或距離。這種接近感應(yīng)需求催生了眾多競(jìng)爭性解決方案，包括光學(xué)飛行時(shí)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(shí)施復(fù)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(yīng)的產(chǎn)品列表包括相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)、機(jī)器人和無人機(jī)、各種浴室裝置，以及自動(dòng)門的門禁傳感器。這里只是舉了幾個(gè)例子，此類產(chǎn)品列表還在不斷擴(kuò)大。競(jìng)爭性的接近感應(yīng)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(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，例如使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的立體視頻攝像機(jī)。

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

一種替代型接近感應(yīng)解決方案是 ToF 傳感器。它們通過測(cè)量光子從傳感器發(fā)射到物體并反射回來的往返時(shí)間，測(cè)量與目標(biāo)物體之間的距離。截止目前，一直是很難以低成本快速地實(shí)施 ToF 設(shè)計(jì)，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(yīng)技術(shù)帶入低成本設(shè)計(jì)中。

本文將討論包括 ToF 傳感器在內(nèi)的距離測(cè)量技術(shù)在各種距離感測(cè)和手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用中的演進(jìn)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(jī)采用了眾多創(chuàng)新技術(shù)，其中包括一種三反光學(xué)設(shè)計(jì)折疊了扁平的 Fresnel 鏡頭、一個(gè)扁平 6 伏電池內(nèi)置在即時(shí)膠片封裝中，以及一個(gè)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(dòng)對(duì)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(jī)中（圖 1）。SONAR 自動(dòng)對(duì)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(cè)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(jī)采用了超聲波傳感器（相機(jī)頂部的大金色圓圈）來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦測(cè)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(wù)，直至今日，寶麗來超聲波自動(dòng)對(duì)焦傳感器仍然有著巨大影響。例如，價(jià)格低廉的 SparkFun SEN-13959 HRC-SR04 超聲波測(cè)距模塊是一款距離傳感器，采用單獨(dú)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(dòng)。其測(cè)距范圍在 2 至 400 厘米 (cm) 之間，能夠進(jìn)行無接觸的近距離測(cè)量，最小分辨率為 3 毫米 (mm)。

圖 2：SparkFun 的 SEN-13959 超聲波測(cè)距模塊使用反射的 40 kHz 脈沖來感測(cè)距離。（圖片來源：SparkFun）

為了使用此模塊來測(cè)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(gè)短超聲波脈沖。超聲波脈沖遇到目標(biāo)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(biāo)之間的距離計(jì)算方法是：超聲波脈沖發(fā)射和接收之間的時(shí)間長度乘以每秒 343 米，再除以 2（因?yàn)闀r(shí)間是往返時(shí)間）。

超聲波脈沖遇到硬表面時(shí)，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(cè)量精確度將取決于所使用的脈沖計(jì)時(shí)方法。SparkFun SEN-13959 模塊沒有此類計(jì)時(shí)控制功能。該模塊依賴于主機(jī) CPU 進(jìn)行精確計(jì)時(shí)。此外，超聲波傳感器進(jìn)行距離測(cè)量的精確度和穩(wěn)定性會(huì)隨著空氣溫度（溫度會(huì)改變聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣龋┖涂諝饬鲃?dòng)（這會(huì)帶走很多反射的超聲波能量并衰減返回信號(hào)）而發(fā)生變化。

紅外線 (IR) LED 也一直用于接近檢測(cè)和距離測(cè)量。例如，Sharp Microelectronics GP2Y0A41SK0F 距離測(cè)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(qiáng)度，感應(yīng) 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(duì)應(yīng)于 3 cm 的距離）至大約 0.3 伏特（對(duì)應(yīng)于 40 cm 的距離），以指示物體距離。主機(jī)控制器負(fù)責(zé)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(cè)量傳感器裝置能夠檢測(cè) 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(jì)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(huì)受到多個(gè)可變因素的影響，例如物體反射率和環(huán)境光強(qiáng)度。

另一種使用紅外線光測(cè)量物體距離的方法是測(cè)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(shí)間。這種近距離測(cè)量傳感器將超聲波傳感器的 ToF 特征與光子速度的相對(duì)無干擾性（不受流動(dòng)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(cè)量光子短距離發(fā)射的飛行時(shí)間，因?yàn)楣馑俑哌_(dá) 299,792,458 米/秒，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這相當(dāng)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(jí)計(jì)時(shí)，這樣才能檢測(cè)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?dú)w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(yīng)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(gè)控制器在機(jī)器人制造公司中應(yīng)用非常廣泛，因?yàn)樗軌蚴褂?ToF 距離感測(cè)，生成機(jī)器人即時(shí)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(tái)，采用 ToF 感測(cè)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(yīng)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(yīng)用的實(shí)用距離測(cè)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(cè)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(gè) 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(cè)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(cè)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(chǎng)角為 42 度。它還帶有內(nèi)置的環(huán)境光傳感器，能夠補(bǔ)償環(huán)境光的變化。

圖 5：STMicroelectronics 的第一代 VL6180X 傳感器的最大測(cè)量距離為 100 mm。（圖片來源：STMicroelectronics）

