Ocho puntos importantes que debes conocer sobre el VL53L0X

1. ¿Qué es VL53L0X?

El VL53L0X es un avanzado sensor de medición de distancia por tiempo de vuelo (ToF), fabricado por STMicroelectronics. Utiliza una innovadora tecnología de láser de emisión superficial con cavidad vertical (VCSEL) para medir con precisión la distancia entre el objetivo y el sensor en diversos escenarios de aplicación, como teléfonos inteligentes, drones, navegación robótica y hogares inteligentes. Gracias a su alta velocidad, gran precisión y elevada inmunidad a las interferencias, el VL53L0X proporciona mediciones continuas de distancia desde unos pocos centímetros hasta varios metros.

2. Principios de funcionamiento

Se utiliza un láser de emisión superficial con cavidad vertical (VCSEL) de 940 nm para emitir la luz láser, que se refleja hacia el VL53L0X después de incidir en un obstáculo; se mide el tiempo de propagación de la luz láser en el aire para obtener la distancia.

3. Especificaciones

Tamaño ultracompacto: 4,4 x 2,4 x 1,0 mm
Tensión de funcionamiento: 2,6 V-5 V CC
Luz infrarroja de 940 nm
Respuesta muy rápida (50 ms)
Alcance: modo normal, 0-1000 mm; modo remoto, 0-2000 mm
Desviación del 1 % a una distancia de 1 metro (más del 10 % a una distancia de 2 metros)
La luz láser emitida es segura para los ojos y completamente invisible
Modo de comunicación: IIC, 400 kHz, dirección del dispositivo 0x52; el bit menos significativo es el bit indicador de lectura/escritura. 0 significa escritura y 1 significa lectura. Por lo tanto, al escribir, estos datos de 8 bits son: 0101 0010, es decir, 0x52. Al leer, estos datos de 8 bits son: 0101 0011, es decir, 0x53.

El VL53L0X tiene dos orificios: uno para la emisión del láser VCSEL y otro para la matriz de detección láser SPAD

1 pin en el lado del orificio grande

4. Distribución de pines y esquema

Pin 1 AVDDVCSEL: positivo de la fuente de alimentación del VCSEL
Pin 2 AVSSVCSEL: tierra de la fuente de alimentación del VCSEL
Pines 3, 4, 6 y 12 GND: tierra
Pin 5 XSHUT: control del modo de alimentación; si no necesita la función de hibernación, este pin puede conectarse directamente a AVDD.
Pin 7 GPIO1: salida de interrupción. Es una salida de drenador abierto, por lo que requiere una resistencia externa de pull-up.
Pin 8 DNC: sin conexión
Pin 9 y 10: puerto de comunicación IIC
2|Pin 11 AVDD: positivo de la fuente de alimentación

5. Máquina de estados del firmware

ST ha equipado el VL53L0X con un conjunto de API que encapsulan directamente diversas funciones, como la inicialización/calibración, el inicio y la detención de la medición de distancia, la selección de la precisión y la selección del modo de medición de distancia. El programa de la aplicación del usuario llama a las funciones de la API, y esta se comunica con el firmware del VL53L0X mediante IIC, que a su vez controla el hardware.

El firmware del VL53L0X funciona según una máquina de estados:

Al encenderse, el VL53L0X entra en el estado de espera Hw, que es un estado de espera con un consumo de energía muy bajo. A continuación, eleve el pin XSHUT para poner el VL53L0X en el estado de arranque Fw y comenzar los preparativos para la medición de distancia. Si no se necesita el estado de espera, puede conectar XSHUT a AVDD. El VL53L0X no puede comunicarse mediante IIC cuando está en estado de suspensión.

El VL53L0X tiene 3 modos de funcionamiento:

Modo único: después de recibir el comando de inicio de medición de distancia, comienza a medir y sale automáticamente, pasando al estado de espera Sw una vez completada la medición.
Modo continuo: después de recibir el comando de inicio de medición de distancia, continúa midiendo hasta que recibe el comando de detención de la medición de distancia. Cuando recibe el comando de detención, completa la última medición antes de salir.
Modo de intervalo continuo: después de recibir el comando de inicio de medición de distancia, comienza a medir y, una vez completada una medición, espera durante un período de tiempo antes de realizar la siguiente, hasta que recibe el comando de detención de la medición de distancia. El tiempo de espera entre mediciones se puede ajustar.

