内容介绍

2024艾迈斯欧司朗dToF传感器光电设计竞赛

--基于飞行时间的液体分辨装置

一、项目介绍

本项目依托2024艾迈斯欧司朗dToF光电传感器设计竞赛，使用比赛官方的RP2040游戏机作为主控，驱动开发TMF8821传感器，基于上位机-受控端配合运行的模式，实现了一套液体种类分辨装置，可以分辨可乐、水、运动饮料等液体。

项目内容：

1、驱动TMF8821传感器。

2、设计一套液体检测装置。

3、采集各液体数据，设计一套分辨算法。

应用场景：

本项目为一折射率测试仪的简单样例，基于光学路径的不同，可以实现对固液气等处于不同物质形态的不同物质进行折射率测量。由于其基于激光的飞行时间来测量折射率，为一典型的非接触式测量，同时激光能量低、反应速度快、不易对待测物品造成损伤。可以用于液体的防污染检测，空气湿度检测等场景。

硬件介绍：

本项目使用的传感器板和主控板如图所示。主控板为RP2040游戏机，基于树莓派基金会的RP2040芯片，板载屏幕、按键、摇杆等外设，同时还有红外对管等传感器。本次使用的传感器为TMF8821，TMF8821 是一款直接飞行时间（dToF）传感器，采用单个模块化封装，带有相关的 VCSEL。dToF 设备基于 SPAD、TDC 和直方图技术，可实现 5000 mm 的检测范围。由于它的镜头位于 SPAD 上，它支持 3x3、4x4 和 3x6 多区域输出数据以及宽广的、动态可调的视野。VCSEL 上方的封装内的多透镜阵列（MLA）拓宽了 FoI（照明场）。原始数据的所有处理都在片上进行，TMF8821在其 I2C 接口上提供距离信息和置信度值。

二、传感器驱动

基于官方要求，该传感器不能使用官方驱动，需要根据通信手册和数据手册编写传感器驱动。本文采用的编程环境为pico-sdk 2.1

2.1自定义I2C通信函数

通信手册用多个字母表示各种对i2c总线的通信操作及数据，如图。

综合全手册，i2c的操作有寄存器单字读写，寄存器多字读写。其中寄存器多字写仅有下载固件部分有使用，且数据要多次拼接，单独为该部分实现寄存器多字写价值不大。因而i2c工具实现寄存器单字读写和寄存器多字读。

单字写最为简单，根据手册形式大致为，即写寄存器和数值即可。

可见为i2c总线的单次写操作，将寄存器和写数值拼接，调用i2c库的写函数即可。

void i2c_write_byte(uint8_t reg, uint8_t data)
{
    uint8_t buf[2] = {reg, data};
    i2c_write_blocking(I2C_PORT, I2C_ADDRESS, buf, 2, false);
}

单字和多字读寄存器操作大致相同，都是首先写寄存器值，不释放，读所需要的位数。

调用一次i2c的写函数，一次i2c的读函数即可。此处单字和多字略有不同，单字采取的是返回值，多字直接传入指针。

// I²C读一个字节
uint8_t i2c_read_byte(uint8_t reg)
{
    uint8_t data;
    i2c_write_blocking(I2C_PORT, I2C_ADDRESS, &reg, 1, true);  // 发送寄存器地址
    i2c_read_blocking(I2C_PORT, I2C_ADDRESS, &data, 1, false); // 读取数据
    return data;
}
// I²C读多个字节
void i2c_read_bytes(uint8_t reg, uint8_t *data, uint8_t size)
{
    i2c_write_blocking(I2C_PORT, I2C_ADDRESS, &reg, 1, true);    // 发送寄存器地址
    i2c_read_blocking(I2C_PORT, I2C_ADDRESS, data, size, false); // 读取数据
}

后文中，采用r（reg）和rs（reg，data）代表读单字和多字，w（reg，data）代表写单字，ws（reg，data）代表写多字。其中reg代表寄存器，data代表数据。

2.2 上电

根据手册1.2.1，该传感器使用步骤大致如下

本章主要涉及前4条，即bootloader之前的部分。

首先上电，然后记得拉高传感器的en管脚（第一条和第二条）

第三条是向0xe0寄存器写入0x01，即 w（0xe0,0x01）

第四条如图，循环读使能寄存器0xe0，直至返回0x41，即循环r（0xe0），直到读取到0x41。手册2.1还列出了其他几种情况，请自行阅读并区分。

此时，传感器应当进入bootloader模式，读取0x00寄存器（APPID_REG），值应当为0x80。即r（0x00），返回值应为0x80。

2.3 bootloader

这部分流程请仔细阅读通信手册3.2，第13页和14页，此处附上手册中的流程图。

首先，发送DOWNLOAD_INIT指令，手册中是下图，即ws（0x08，{0x14,0x01,0x29,0xc1}）

然后读CMD_STAT寄存器，直至该寄存器状态为READY，返回0x00 0x00 0xff。手册中如下图。即循环调用函数rs（0x08，data，3），直到data[2]是0xff。这部分检查CMD_STAT寄存器操作的部分后面常用到，后文使用简称cc（）。

然后Issus ADDR_RAM command，根据本文目标和手册的行文顺序，修正（简化）为下图这步。即，调用函数ws（0x08，{0x43,0x02,0x00,0x00,0xBA}）。

