Как подключить лазерный датчик дальности VL53-400 к Arduino

Для проекта нам понадобятся:

• лазерный дальномер VL53-400;
• преобразователь USB-UART;
• Arduino;
• соединительные провода;
• макетная плата.

1 Описание и характеристики датчика VL53-400

Датчик VL53-400 представляет собой лазерный дальномер и может измерять дальность от 0 до 4-х метров (для модификации с чипом VL53L1) или от 0 до 2-х метров (для модификации с чипом VL53L0). Причём есть несколько режимов работы с различной максимальной дальностью. Режимы с меньшей дальностью обеспечивают более высокую частоту опроса датчика. По умолчанию задан режим с максимальной дальностью. Точность измерений ±20 мм для VL53L1 и ±60 мм для VL53L0.

В качестве излучателя в датчике VL53-400 используется лазерный диод. Такие диоды не обеспечивают, конечно, когерентность и мощность излучения на уровне лазеров других типов, но вполне достаточную для применения в дальномерах, оптических мышах, проигрывателях компакт-дисков, сканерах штрих-кодов и т.д.

• Датчик VL53-400 может измерять с частотой от 0,1 до 100 Гц.
• Питание датчика от напряжения 3,3…5 В, потребляемый ток <36 мА.
• Рабочая температура от −20 до +70° C.
• Размеры датчика составляют всего 20×13×6.2 мм, вес 2 гр.

Излучатель и приёмник датчика покрыты специальной оптической защитой, чтобы уменьшить влияние излучений от других источников (например, солнца).

На рисунке ниже показаны углы передатчика и приёмника сенсора VL53-400.

Назначение выводов датчика VL53-400 такое:

Датчик поддерживает 3 режима работы: нормальный (UART), Modbus (UART) и IIC. При первом включении датчик входит в нормальный режим работы. Далее можно выбрать другой режим, который датчик запоминает и при перевключении входит в этот режим.

Производитель датчика поставляет специальное программное обеспечение WitMotion для работы с данными датчиками (использование ПО не обязательно, но для изучения протокола работы и проверки работоспособности очень удобно). С помощью данного ПО можно настраивать режимы работы датчика, менять параметры режимов, записывать измерения и строить по ним графики, проводить калибровку и т.д. Скачать ПО можно с репозитория производителя. А также много интересной информации можно найти тут (на китайском языке :).

При первом запуске интерфейс программы на китайском. Для смены языка на английский нажать в верхнем меню на предпоследнюю иконку и выбрать второй пункт. После этого программу перезапустить.

Для подключения к датчику VL53-400 выбрать порт вашего USB-UART адаптера, выставить скорость и нажать кнопку Add. Датчик появится снизу, и если все параметры указаны верно, вы увидите меняющиеся показания.

Поле ID пока не трогаем. Это адрес датчика, и по умолчанию он 0x50. Данное поле следует изменить, если вы планируете работать в режиме Modbus, и у вас будет несколько устройств в сети.

2 Нормальный режим работы датчика VL53-400

Это режим работы по умолчанию. В этом режиме сенсор VL53-400 подключён по UART и автоматически передаёт данные об измеренной дистанции и статус текущего измерения текстом в кодировке ASCII. Скорость по умолчанию 115200 бод и конфигурируется в диапазоне от 2400 до 921600 бод.

Для подключения датчика к компьютеру можно использовать любой USB-UART адаптер. Вывод TXD датчика подключаем к RX адаптера, RXD датчика – к TX адаптера. Питание и землю, естественно.

