【飞控开发基础教程8】开源编队无人机-I2C（激光测距）

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发表于 2022-8-16 14:13:14

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COCOFLY教程

——疯壳·无人机·系列

I2C（激光测距）

图1

一、VL53L1X 简介
VL53L1X 属于 STMicroelectronics 即常说的意法半导体（ST）公司推出的
FlightSense™ 产品系列 ToF(Time of flight)激光测距传感器。
VL53L1X 是目前市场上最快的微型 ToF 传感器，精确测距能力达 4 米，测距频率快至 50 Hz。它采用微型、可回流焊封装，集成了一个单光子雪崩二极管
（SPAD）接收阵列、一个 940nm 不可见激光 1 类发射器、物理红外滤波器和光学器件，可在各种环境照明条件下实现最佳测距性能，并提供一系列覆盖窗口选择。
由于封装小巧，因此它很容易集成到设备中。与传统的红外传感器不同， VL53L1X 采用 ST 最新一代 ToF 技术，无论目标颜色和反射率如何，都可以进行绝对距离测量。还可以对接收阵列上的 ROI（感兴趣区域）大小进行编程，从而减小传感器 FoV（视场角）。VL53L1X 激光测距传感器的实物图如下图所示。

图2
二、I2C 概述
Inter-Integrated Circuit，即内部集成电路接口，缩写为 IIC 或 I2C。IIC 总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C 总线在物理连接上非常简单，分别由 SDA(串行数据线)和 SCL(串行时钟线)及上拉电阻组成。通信原理是通过对 SCL 和 SDA 线高低电平时序的控制，来产生 I2C 总线协议所需要的信号进行数据的传递。在总线空闲状态时，这两根线一般被上面所接的上拉电阻拉高，保持着高电平。如下图所示为单片机与 I2C接口的传感器之间通信示意图。

图3

三、I2C 总线协议
对 I2C 总线的操作实际就是主从设备之间的读写操作。大致可分为以下两种操作情况：
第一，主设备往从设备中写数据。数据传输格式如下：

图4
第二，主设备从从设备中读数据。数据传输格式如下：

图5
实际上把 I2C 协议拆分开来它的组成有：起始条件、终止条件、地址段、数据段、响应 ACK、非响应 NACK。
（1）START 和 STOP，起始和终止条件都是由主机（master）发起产生。总线在起始条件之后处于忙碌状态，在停止条件之后又处于空闲状态。

图6
起始条件：SCL 线是高电平时，SDA 线从高电平向低电平切换。停止条件：SCL 线是高电平时，SDA 线从低电平向高电平切换。
（2）地址段，地址段由 7bit 地址+读写位组成，一个 7-bit 的地址是从最高位（MSB）开始发送的，这个地址后面会紧跟 1-bit（R/W）的操作符，1 表示读操作，0 表示写操作。接下来的一个 bit 是 NACK/ACK，当这个帧中前面 8 bit 发送完后，接收端的设备获得 SDA 控制权，此时接收设备应该在第 9 个时钟脉冲之前回复一个 ACK（将 SDA 拉低）以表示接收正常，如果接收设备没有将SDA 拉低，则说明接收设备可能没有收到数据（如寻址的设备不存在或设备忙）或无法解析收到的消息，如果是这样，则由 master 来决定如何处理，比如：停止。

图7
（3）数据段，SDA 数据线上的每个字节必须是 8 位，每次传输的字节数量没有限制。每个字节后必须跟一个响应位（ACK）。首先传输的数据是最高位
（MSB)，SDA 上的数据必须在 SCL 高电平周期时保持稳定，数据的高低电平翻转变化发生在 SCL 低电平时期。

图8
以传输 Byte：1010 1010 (0xAAh)为例，SDA SCL 传输时序如下所示：

图9
（4）响应 ACK（Acknowledge）和非响应 NACK（Not Acknowledge）,
每个字节传输必须带响应位，相关的响应时钟也由主机产生，在响应的时钟脉冲期间（第 9 个时钟周期），发送端释放 SDA 线，接收端把 SDA 拉低。以上图传输 101010101 为例，SCL 第 9 位时钟高电平信号期间，SDA 拉低其代表了有ACK响应位。当在 SCL 第 9 位时钟高电平信号期间，SDA 仍然保持高电平，这种情况定义为 NACK 非响应位。这种情况下，主机可以直接产生 STOP 条件终止以后的传输或者继续重新 START 开始一个新的传输。以下情况会导致出现 NACK 位：
a、接收机没有发送机响应的地址，接收端没有任何 ACK 发送给发射机；
b、由于接收机正在忙碌处理实时程序导致接无法接收或者发送； c、传输过程中，接收机识别不了发送机的数据或命令；
d、接收机无法接收；
e、主机接收完成读取数据后，要发送 NACK 结束告知从机。以下图例代表 NACK 时序：

图10

根据 I2C 协议分解的各个部分，可得出读和写的时序图，以向某传感器的地址为 0x09 的寄存器写入两个字节 0x02 和 0x84 为例，如下图所示为该过程时序图。

图11
以从某传感器的地址为 0x09 的寄存器中读出两个字节 0x02 和 0x84 为例，该时序图如下所示。

图12

四、激光测距实验

激光测距实验使用STM32 的GPIO 模拟I2C 与激光测距模组VL53L1X 相连接，串口 1 即UART1，通过 USB 转串口模块连接电脑，把 I2C 获取到的VL53L1X的距离值（mm 为单位）通过串口 1 传输到电脑端的串口调试助手显示出来。做该实验的时候需要把视觉模组暂时取下，并且把 USB 转串口的线接到视觉模组接口处。激光测距模组 VL53L1X 在无人机支架底部，杜邦线和 SH1.0 接口接到主板上的 USART3（这里用该接口的 GPIO 模拟 I2C）的接口上，如下图所示。