第二代 VL53L0CX ToF 傳感器對(duì)白色目標(biāo)的室內(nèi)測(cè)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(chǎng)角為 25 度。當(dāng)傳感器在室外使用時(shí)，由于環(huán)境光的作用，最大測(cè)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(cè)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(dāng)沒有環(huán)境光時(shí)，白色目標(biāo)的最大測(cè)量距離分別為 1360、2900 和 3600 mm。在環(huán)境光很強(qiáng)的情況下，短距離、中距離和長距離這三種模式下的最大測(cè)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(qiáng)的情況下，短距離模式的測(cè)量距離最長。

VL53L1CX 的尺寸為 4.9 x 2.5 x 1.56 mm，最大視場(chǎng)角為 27 度。（這款傳感器的視場(chǎng)可以進(jìn)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(cè)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(cè)量，分辨率為 1 mm，通過數(shù)字 I2C 接口報(bào)告到主機(jī)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(jī)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(jī)處理器。（圖片來源：STMicroelectronics）

請(qǐng)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(jìn)入傳感器和降低精確度。

這些 ToF 傳感器實(shí)質(zhì)上全部都是一維的。它們報(bào)告視場(chǎng)范圍內(nèi)的物體接近度。如果視場(chǎng)范圍內(nèi)存在多個(gè)物體，這些傳感器將報(bào)告與最近物體的距離。單個(gè)傳感器無法檢測(cè)單手手勢(shì)的方向，但可用于檢測(cè)四個(gè)簡單手勢(shì)，包括：

單擊（手向下移動(dòng)“輕擊”傳感器）

雙擊

單次輕掃（手移動(dòng)滑過傳感器的視場(chǎng)）

雙次輕掃

通過使用一個(gè)、兩個(gè)或更多傳感器，在多個(gè)維度上檢測(cè)手勢(shì)和運(yùn)動(dòng)，可以從其中一個(gè) ToF 傳感器獲取手勢(shì)和運(yùn)動(dòng)信息。通過使用成對(duì)的 ToF 傳感器，也可以探測(cè)從左至右和從右至左的手部移動(dòng)。

此外，還可以通過有選擇地縮小視場(chǎng)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(gè) SPAD 來實(shí)現(xiàn)。VL53L1CX 接近傳感器的 SPAD 陣列為 16 x 16 陣列，包括 256 個(gè)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(yīng)激活的 SPAD 周圍方框的兩個(gè)角。通過減少激活元件的數(shù)量，可減小傳感器的視場(chǎng)并縮小傳感器的感應(yīng)區(qū)域。唯一要求是必須至少激活 16 個(gè) SPAD，形成一個(gè) 4 x 4 光電二極管陣列，但也允許更大的陣列。

在設(shè)計(jì)中使用 ToF 傳感器

為了快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)，VL53L1CX 接近傳感器隨附了評(píng)估套件 P-NUCLEO-53L1A1。該套件包括 STM32F401RE Nucleo 評(píng)估板，該板基于 STMicroelectronics STM32 微控制器；還包括 X-NUCLEO-53L1A1 擴(kuò)展板，該板安裝在微控制器板上并接受兩個(gè) VL53L1X 分線板（也包括在套件中）（圖 9）。

圖 9：STMicroelectronics P-NUCLEO-53L1A1 評(píng)估套件中的傳感器分線板包括一個(gè) 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(gè) V53L1X 傳感器。（圖片來源：STMicroelectronics）

P-NUCLEO-53L1A1 評(píng)估套件還包括系統(tǒng)軟件和源代碼示例，以幫助快速啟動(dòng)開發(fā)工作。STMicroelectronics 還為 STM32Cube 軟件開發(fā)包提供了 TOF 距離測(cè)量和手勢(shì)檢測(cè)擴(kuò)展模塊。這些擴(kuò)展模塊專用于各個(gè)傳感器，并且可從 STMicroelectronics 直接免費(fèi)下載。

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

機(jī)器人通用接近傳感器

自動(dòng)感應(yīng)紙巾和肥皂分配器

自動(dòng)感應(yīng)坐便器和小便斗沖洗器

自動(dòng)感應(yīng)水槽水龍頭

機(jī)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(chǎng)檢測(cè)器

零售自助服務(wù)終端的簡單在場(chǎng)和手勢(shì)檢測(cè)

自動(dòng)售貨機(jī)的物理庫存管理

自動(dòng)售貨機(jī)的硬幣計(jì)數(shù)

可自動(dòng)管理無人商店庫存的智能貨架

無人機(jī)的地面迫近檢測(cè)

室內(nèi)無人機(jī)的天花板接近檢測(cè)

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

總結(jié)

包括光學(xué)和超聲波在內(nèi)的很多技術(shù)可用于接近感應(yīng)，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(yīng)技術(shù)還是 ToF（飛行時(shí)間）。這種技術(shù)可計(jì)算光子離開傳感器發(fā)射到目標(biāo)并反射回到傳感器的往返時(shí)間，從而測(cè)量與目標(biāo)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(shí)間的次納秒級(jí)計(jì)時(shí)所必需的電路，使得這種技術(shù)得到了經(jīng)濟(jì)高效的使用。此外，相關(guān)的開發(fā)套件也有助于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和加快原型開發(fā)。