内容介绍

TMF8821 dToF 项目总结报告

项目背景

本项目基于2024年艾迈斯欧司朗竞赛，旨在将TMF8821直接飞行时间（dToF）传感器集成到瑞芯微RV1106G3平台上，并开发一款简易的角度测算工具。通过将板卡固定并与平面保持一定夹角，程序能够测算出板卡与平面之间的夹角和垂直最小距离。

项目目标

硬件集成：将TMF8821 dToF传感器成功集成到RV1106G3平台。
软件开发：开发一个简易的角度测算工具，能够实时计算板卡与屏幕之间的夹角和垂直距离。
性能优化：确保系统稳定运行，并优化算法以提高测量精度。

硬件介绍

TMF8821 dToF传感器

TMF8821是一款直接飞行时间（dToF）传感器，采用单一模组封装，配备VCSEL（垂直腔面发射激光器）。该传感器利用SPAD（单光子雪崩二极管）、TDC（时间数字转换器）和直方图技术，实现了最大5000 mm的检测范围。TMF8821支持3×3、4×4和3×6多区输出数据，并具有动态可调的视场角（FoV）。所有数据处理均在片上进行，通过I2C接口提供距离信息和置信度值。

RV1106G3处理器

RV1106G3是一款专为人工智能应用设计的高度集成IPC视觉处理器SoC。基于单核ARM Cortex-A7 32位内核，集成了NEON和FPU，内置NPU支持INT4/INT8/INT16混合运算，计算能力高达1TOPS。RV1106G3还配备了全新的硬件ISP（图像信号处理器），支持多种算法加速器，如HDR、3A、LSC、3DNR等。开发板支持多种接口，包括GPIO、UART、SPI、I2C、USB等，便于快速开发和调试。

项目设计思路

方案框图

硬件连接：TMF8821通过I2C接口与RV1106G3连接，GPIO引脚用于控制传感器的使能和中断信号。
软件流程：
- 初始化TMF8821传感器并加载固件。
- 通过I2C读取传感器的距离数据。
- 根据距离数据计算板卡与屏幕之间的夹角和垂直距离。
- 输出计算结果并进行实时显示。

实际接线图

软件流程图

初始化：加载内核模块，配置设备树，初始化TMF8821传感器。
数据采集：通过I2C接口读取传感器的距离数据。
数据处理：根据采集到的距离数据，计算夹角和垂直距离。
结果输出：将计算结果输出到终端或显示设备。

关键代码介绍

内核模块

内核模块的编译和加载是项目的基础。通过修改Makefile和设备树，成功将TMF8821驱动集成到RV1106G3平台。

KDIR:=/home/bruce/Documents/luckfox-pico/sysdrv/source/kernel
PWD?=$(shell pwd)
MAKE := make
ARCH := arm
CROSS_COMPILE := /home/bruce/Documents/luckfox-pico/tools/linux/toolchain/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf/bin/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf-
KBUILD_OUTPUT := $(abspath $(dir $(lastword $(KDIR))))/objs_kernel

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
#kbuild part of Makefile
include Kbuild
else
#normal Makefile
all:
	$(MAKE) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

modules:
	$(MAKE) ARCH=$(ARCH) CROSS_COMPILE=$(CROSS_COMPILE) -C $(KDIR) M=$(PWD) $@

sign:
	$(SIGN_SCRIPT) sha512 $(LINUX_SRC)/signing_key.priv $(LINUX_SRC)/signing_key.x509 $(DEVICE_NAME).ko

clean:
	$(MAKE) -C $(LINUX_SRC) M=$$PWD clean

endif

设备树配置

设备树配置中，启用了I2C3接口，并添加了TMF8821的节点，配置了GPIO引脚用于控制传感器的使能和中断信号。GPIO1_C6接ENABLE引脚，高电平有效。GPIO1_C7接irq引脚，下降沿有效。

&i2c3 {
	status = "okay";
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&i2c3m1_xfer>;
	clock-frequency = <100000>;

	tmf8821: tmf8821@41 {
		compatible = "ams,tmf882x";
		status = "okay";
		reg = <0x41>;
		enable-gpios = <&gpio1 RK_PC6 GPIO_ACTIVE_HIGH>;	// GPIO1_C6 enable
		irq-gpios = <&gpio1 RK_PC7 GPIO_ACTIVE_HIGH>;		// GPIO1_C7 irq
		interrupt-parent = <&gpio1>;
		interrupts = <RK_PC7 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>;
	};
};

加载firmware

tmf8821传感器上电后需要加载固件才能进入app运行模式，将官方提供的hex文件放到开发板/lib/firmware/tmf882x_firmware.bin。注意：这里必须将官方提供的.hex文件重命名为tmf882x_firmware.bin，不要转换为hex文件。我刚开始用工具将hex文件转换成bin文件加载一直无法启动。

