飛行時(shí)間 (ToF) 技術(shù)越來(lái)越多地用于測(cè)距和接近感應(yīng)，應(yīng)用范圍從消費(fèi)品到工業(yè)設(shè)備。單芯片 ToF 處理 IC 的出現(xiàn)有助于簡(jiǎn)化這些解決方案的實(shí)施，但開(kāi)發(fā)人員仍需完成一些關(guān)鍵任務(wù)，例如找到合適的發(fā)射器和光電二極管并進(jìn)行優(yōu)化，以及將這些器件與該 ToF 處理器進(jìn)行集成。通過(guò)使用更加集成的方法，可大幅簡(jiǎn)化流程并節(jié)省時(shí)間。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Digilent 開(kāi)發(fā)了一款預(yù)構(gòu)建的 ToF 擴(kuò)展板。該板與高性能系統(tǒng)板和相關(guān)的軟件庫(kù)結(jié)合使用后，可提供完整的硬件 ToF 解決方案?，F(xiàn)在，開(kāi)發(fā)人員可以立即開(kāi)始 ToF 應(yīng)用原型開(kāi)發(fā)，或使用此硬件和軟件作為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)定制的 ToF 硬件和軟件。

本文簡(jiǎn)要介紹了 ToF 傳感器的工作方式。然后，本文將介紹 Digilent 的 Pmod ToF 板，并說(shuō)明如何將其與 Digilent 的 Zybo Z7-20 開(kāi)發(fā)板結(jié)合使用，以評(píng)估 ToF 技術(shù)并在自己的設(shè)計(jì)中快速部署光學(xué)距離感測(cè)。

ToF 傳感器的工作方式
ToF 傳感器在越來(lái)越多的應(yīng)用中扮演著重要角色。在車(chē)輛和工業(yè)設(shè)備中，當(dāng)操作人員進(jìn)行停車(chē)或近距離操控時(shí)，這些傳感器有助于為操作人員提供障礙物警告。在消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中，這些器件可在移動(dòng)產(chǎn)品或家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中提供接近感應(yīng)功能。在上述和其他應(yīng)用中，光學(xué) ToF 系統(tǒng)使用不同的方法來(lái)計(jì)算到外部物體或障礙物的距離，其中全部依賴(lài)于外部物體反射光與原始透射光之間的某些差異。

高級(jí) ToF 器件如 Renesas 的 ISL29501 基于 ToF 的信號(hào)處理 IC，通過(guò)測(cè)量外部 LED 或激光器發(fā)射的光與光電二極管接收的光之間的相移來(lái)計(jì)算距離。當(dāng) ISL29501 以給定的頻率 fm 發(fā)射經(jīng)方波調(diào)制的光 (Tx) 時(shí)，來(lái)自物體的反射光信號(hào) (Rx) 會(huì)以衰減幅度 R 返回至 ISL29501，并帶有一定的相移 j（圖 1）。

圖 1：Renesas 的 ISL29501 等高級(jí) ToF 器件使用內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理能力，根據(jù)透射光與反射光之間的相移 j 來(lái)計(jì)算到物體的距離。（圖片來(lái)源：Renesas）

通過(guò)測(cè)量此相移，該器件可以計(jì)算距離 D：

公式 1

其中：

D = 到目標(biāo)的距離

c = 光速

fm = 調(diào)制頻率

φ = 相位角（弧度）

由于調(diào)制頻率信號(hào) fm 和光速 c 是已知參數(shù)，因此可以通過(guò)找到剩余因子相位角 φ 來(lái)計(jì)算距離。該因子可以使用傳統(tǒng)的正交信號(hào)處理技術(shù)來(lái)計(jì)算。在此處，同相 (I) 和正交 (Q) 信號(hào)分量由單獨(dú)的 I 和 Q 信號(hào)路徑生成，這些路徑包括解調(diào)器、低通濾波器 (LPF) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)（圖 2）。

圖 2：為了獲得計(jì)算距離所需的相位角 φ，Renesas 的 ISL29501 對(duì)輸入信號(hào) (VIN) 的同相 (I) 和正交 (Q) 信號(hào)分量進(jìn)行解調(diào)、濾波和轉(zhuǎn)換。（圖片來(lái)源：Renesas）

在內(nèi)部，ISL29501 將解調(diào)流水線之前的綜合信號(hào)路徑與模擬前端 (AFE) 信號(hào)調(diào)節(jié)級(jí)相集成，后者包含跨阻放大器 (TIA) 和低噪聲放大器 (LNA)。ISL29501 的輸入信號(hào)路徑位于 AFE 之后，具有一條可變?cè)鲆?(Av)、自動(dòng)增益控制 (AGC) 回路，而此回路會(huì)使用內(nèi)置算法來(lái)優(yōu)化 SNR。