然后，检查CMD_STAT寄存器，即，调用cc（）。

此时，传感器已经做好接收固件的准备。对于下载固件，手册中描述如下。由于固件很大，不能单次下载完成，需要通过一系列W_RAM操作完成。

简而言之，就是ws（0x08，{0x41，n，hex1，hex2，... ，hexn，checksum}）。其中，n代表本次下载的固件字数，单次下载的n不能大于20，hex代表固件，checksum代表本次操作的校验和。

关于校验和，手册中描述如下。

简言之，将ws中的data部分，即，{0x41，n，hex1，hex2，... ，hexn，checksum}，全部相加，然后取最后两位的补码。给出计算check_sum的代码

uint8_t calculate_checksum(uint8_t cmd_stat, uint8_t size, uint8_t *data, uint8_t data_length)
{
    uint16_t sum = cmd_stat + size;
    for (int i = 0; i < data_length; i++)
    {
        sum += data[i];
    }
    return ~(sum & 0xFF); // 取最低字节的补码
}

每次传输完一部分固件后，都要检查CMD_STAT寄存器状态。即，调用cc（）。

固件下载完成后，发送RAMREMAP_RESET指令，手册原文如下。即，ws（0x08，{0x11,0x00,0xee}）

等待3ms后读取APPID寄存器，此时APPID应为0x03，传感器离开bootloader，进入应用。即，r（0x00）。

2.4 配置

请参考通信手册第21页，如下图，这里是最简易的配置步骤。本部分不会进行传感器校准。未经校准的传感器会载入默认校准数据，寄存器0x07会输出0x31或0x32报错。

首先载入默认配置，如下图。即w（0x08,0x16）

然后检查CMD_STAT寄存器状态，应返回单字0x00，即r（0x08），返回值应为0x00。本步检查后文常用，简化为c（check）。对于本步，就是c（0x00）。

需要检查配置页面是否被正确载入，如下图。即rs（0x20，data），需要data0=0x16，data2=0xbc，data3=0x00。

此时可以设定测量周期，手册给出的是100ms，即0x0064，如下图。即ws（24，{0x64,0x00}）

然后是设定SPAD类型，如下图。即w（0x34,0x06）。不同SPAD类型请参考数据手册23和24页。

硬禾的传感器板板载了一颗led，可以通过本步配置使其随测量进行闪烁，如下图配置传感器的GPIO0。即，调用w（0x31,0x03）。

最后将配置写入传感器，如下图。即，w（0x08,0x15）。

检查CMD_STAT寄存器状态。即，调用c（0x00）。

使能中断，如下图。即，w（0xe2,0x02）。

清除中断，如下图。即，w（0xe1,0xff）。

至此，一个简易的测量步骤已经结束，可以开始测量。

2.5 测量

请参考手册4.5和4.5，第36页。

开始测量，命令如下。即，w（0x08,0x10）

检查CMD_STAT寄存器状态。即，调用c（0x01）。注意！是c（0x01）。

现在测量已经开始，等待中断管脚产生下降沿即可，如图。请忽略第四条。

产生下降延后根据第二和第三条，需要w（0xe1，r（0xe1））

最后根据数据手册第39-40页中，appid=0x03，cid=0x10部分的寄存器定义读值即可。如，读取0x3a，即，调用r（0x3a）。

2.6 校准

手册建议传感器到手后应进行一次校准，否则会出现误差。根据本人测试，在未叠加任何光学设计之前，误差较小，因而未作校准。

三、液体分辨设计

本传感器有直方图模式，可以读取原始数据，基于此，可以应用于较复杂的光路设计中，如图1。图中液体A、B、C、D可以相同可以不同。箭头代指光路，图中仅画出第一条反射光线和最后一条，其余若干界面均会发生反射，图中忽略。根据若干个回波时间，即可得知激光在A、B、C、D中的飞行时间，进而求解折射率。

未命名文件.png

图1

由于时间问题，本设计并未采用直方图模式，即使对于定性测量而言，图1的若干反射，尤其是第一条反射光线会对传感器测量结果造成强烈干扰，重新设计装置结构如图2.将dToF与液体A的容器紧密相连，液体A容器与反射镜紧密相连，排除第一条反射光线干扰。液体容器为壁厚约1mm的塑料瓶，光路的单向长度约为80mm，因而忽略容器壁干扰。近似认为激光直接进入液体，经由反射镜反射返回传感器。

装置2.png

图2

使用装置如图2，测试多种液体，包含可乐的稀溶液，自来水，某运动饮料，结果发现各饮料距离数值差距显著，结果稳定，因而直接采用分段查找即可。参考常见液体折射率表，进行估算，水和酒精在本装置条件下伪距差距约为3mm左右，差距水平显著，符合结果数据。

四、实物图

成品装置如图所示，效果请参见视频，瓶身左侧应与传感器致密结合，此处为美观，并未增加固定装置。瓶身右侧贴有反光膜。

五、结论与未来

本文介绍了一种基于TMF8821和RP2040游戏机的液体分辨装置设计，成功实现了多种液体的分辨。由于数据样本不足，缺少测试仪器，不能对各液体折射率进行标定，因而本装置仅为定性测量。但是，如果传感器采用直方图模式，具有折射率测试相关仪器进行标定，本装置完全可以成为一种定量测量仪器。