Подключимся к порту и увидим следующее:

Вывод датчика в нормальном режиме в таком формате:

State;0, Range Valid
d: 242 mm    

Здесь State – статус текущего измерения, d – дистанция в миллиметрах. Возможные статусы:

Чтобы подключить датчик VL53-400 к Arduino, вывод TXD датчика подключаем к RX Arduino (обычно это D0), а RXD к TX (обычно D1), VCC к 3V3, GND – к GND. Скетч может быть, например, такой:

const int STATE_VALID = 0;

String inputString = ""; // принятая строка
int currentState; // статус текущего измерения

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  inputString.reserve(50); // зарезервируем 50 символов для строки
}

void loop() { /* ничего не делаем */ }

// Обрабатывает поступающие данные
void serialEvent() {
  while (Serial.available()) {
    char inChar = (char)Serial.read(); // читаем поступающий символ
    inputString += inChar; // дополняем строку новым символом
    if (inChar == '\n') { // при переходе на новую строку
      String start = inputString.substring(0, 2); // смотрим первые 2 символа строки
      if (start == "St") { //пример: 'State;0, Range Valid'
        currentState = GetIntFromString(inputString, 6); 
      }
      else if (start == "d:") { //пример: 'd: 242 mm'
        if (currentState == STATE_VALID) {
          int distance = GetIntFromString(inputString, 2); 
          Serial.println((String)distance + " mm");
        }
      }
      inputString = "";
    }
  }
}

// Ищет целое число в строке и возвращает его.
int GetIntFromString(String s, int index) {
  String stateStr = "";
  stateStr.reserve(10);
  String cur = "";
  while ((cur!=",") && (index < 9)) {
    cur = s.substring(index, index+1);
    index += 1;
    if (cur!=","){
      stateStr += cur;
    }
  }
  int val = stateStr.toInt();
  return val;
}

В результате выполнения этого скетча в мониторе порта Arduino видим:

Нормальный режим – самый простой из трёх режимов, т.к. требует только обработки строк, приходящих от датчика.

3 Режим Modbus датчика VL53-400

В режиме Modbus датчик VL53-400 также подключается по UART. Но данный режим уже требует активного управления. Имеются команды чтения (запроса данных от датчика) и записи (установка параметров, выполнение калибровки датчика, изменение адреса и т.д.). Команд довольно много; ознакомиться со всеми можно в описании датчика VL53-400 (раздел 8.3 Modbus Register на странице 24), которое можно скачать в приложениях внизу статьи. Мы же рассмотрим только несколько основных команд, которые нам понадобятся для измерения дальности.

Здесь ID – это идентификатор датчика. По умолчанию он равен 0x50. Тип команды: 0x03 – чтение из указанного регистра, 0x06 – запись в указанный регистр. Каждый регистр датчика отвечает за свою функциональность. Адреса регистров полностью описаны в документации на модуль VL53-400. О контрольной сумме поговорим чуть ниже.

Шаблон команды чтения, которую понимает датчик, можно посмотреть в приложении WitMotion: меню Help Edit Register.

В данном случае шаблон ${ADDR} 03 00 34 00 02 ${CRC16}.

Реальная команда Modbus для чтения показаний дальномера VL53-400: 50 03 00 34 00 02 88 44

Здесь 0x50 – ID датчика, 0x03 – команда чтения, 0x0034 – адрес регистра измерения дальности, длина данных 2 байта (0x0002), 0x8844 – контрольная сумма CRC16/MODBUS, рассчитанная для данной команды.

Мы подробно рассматривали расчёт контрольной суммы по алгоритму CRC, в том числе CRC16. В приведённой статье также имеется программа калькулятора для расчёта контрольной суммы. На скриншоте видно, что она совпадает с примером (только байты меняются местами). При проверке с другими командами результат тот же, что говорит о том, что контрольная сумма действительно рассчитывается по алгоритму CRC-16/MODBUS (я не нашёл у производителя описания алгоритма расчёта CRC).

Благо, команда запроса не меняется, и нам не нужно каждый раз рассчитывать контрольную сумму. Но если вы будете использовать другие команды динамически, вам потребуется реализовать алгоритм CRC16 на микроконтроллере или компьютере.