在輸出端，ISL29501 集成了一個(gè)片上發(fā)射器驅(qū)動(dòng)器鏈，其能夠以 4.5 兆赫茲 (MHz) 的調(diào)制頻率向合適的發(fā)射器提供方波脈沖，還能提供高達(dá) 255 毫安 (mA) 的驅(qū)動(dòng)電流。內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 會(huì)處理所需的計(jì)算，以便根據(jù)相位、幅度和頻率數(shù)據(jù)生成距離結(jié)果，從而使得這個(gè)功能架構(gòu)趨于完整（圖 3）。

圖 3：Renesas 的 ISL29501 組合了信號(hào)路徑和內(nèi)部數(shù)字信號(hào)處理器；這些路徑可驅(qū)動(dòng)發(fā)射器和處理光電二極管輸入，而處理器可執(zhí)行算法來(lái)根據(jù)相位、幅度和頻率數(shù)據(jù)計(jì)算距離。（圖片來(lái)源：Renesas）

選擇發(fā)射器和光電二極管
ISL29501 集成了光電二極管輸入、發(fā)射器輸出和處理功能，為構(gòu)建 ToF 距離感測(cè)解決方案提供了靈活的硬件基礎(chǔ)。一些功能專(zhuān)為支持各種發(fā)射器和光電二極管而設(shè)計(jì)，例如輸入端的 AFE 和 AGC 回路以及輸出端的可編程發(fā)射器驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)，謹(jǐn)慎選擇和配置發(fā)射器和光電二極管，對(duì)一個(gè)完整 ToF 解決方案是否有效非常重要。

以發(fā)射器為例，ISL29501 的靈活非常大，讓開(kāi)發(fā)人員能夠從各種紅外 (IR) LED、垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL) 或具有兼容電壓、電流和頻率規(guī)格的其他激光器件中進(jìn)行選擇。實(shí)際上，典型的 ToF 解決方案對(duì)發(fā)射器類(lèi)型相對(duì)不太敏感。盡管如此，還是建議使用近紅外 (NIR) 或中波長(zhǎng)紅外 (MWIR) 器件，以減少來(lái)自環(huán)境光源的干擾。選擇器件后，開(kāi)發(fā)人員將需要確定最佳發(fā)射器脈沖驅(qū)動(dòng)電流，以及可能需要的任何 DC 電流分量。接下來(lái)，開(kāi)發(fā)人員必須對(duì)器件進(jìn)行編程，以使用發(fā)射器驅(qū)動(dòng)器輸出鏈中集成的獨(dú)立內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，來(lái)提供脈沖和可選的 DC 電流。

同樣，ISL29501 也支持多種光電二極管，但是在確定最佳選擇方面，應(yīng)用和發(fā)射器的選擇將至關(guān)重要。與發(fā)射器一樣，在 NIR 或 MWIR 波長(zhǎng)工作的光電二極管有助于減少環(huán)境光干擾。理想情況下，光電二極管的光譜響應(yīng)曲線應(yīng)盡可能窄，并且峰值位于發(fā)射器峰值波長(zhǎng)的中央，以?xún)?yōu)化信噪比 (SNR)。雖然光電二極管需要最大限度地增加收集的光量，但增加光電二極管的面積也會(huì)導(dǎo)致更高的電容（包括結(jié)電容和雜散電容)，這會(huì)影響光電二極管的響應(yīng)時(shí)間及其跟蹤發(fā)射器上升和下降時(shí)間的能力。因此，開(kāi)發(fā)人員需要找到光電二極管面積與內(nèi)部電容的最佳平衡點(diǎn)，以在不影響性能的情況下使信號(hào)幅度最大化。

集成 ToF 解決方案
Digilent 的 Pmod ToF 板設(shè)計(jì)用于加速 ToF 應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，可提供現(xiàn)成的 ToF 解決方案，在一個(gè)小規(guī)格板上組合了 Renesas 的 ISL29501 ToF IC、Microchip Technology 的 AT24C04D EEPROM、IR LED 和光電二極管，并且?guī)в辛_ Pmod 主機(jī)和直通連接器，能夠添加其他 Pmod 擴(kuò)展板（圖 4）。

圖 4：Digilent 的 Pmod ToF 板提供了完整的 ToF 傳感器解決方案，可通過(guò) Pmod 連接器連接至系統(tǒng)板。（圖片來(lái)源：Digilent）

