快速入门在STM32标准库上的ToF激光测距传感器 - VL6180

为什么是它？

这段时间参与了一个项目的控制部分的开发，需要一个STM32F103C8T6上的测距方案，要求精度高，测量的距离比较近，测量的目标点比较集中。常见的测距方案主要分为三类：超声波测距，红外测距，ToF激光测距。在最初的计划阶段，我们选择的是超声波测距，但是由于数据很不稳定，测量点不好把握，遂放弃；由于红外测距和ToF都是基于光学测距，为了节约时间，选择了成本较高，理论上效果更好的ToF激光测距，下面是对三种测距方案的简单比较：

测距方案	常见型号	应用场景
超声波	HC-SR04, US-100, MaxBotix MB1010, Parallax PING	中短距离测量，个人认为超声波更适合小车避障
红外	Sharp GP2Y0A21YK0F, TCRT5000, GP2Y0A02YK0F, GP2Y0A710K0F	短距离测量，适用于简单的距离检测，比较容易受到外界环境的影响
TOF激光	VL53L0(X), VL6180(X), VL53L1(X), LIDAR-Lite v3, Garmin LIDAR-Lite v4	高精度和长距离测量，适用于复杂环境，比较适合单点测距，速度也比较快，价格高

初识 ToF 激光测距模块

Time of Flight, ToF，全称激光测距模块，是一种基于飞行时间原理的测距设备，说白了，就是通过激光的传播的时间来计算距离。
其核心工作原理是模块发射一束激光脉冲，激光遇到目标物体后反射回来，模块接收反射光并计算发射与接收的时间差，结合光速计算出距离。

TOF激光测距模块通常由激光发射器、接收器、计时电路和处理器组成，具有高精度、快速响应、非接触测量和适应性强等优点，广泛应用于机器人、自动驾驶、工业自动化和消费电子等领域。然而，在使用时需要注意环境光干扰、目标表面特性以及功耗与散热等问题，以确保测量的准确性和稳定性。

我的模块 - VL6180

购入链接：

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店家提供了多款激光测距模块，具体区别可以看下图，主要关注一下测量距离和测量盲区，我们选用的是使用VL6180的TOF05F

我们可以看到三种模块都支持三种通讯方式，但是不同的芯片的寄存器有所区别，而IIC通讯主要就是通过读写寄存器达到通讯的目的，故这里不介绍IIC通信，不过需要吐槽的是，商家提供的例程里面，都是什么乱七八糟的代码，小白看了绝对一脸懵逼。。我们主要使用串口通信，至于Modbus其实就是串口通信的一个衍生，具工作模式介绍如下：

如何连接？

我们购买这家的模块的时候，尽量购买已经焊好排座的版本，商家也会附赠一个排线，排线一端为带有防反插的接口，另一端为普通的杜邦线母口，可以直连单片机；
在开始之前，我们先使用TTL转USB工具简单的测试一下模块好坏，来看一下相关的引脚定义，如果你也是购买的这家的模块，可以直接按照颜色比对，否则需要按照相关标识和说明连接：
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3
4
5
TTL转USB模块 ToF模块
RX-------------------TX
TX-------------------RX
3V3------------------VIN
GND------------------GND

我们使用串口通信，所以这里就只用接 TX RX GND VIN 即可，至于 SCL SDA 是 IIC 通信会用到的引脚，可以不接悬空。

在连接好后，使用串口调试工具打开端口，设置以下串口信息：

默认波特率：115200
数据位：8
校验位：无
停止位：1
流控制：无

我们直接显示 HEX 16 进制原始数据，开启显示时间戳，可以获取到数据格式如下的数据：

01 03 02 00 a2 39 jk
01 03 02 00 a2 39 fd
01 03 02 00 a2 39 as
01 03 02 00 a2 39 dd
01 03 02 00 a2 39 gg
01 03 02 00 a2 39 ds
01 03 02 00 a2 39 we