加载运行

将上面编译好的tmf882x.ko，官方提供的设备固件tmf882x_firmware.bin下载到设备中

运行

insmod tmf882x.ko

成功启动设备

测试

设备成功初始化后默认会关闭测量，进入低功耗状态。进入以下文件夹，打开设备，进入正常的测量状态。

cd /sys/bus/i2c/devices/i2c-3/3-0041
# 手动打开设备
echo 1 > chip_enable

一旦TMF882X注册成功，TMF882X会注册标准的Linux input设备

查看/proc/bus/input/devices文件可以获取到系统中注册的所有输入设备相关的信息，如下所示：

[root@luckfox app]# cat /proc/bus/input/devices
I: Bus=0019 Vendor=0001 Product=0001 Version=0100
N: Name="adc-keys"
P: Phys=adc-keys/input0
S: Sysfs=/devices/platform/adc-keys/input/input0
U: Uniq=
H: Handlers=kbd event0 
B: PROP=0
B: EV=3
B: KEY=c0000 0 0 0

I: Bus=0018 Vendor=0000 Product=0000 Version=0000
N: Name="tmf882x"
P: Phys=
S: Sysfs=/devices/platform/ff460000.i2c/i2c-3/3-0041/input/input1
U: Uniq=
H: Handlers=event1 
B: PROP=0
B: EV=9
B: ABS=3ff

编写C语言测试程序

#include "ams/tmf882x.h"
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <linux/input.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct input_event in_ev = {0};
    int fd;
    // cat /proc/bus/input/devices
    // /devices/platform/ff460000.i2c/i2c-3/3-0041/input/input1
    fd = open("/dev/input/event1", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open error");
        exit(-1);
    }
    while (1)
    {
        if (sizeof(struct input_event) != read(fd, &in_ev, sizeof(struct input_event))) {
            perror("read error");
            exit(-1);
        }
        printf("type:%d code:%d value:%d\n", in_ev.type, in_ev.code, in_ev.value);
    }

    close(fd);

    return 0;
}

已知三角形的两条边和夹角，可计算出第三条边。使用最近比较火的deepseek搜索计算方法

数据分析

type:3 code:6 value:12715503
type:3 code:7 value:5637566
type:3 code:8 value:7079289
type:0 code:0 value:0
type:3 code:1 value:3540985
type:3 code:2 value:5834647
type:3 code:3 value:1377967
type:3 code:4 value:2426319
type:3 code:5 value:4588905
type:3 code:6 value:2819379
type:3 code:7 value:3999051
type:3 code:8 value:5768423
type:3 code:9 value:5834050
type:3 code:1 value:1247611
type:3 code:2 value:1640725
type:3 code:3 value:4327255
type:3 code:4 value:7079565
type:3 code:5 value:14550566

测试程序

根据以上三角形的计算公式，编写C语言测试程序，读取TMF8821传感器的数据，并计算夹角和垂直距离。

#include "ams/tmf882x.h"
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <linux/input.h>
#include <math.h>

#define DEFAULT_ANGLE 60.0

static float calculateDistance(uint16_t a, uint16_t b, uint8_t gamma) {
    float gamma_rad = gamma * M_PI / 180.0;
    float c = sqrt(a * a + b * b - 2 * a * b * cos(gamma_rad));
    float S = 0.5 * a * b * sin(gamma_rad);
    float h = (2 * S) / c;
    return h;
}

static void calculateAngles(float a, float b, float gamma, float *alpha, float *beta) {
    float gamma_rad = gamma * M_PI / 180.0;
    float c = sqrt(a * a + b * b - 2 * a * b * cos(gamma_rad));

    *alpha = asin((a * sin(gamma_rad)) / c);
    *beta = M_PI - *alpha - gamma_rad;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    uint16_t dis_array[9] = {0};
    struct input_event in_ev = {0};
    char buf[128];
    int fd;
    // cat /proc/bus/input/devices
    fd = open("/dev/input/event1", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("open event1 error");
        exit(-1);
    }
    while (1)
    {
        if (sizeof(struct input_event) != read(fd, &in_ev, sizeof(struct input_event))) {
            perror("read error");
            exit(-1);
        }
        if (in_ev.type == EV_ABS) {
            int pos = 0;
            uint16_t channel = in_ev.code;
            uint32_t value = in_ev.value;
            uint8_t confidence = (value >> 16) & 0xFF;
            uint16_t distance = value & 0xFFFF;
            if (channel < 9 && confidence > 150) {
                dis_array[channel] = distance;
                float angle[2];
                float max;
                float real_angle;
                float a = dis_array[1];
                float b = dis_array[2];
                if (a > 0 && b > 0) {
                    calculateAngles(a, b, DEFAULT_ANGLE, &angle[0], &angle[1]);
                    angle[0] = angle[0]*180.0/M_PI;
                    angle[1] = angle[1]*180.0/M_PI;
                    if (angle[0] > angle[1]) {
                        max = angle[0];
                    } else {
                        max = angle[1];
                    }
                    real_angle =  max - (180 - DEFAULT_ANGLE) / 2;
                    float min_dis = calculateDistance(a, b, DEFAULT_ANGLE);
                    printf("%.1f,%.1f -> %.1f, %.1f\n", angle[0], angle[1], real_angle, min_dis);
                }
            }
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

测试与数据分析

通过测试程序，成功读取了TMF8821传感器的距离数据，并计算出了板卡与屏幕之间的夹角和垂直距离。测试结果表明，系统能够稳定运行，并且测量结果具有较高的精度。

总结

本项目成功将TMF8821 dToF传感器集成到RV1106G3平台，并开发了一款简易的角度测算工具。通过硬件和软件的协同工作，实现了与板卡夹角和垂直距离的实时测量。未来可以进一步优化算法，提高测量精度，并扩展更多功能。