Ответы модуля расшифровываются так:

Для перевода датчика VL53-400 из нормального режима в режим Modbus необходимо отправить последовательность команд:

Здесь синим цветом выделен тип команды (06=запись или 03=чтение), зелёным адрес регистра (см. описание модуля), а красным – изменяемая часть.

Далее можно отправлять команды запроса. Например:

Последние две команды можно отправлять постоянно, чтобы обновлять показания дистанции и статус.

Из таблицы видно, что на запрос дистанции (в данном примере) датчик отвечает 50 03 02 00 E2 C5 C1 и 50 03 02 04 EC 46 C5. Дистанция это 4-ый и 5-ый байты пакета: 0x00E2 и 0x04EC. Переведём эти числа из шестнадцатеричной системы в десятичную и получим дистанцию в миллиметрах: 226 мм и 1260 мм, соответственно.

Теперь у нас есть вся минимально необходимая информация, чтобы написать скетч для Arduino:

const int STATE_VALID = 0;
const int CMD_LEN = 8; // длина команд и ответов датчика VL53

char buf[CMD_LEN]; // буфер для ответов датчика VL53

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // встроенный светодиод будет показывать статус
  
  Serial.begin(115200);
  Serial.setTimeout(100);
  
  // перевод в режим Modbus:
  byte mode[] = {0x50, 0x06, 0x00, 0x38, 0x00, 0x01, 0xC4, 0x46}; 
  Serial.write(mode, CMD_LEN);
  int rlen = Serial.readBytes(buf, CMD_LEN);
 
  // системный сброс датчика: 
  byte reset[] = {0x50, 0x06, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x84, 0x4B};
  Serial.write(reset, CMD_LEN);
  rlen = Serial.readBytes(buf, CMD_LEN);
}

void loop() {
  int stat = UpdateStatus();
  if (stat == STATE_VALID) {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // показываем, что измерение валидно 
    int dist = UpdateDistance();
    Serial.println((String)dist + "mm"); // только для демонстрации, не следует записывать в порт ничего лишнего 
  } else {
    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // показываем, что валидных данных нет
  }
}

// Запрашивает VL53-400 и возвращает статус измерения.
int UpdateStatus(){
  byte cmd[] = {0x50, 0x03, 0x00, 0x35, 0x00, 0x01, 0x99, 0x85};
  Serial.write(cmd, CMD_LEN);
  int rlen = Serial.readBytes(buf, CMD_LEN);
  return buf[4];
}

// Запрашивает VL53-400 и возвращает дистанцию, в мм.
int UpdateDistance(){
  byte cmd[] = {0x50, 0x03, 0x00, 0x34, 0x00, 0x01, 0xC8, 0x45};
  Serial.write(cmd, CMD_LEN);
  int rlen = Serial.readBytes(buf, CMD_LEN);
  return word(buf[3], buf[4]);
}

4 Режим IIC датчика VL53-400

В режиме IIC линии SDA и SCL подключаются напрямую к чипу VL53Lx. И обмен осуществляется по шине I2C непосредственно с чипом и описан в документе VL53-400 API User Manual (приложен в конце статьи). При этом I²C адрес чипа по умолчанию 0x29 (не путать с адресом датчика).

Для перевода датчика VL53-400 в режим I²C сначала нужно передать по UART команду, которую мы уже рассматривали выше, только теперь поменяем режим на 0x0002:

Датчик начнёт передавать по UART сообщение IICMODE.

После этого подключим модуль VL53-400 по следующей схеме:

Здесь MCU – управляющий микроконтроллер (в том числе Arduino). Линии SCL и SDA датчика имеют внутренние подтягивающие 10 кОм резисторы, поэтому внешние ставить не нужно.

Датчик VL53-400 может работать по IIC в трёх режимах: одиночное измерение (по запросу), непрерывное измерение без задержек между измерениями и непрерывное с заданным интервалом.

Скачать примеры работы для разных платформ (Arduino, STM, Raspberry Pi, Python и др.) можно здесь.