6. Precauciones durante el uso

El VL53L0X normalmente se utiliza junto con una cubierta. La cubierta cumple dos funciones: proporcionar protección física contra el polvo y filtrar la luz.

Las cubiertas suelen ser opacas y tienen dos orificios circulares o un orificio elíptico para emitir y recibir luz infrarroja. Las cubiertas deben cumplir varios requisitos ópticos para garantizar la capacidad de medición de distancia. La calidad de la cubierta se mide mediante el coeficiente de transmisión y el coeficiente de turbidez.

Hay dos parámetros que deben tenerse en cuenta: la separación de aire entre el VL53L0X y la ventana de la cubierta, y el área de expansión (área de exclusión) delante del VL53L0X, como se muestra a continuación:

Cuando la luz láser atraviesa una cubierta, parte de ella se refleja, por lo que debemos minimizar la luz reflejada. Las partículas incrustadas, los orificios o las superficies rugosas son los principales factores que provocan la dispersión de la luz en las cubiertas.

La cubierta ideal presenta las siguientes características:

(1) Sin defectos estructurales en el material plástico o de vidrio.

(2) Sin defectos superficiales que puedan causar dispersión de la luz de las huellas dactilares o sensibilidad a las manchas.

(3) Transmitancia >90 % en el infrarrojo cercano (940 nm ± 10 nm) y condiciones de baja turbidez.

(4) Recubrimiento externo (antihuellas o antirreflectante) que no reduzca la inmunidad a las huellas dactilares.

(5) Un solo material. El uso de dos materiales puede alterar el rendimiento.

El diseño estructural ideal (la estructura de una cubierta sobre el VL53L0X) presenta las siguientes características:

(1) Separación de aire pequeña (<0,5 mm).

(2) Cubierta delgada.

(3) El ángulo de inclinación entre la cubierta y el VL53L0X es inferior a 2 grados.

(4) Tolerancias estrictas.

Efecto de la calidad de la cubierta sobre la transmisión del láser:

Diseño estructural recomendado: separación de aire lo más pequeña posible («E» en la figura siguiente) y cubiertas delgadas con altos coeficientes de transmisión («D» en la figura siguiente).

Si ya no es posible reducir la separación de aire ni el grosor de la cubierta, se pueden añadir calzas a la separación; las calzas pueden ayudar a reducir la diafonía.

La cubierta también debe estar paralela al VL53L0X.

7. Proceso de calibración

Para garantizar la precisión, el usuario debe realizar una calibración después de determinar su entorno de uso (si se utilizará una cubierta de vidrio, temperatura del entorno de uso, tensión de alimentación, etc.). El proceso es el siguiente:

La calibración de temperatura consiste en determinar dos parámetros dependientes de la temperatura: VHV y la calibración de fase. Es necesario recalibrar cada vez que haya una diferencia de temperatura superior a 8 grados entre el entorno en el que se utiliza el VL53L0X y el entorno en el que se calibra.

La calibración del offset es la diferencia entre la distancia correspondiente al momento de la calibración y la distancia medida, y generalmente se recomienda calibrarla a 10 cm. El offset suele ser un valor fijo; al leer el valor medido y el valor real bajo determinadas condiciones de tensión de alimentación, temperatura ambiente, presencia o ausencia de una cubierta de vidrio, etc., se puede obtener la diferencia, que corresponde al offset.

Calibración de diafonía: la diafonía es la interferencia cruzada, que se define como la señal que rebota en la cubierta de vidrio. Si se añade una cubierta de vidrio, cuando el láser sale de ella, parte de la luz láser se refleja de vuelta como señal de interferencia. La intensidad de la señal de interferencia depende del tipo de cubierta de vidrio y del tamaño del espacio de aire. El tamaño del error de distancia producido por la señal de interferencia es proporcional a la relación entre la intensidad de la diafonía y la intensidad de la señal devuelta por el objetivo.

8.Medición de distancia

El usuario puede obtener los datos mediante sondeo o interrupciones

Sondeo: debes leer activamente la función de la API para obtener el estado de la medición.

Interrupción: cuando se completa una medición, VL53L0X envía una señal de interrupción a través del pin GPIO1.

Proceso de medición de distancia

IIC escribe 1 byte de datos

IIC lee 1 byte de datos

IIC escribe varios bytes de datos

IIC lee varios bytes de datos

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