原始数据的解析

上面我们获取到了源源不断的传感器返回的数据，这种数据就是Modbus格式的串口数据了，我们这里目的是快速入门ToF模块，所以就不详细介绍Modbuds格式是什么了，我们来直接拆解这些数据，看看都是什么意思，首先来看一下Modbus格式的数据最基本的构成：

我们把数据对应上去就可以了，拿 01 03 02 00 a2 39 we 举例，从机地址就是 01 ，也就是 0x01，功能号为 0x03，数据字节个数为 0x02，所以后面要数两个格子的数据，分别是 00 和 a2 ,组成的16进制数据就是 0x00a2，这里就是我们的核心数据了，而后面的 39 we，是CRC校验位，主要是校验数据完整性，我们就不用看了。

3. 我们将 0x00a2 从16进制转为10进制为 162，单位为毫米（mm），从而得到了我们的距离，知道了原理之后，我们就可以实战了！

在STM32标准库上的实战

我写驱动代码的原则和目标就是：在代码尽可能的精简下，完成我们需要的目标，不需要的东西不要乱加，所以，需要其他定制功能，请优先在驱动代码以外的调用处解决，实在不行再修改驱动代码；
本次实战使用STM32F103C8T6标准库进行开发，编译器为Arm Complier 5.06，我们这里使用的是江科大的0.96寸四针OLED屏幕驱动代码的示例工程源码，以此为底板进行开发，首先在Hardware下创建相关驱动文件 TOF.c 和 TOF.h；

创建一个模块和串口通信初始化函数TOF_Init();，我们这里使用USART2为通信串口，优先级为3，使用的时候，注意不要与其他模块的串口冲突，不过冲突了也会编译报错的~ 我们这里定义的引脚为PA2与PA3，这两个引脚为USART2默认引脚：

// Hardware/TOF.c
#include "TOF.h"

void TOF_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 使能时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);
    
    // 配置GPIO
    // PA2 - USART2_TX
    // PA3 - USART2_RX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置USART2
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART2, &USART_InitStructure);
    
    // 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // 使能USART2接收中断
    USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    
    // 使能USART2
    USART_Cmd(USART2, ENABLE);

    TOF_RxIndex = 0;
}

// USART2中断服务函数
void USART2_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART2);
        
        if(TOF_RxIndex < 7)  // Modbus帧长度为7字节
        {
            TOF_RxBuffer[TOF_RxIndex++] = data;
            
            if(TOF_RxIndex == 7)
            {
                TOF_DataReady = 1;
                TOF_RxIndex = 0;
            }
        }
        
        USART_ClearITPendingBit(USART2, USART_IT_RXNE);
    }
}

// Hardware/TOF.h

#ifndef __TOF_H
#define __TOF_H

#include "stm32f10x.h"

// 函数声明
void TOF_Init(void);

#endif

为我们的串口添加串口终端处理；新建一个串口终端标志为TOF_RxIndex;新建一个标志位TOF_DataReady，表示数据已经接收完毕了：

// Hardware/TOF.c
#include "TOF.h"

static uint8_t TOF_RxIndex = 0;  // 定义串口中断标志位
static uint8_t TOF_DataReady = 0;  // 定义数据接收完毕标志位

void TOF_Init(void)
{
    // ······ 此处省略其他代码
    TOF_RxIndex = 0;   // 添加串口中断标志位
    TOF_DataReady = 0;
}

// USART2中断服务函数
void USART2_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART2);
        
        if(TOF_RxIndex < 7)  // Modbus帧长度为7字节
        {
            TOF_RxBuffer[TOF_RxIndex++] = data;
            
            if(TOF_RxIndex == 7)
            {
                TOF_DataReady = 1;
                TOF_RxIndex = 0;
            }
        }
        
        USART_ClearITPendingBit(USART2, USART_IT_RXNE);
    }
}

然后，我们来创建一个缓冲区，用来存放我们每次测量的数据，方便后面对数据进行转化；新建一个函数TOF_DataIsValid();，来检查我们接收到的缓冲区数据是否有效：