對(duì)于光源和檢測(cè)器，該板將 OSRAM Opto Semiconductors 的大功率 SFH 4550 860 納米 (nm) LED 與 OSRAM 的 SFH 213 FA 光電二極管配對(duì)。該二極管具有較快的開(kāi)關(guān)速度，光譜靈敏度從 750 到 1100 nm，峰值靈敏度為 900 nm。

雖然 Renesas 的 ISL29501 不需要針對(duì)關(guān)聯(lián)的 LED 和光電二極管器件使用其他元器件，但對(duì)于三個(gè)功率域中的每一個(gè)域，均需要一個(gè)合適的 2.7 伏至 3.3 伏電源，并由模擬電壓源 (AVCC)、數(shù)字電壓源 (DVCC) 和發(fā)射器驅(qū)動(dòng)器電壓 (EVCC) 的單獨(dú)引腳供電。盡管這些電源域可以由同一電源進(jìn)行供電，但 Renesas 建議隔離這三個(gè)電源。如 Digilent 的 Pmod ToF 原理圖所示，Digilent 對(duì)每個(gè)電源使用 Murata Electronics 的 BLM15BD471SN1D 鐵氧體磁珠和電容器，來(lái)實(shí)現(xiàn) ToF 板的這種隔離（圖 5）。

圖 5：Digilent 的 Pmod ToF 板既提供了即時(shí)硬件解決方案來(lái)加速原型開(kāi)發(fā)，又為定制 ToF 系統(tǒng)提供了參考設(shè)計(jì)。（圖片來(lái)源：Digilent）

開(kāi)發(fā)環(huán)境
Digilent 通過(guò)基于 Digilent Zybo Z7-20 板的開(kāi)發(fā)環(huán)境，進(jìn)一步幫助加速 ToF 應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。該板圍繞 Xilinx 的 Zynq XC7Z020 完全可編程 SoC (APSoC)，構(gòu)建出一個(gè)高性能操作環(huán)境。此 APSoC 集成了雙核 Arm? Cortex?-A9 處理器以及廣泛的可編程結(jié)構(gòu)，可支持 53,200 個(gè)查找表 (LUT)、106,400 個(gè)觸發(fā)器和 630 KB 區(qū)塊隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (RAM)。除了 Xilinx 的 Zynq XC7Z020 APSoC，Zybo Z7-20 板還包括 1 GB RAM、16 MB 四通道 SPI 閃存、多個(gè)接口和連接器，以及 6 個(gè) Pmod 擴(kuò)展端口。

Digilent 的 ZyboZ7-20 PmodToF-Demo 軟件分發(fā)包專(zhuān)為在 Zybo Z7-20 板上運(yùn)行而設(shè)計(jì)，包括用于 Pmod ToF 分層區(qū)塊軟件庫(kù)的軟件開(kāi)發(fā)套件 (SDK)。該庫(kù)為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)直觀的應(yīng)用程序編程接口 (API)，能基于 Xilinx SDK 中或 Digilent 為 Pmod ToF 板提供的驅(qū)動(dòng)程序和支持模塊來(lái)構(gòu)建各種應(yīng)用（圖 6）。

Digilent 庫(kù)組合了 Xilinx SDK 中用于 I2C、GPIO 和 UART 通信的低級(jí)別驅(qū)動(dòng)程序，以及針對(duì) Digilent 的 Pmod ToF 板 EEPROM 和 Renesas 的 ISL29501 器件實(shí)現(xiàn)寄存器級(jí)操作的模塊。例如，ISL29501 模塊提供了一個(gè)函數(shù)來(lái)使用 ISL29501 測(cè)量距離。由于 ISL29501 在內(nèi)部實(shí)施了該測(cè)量所需的詳細(xì)操作序列，因此在測(cè)量距離時(shí)，只需進(jìn)行一些初始設(shè)置以及一系列寄存器讀寫(xiě)操作。Digilent 庫(kù)的 ISL29501 模塊提供的函數(shù)可用于實(shí)現(xiàn)特定 ISL29501 操作，其中包括測(cè)量距離的功能（清單 1）。
double PmodToF_perform_distance_measurement() {

   /* WRITE REG */    
 u8 reg0x13_data = 0x7D;
     u8 reg0x60_data = 0x01;  
   /* READ REG */   
  u8 unused;  
   u8 DistanceMSB;    
 u8 DistanceLSB;    
   double distance = 1;   
  ISL29501_WriteIIC(&myToFDevice, 0x13, ?0x13_data, 1);  
   ISL29501_WriteIIC(&myToFDevice, 0x60, ?0x60_data, 1);  
   ISL29501_ReadIIC(&myToFDevice, 0x69, &unused, 1);  
   CALIB_initiate_calibration_measurement();      
  //waits for IRQ  
   while((XGpio_DiscreteRead(&gpio, GPIO_CHANNEL) & GPIO_DATA_RDY_MSK) != 0 );  
   ISL29501_ReadIIC(&myToFDevice, 0xD1, &DistanceMSB, 1);    
 ISL29501_ReadIIC(&myToFDevice, 0xD2, &DistanceLSB, 1);    
 distance =(((double)DistanceMSB * 256 + (double)DistanceLSB)/65536) * 33.31;     
return  distance;
 } 