// Hardware/TOF.c
#include "TOF.h"

// ······ 此处省略其他代码
static uint8_t TOF_RxBuffer[8];  // Modbus格式：01 03 02 XX XX CRC CRC

void TOF_Init(void)
{
    // ······ 此处省略其他代码
}

// 检查接收到的数据是否有效
uint8_t TOF_DataIsValid(void)
{
    if(!TOF_DataReady) return 0;
    
    // 检查帧格式
    if(TOF_RxBuffer[0] != 0x01 || TOF_RxBuffer[1] != 0x03 || TOF_RxBuffer[2] != 0x02)
        return 0;
    
    // 检查CRC
    uint16_t receivedCRC = (TOF_RxBuffer[6] << 8) | TOF_RxBuffer[5];
    uint16_t calculatedCRC = ModbusCRC16(TOF_RxBuffer, 5);
    
    return (receivedCRC == calculatedCRC);
}

// 计算Modbus CRC16
static uint16_t ModbusCRC16(uint8_t *data, uint8_t length)
{
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    
    for(uint8_t i = 0; i < length; i++)
    {
        crc ^= data[i];
        for(uint8_t j = 0; j < 8; j++)
        {
            if(crc & 0x0001)
            {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            }
            else
            {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

// USART2中断服务函数
void USART2_IRQHandler(void)
{
    // ······ 此处省略其他代码
}

// Hardware/TOF.h

#ifndef __TOF_H
#define __TOF_H

#include "stm32f10x.h"

// 函数声明
void TOF_Init(void);
uint8_t TOF_DataIsValid(void);

#endif

现在我们来完成获取距离的函数TOF_GetDistance，由于模块有的时候工作不稳定，会回复距离为0的时候，我们这里也使用正确标志位来处理数据不正常的情况：

// Hardware/TOF.c

#include "TOF.h"
#include "Delay.h"

// ······ 此处省略其他代码
static uint16_t LastValidDistance = 0;  // 保存上一次的有效距离值

void TOF_Init(void)
{
    // ······ 此处省略其他代码
}

// 检查接收到的数据是否有效
uint8_t TOF_DataIsValid(void)
{
    // ······ 此处省略其他代码
}

// 计算Modbus CRC16
static uint16_t ModbusCRC16(uint8_t *data, uint8_t length)
{
    // ······ 此处省略其他代码
}

// 获取距离值
uint16_t TOF_GetDistance(void)
{
    uint16_t distance = 0;
    
    if(TOF_DataIsValid())
    {
        distance = (TOF_RxBuffer[3] << 8) | TOF_RxBuffer[4];
        
        // 只有当测量值大于0时才更新LastValidDistance
        if(distance > 0)
        {
            LastValidDistance = distance;
        }
        else
        {
            distance = LastValidDistance;  // 如果当前值为0，返回上一个有效值
        }
        
        TOF_DataReady = 0;  // 清除数据就绪标志
    }
    else
    {
        distance = LastValidDistance;  // 如果数据无效，返回上一个有效值
    }
    
    return distance;
}

// USART2中断服务函数
void USART2_IRQHandler(void)
{
    // ······ 此处省略其他代码
}

// Hardware/TOF.h

#ifndef __TOF_H
#define __TOF_H

#include "stm32f10x.h"

// 函数声明
void TOF_Init(void);
uint8_t TOF_DataIsValid(void);
uint16_t TOF_GetDistance(void);

#endif

到这里我们的驱动就完成了，本质上就是一个简单的串口接收数据的功能，相比IIC实现要简单很多，IIC还要涉及到寄存器地址等内容，以下是完整代码

// Hardware/TOF.c

#include "TOF.h"
#include "Delay.h"