清單 1：Digilent 庫(kù)的 ISL29501 模塊中包含的軟件函數(shù)可實(shí)現(xiàn)寄存器級(jí)操作，例如測(cè)量距離，如此清單所示。（代碼來(lái)源：Digilent）

Digilent 庫(kù)的 PmodToF 模塊提供了基于較低級(jí)別模塊構(gòu)建的較高級(jí)別服務(wù)。例如，為了執(zhí)行并顯示測(cè)量，PmodToF 模塊的 PmodToFCMD_MeasureCmd() 函數(shù)會(huì)重復(fù)調(diào)用 ISL29501 模塊的寄存器級(jí) PmodToF_perform_distance_measurement() 函數(shù)，并顯示結(jié)果的平均值（清單 2）。

 /***   PmodToFCMD_MeasureCmd ** **     
Parameters: **   
  none ** **     
Return Value: **     
     ERRVAL_SUCCESS       
       0       // success ** ** 
    Description: **     
       This function displays over UART the distance measured by the device.**    
        Before calling this function, it is important that a manual calibration was made or the calibration **     
       was imported(calibration stored by the user in EEPROM user area )/restored from EEPROM(factory calibration).*/ void PmodToFCMD_MeasureCmd() {    
    int N = 100, sum = 0;        int distance_val, distance_val_avg;        // 100 distance values that are measure will be averaged into a final distance value
        for(int j=0;j 

清單 2：Digilent 庫(kù)的 PmodToF 模塊中包含的軟件函數(shù)可提供應(yīng)用級(jí)服務(wù)，例如顯示多個(gè)距離測(cè)量值的平均值，如此清單所示。（代碼來(lái)源：Digilent）

開(kāi)發(fā)人員可以使用 Digilent 的 Pmod ToF 分層區(qū)塊軟件庫(kù)中的全套模塊，也可以只使用自己應(yīng)用所需的最少一組模塊。但是，對(duì)于每個(gè)應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員都需要執(zhí)行幅度、串?dāng)_和距離校準(zhǔn)，以確保準(zhǔn)確性。盡管幅度是內(nèi)部校準(zhǔn)，但其他兩項(xiàng)需要進(jìn)行一些設(shè)置。對(duì)于串?dāng)_校準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)人員只需使用板隨附的一塊泡沫阻擋光學(xué)器件，然后進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于距離校準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)人員在放置 ToF 板時(shí)，可讓光學(xué)元件與高紅外反射率的目標(biāo)保持一段已知距離，然后進(jìn)行校準(zhǔn)。雖然 ISL29501 不包括非易失性存儲(chǔ)器，但開(kāi)發(fā)人員可以將新的校準(zhǔn)值保存在 Pmod ToF 板的 EEPROM 中，并在軟件初始化過(guò)程中加載這些值。

這種現(xiàn)成的硬件和軟件組合為創(chuàng)建光學(xué) ToF 應(yīng)用提供了即用型基礎(chǔ)。要進(jìn)行快速原型開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)人員可以使用 Digilent 的 Pmod ToF 和 Zybo Z7-20 板，立即運(yùn)行庫(kù)分發(fā)包的示例軟件。要進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)人員可以基于 Pmod ToF 板提供的硬件參考設(shè)計(jì)以及 Digilent 庫(kù)分發(fā)包中提供的軟件代碼進(jìn)行構(gòu)建。

總結(jié) 盡管單芯片 ToF 處理 IC 有助于簡(jiǎn)化許多應(yīng)用中 ToF 解決方案的實(shí)施，但它們?nèi)孕枰_(kāi)發(fā)人員尋找合適的發(fā)射器和光電二極管來(lái)進(jìn)行集成。如上所述，預(yù)構(gòu)建的 ToF 擴(kuò)展板與高性能系統(tǒng)板相結(jié)合，提供了更容易使用的解決方案，它們共同提供了完整的硬件 ToF 解決方案。通過(guò)將此硬件解決方案與關(guān)聯(lián)的軟件庫(kù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)人員可以立即開(kāi)始 ToF 應(yīng)用原型開(kāi)發(fā)，或使用此硬件和軟件作為基礎(chǔ)來(lái)設(shè)計(jì)定制的 ToF 硬件和軟件。

編輯：hfy