// 接收缓冲区
static uint8_t TOF_RxBuffer[8];  // Modbus格式：01 03 02 XX XX CRC CRC
static uint8_t TOF_RxIndex = 0;
static uint8_t TOF_DataReady = 0;
static uint16_t LastValidDistance = 0;  // 保存上一次的有效距离值

void TOF_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 使能时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);
    
    // 配置GPIO
    // PA2 - USART2_TX
    // PA3 - USART2_RX
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 配置USART2
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200;
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    USART_Init(USART2, &USART_InitStructure);
    
    // 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // 使能USART2接收中断
    USART_ITConfig(USART2, USART_IT_RXNE, ENABLE);
    
    // 使能USART2
    USART_Cmd(USART2, ENABLE);
    
    TOF_RxIndex = 0;
    TOF_DataReady = 0;
}

// 检查接收到的数据是否有效
uint8_t TOF_DataIsValid(void)
{
    if(!TOF_DataReady) return 0;
    
    // 检查帧格式
    if(TOF_RxBuffer[0] != 0x01 || TOF_RxBuffer[1] != 0x03 || TOF_RxBuffer[2] != 0x02)
        return 0;
    
    // 检查CRC
    uint16_t receivedCRC = (TOF_RxBuffer[6] << 8) | TOF_RxBuffer[5];
    uint16_t calculatedCRC = ModbusCRC16(TOF_RxBuffer, 5);
    
    return (receivedCRC == calculatedCRC);
}

// 计算Modbus CRC16
static uint16_t ModbusCRC16(uint8_t *data, uint8_t length)
{
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    
    for(uint8_t i = 0; i < length; i++)
    {
        crc ^= data[i];
        for(uint8_t j = 0; j < 8; j++)
        {
            if(crc & 0x0001)
            {
                crc >>= 1;
                crc ^= 0xA001;
            }
            else
            {
                crc >>= 1;
            }
        }
    }
    return crc;
}

// 获取距离值
uint16_t TOF_GetDistance(void)
{
    uint16_t distance = 0;
    
    if(TOF_DataIsValid())
    {
        distance = (TOF_RxBuffer[3] << 8) | TOF_RxBuffer[4];
        
        // 只有当测量值大于0时才更新LastValidDistance
        if(distance > 0)
        {
            LastValidDistance = distance;
        }
        else
        {
            distance = LastValidDistance;  // 如果当前值为0，返回上一个有效值
        }
        
        TOF_DataReady = 0;  // 清除数据就绪标志
    }
    else
    {
        distance = LastValidDistance;  // 如果数据无效，返回上一个有效值
    }
    
    return distance;
}

// USART2中断服务函数
void USART2_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        uint8_t data = USART_ReceiveData(USART2);
        
        if(TOF_RxIndex < 7)  // Modbus帧长度为7字节
        {
            TOF_RxBuffer[TOF_RxIndex++] = data;
            
            if(TOF_RxIndex == 7)
            {
                TOF_DataReady = 1;
                TOF_RxIndex = 0;
            }
        }
        
        USART_ClearITPendingBit(USART2, USART_IT_RXNE);
    }
}

// Hardware/TOF.h

#ifndef __TOF_H
#define __TOF_H

#include "stm32f10x.h"

// 函数声明
void TOF_Init(void);
uint16_t TOF_GetDistance(void);
uint8_t TOF_DataIsValid(void);

#endif

最后的最后，就是调用的问题，我们这里将数据实时显示到了OLED屏幕上，可以参考一下：

// User/main.c

#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "OLED.h"
#include "TOF.h"

int main(void)
{
	OLED_Init();  // 初始化OLED屏幕
	TOF_Init();  //初始化TOF测距模块

	while (1)
	{
		uint16_t distance = TOF_GetDistance();  // 获取数值
		sprintf(DistanceStr, "Distance:%4dmm", distance);  // 赋值
		OLED_ShowString(0, 0, DistanceStr, OLED_8X16);  // 写入显示屏幕
		OLED_Update();  // 更新屏幕
	}
}