2024艾迈斯欧司朗竞赛 - 基于dTOF8821和Arduino Cloud实现云平台实时距离检测

0.任务目标

任务四：1.使用Arduino UNO R4开发板结合dTOF8821模块获取当前距离信息。将获得的多路距离信息通过Arduino Cloud云平台的控件分别显示出来，同时在UNO R4的Matrix LED矩阵上以柱状形式显示距离的远近。

1. 硬件

1.1硬件连接演示图

硬件上根据dTOF8821模块的原理图和驱动手册，将模块的VCC与Arduino UNO R4的板载5V相连接，其中EN使能引脚与5V旁边的3.3V引脚相连接，即使模块处于上电即使能的状态。INT引脚与UNO R4的Pin6相连接。而用于dTOF8821模块IIC通讯的两个引脚直接与UNO R4的硬件IIC引脚相连接。

1.2硬件连接实物图

2.软件代码

2.1 dTOF8821模块驱动代码编写

TMF8821采用IIC进行通信，其I²C从机地址固定为0x41，基于第一节中介绍的硬件连接方式，所有的指令都应该通<Wire.h>库的硬件IIC进行下发和上传。在官方的《TMF8821 Host Driver Communication》文档提到了TMF的启动测量步骤：

总结下来可以分为7个步骤：1.设备准备检查。检查ENABLE寄存器（0xE0）确保设备就绪（bit6=1），若设备处于STANDBY状态（bit2=1），需先唤醒设备（写入0x21到ENABLE）2.​应用模式验证。读取APPID寄存器（0x00）确认运行的是测量应用（值应为0x03），检查MODE寄存器（0x10）确认模式为TMF8821（值0x00）。3.配置加载。发送LOAD_CONFIG_PAGE_COMMON命令（0x16）加载通用配置页。4.工厂校准加载。此步骤可省略。5.中断设置配置INT_ENAB寄存器（0xE2）启用结果中断。6.启动测量。发送MEASURE命令（0x10）到CMD_STAT寄存器（0x08）轮询CMD_STAT直到返回STAT_ACCEPTED（0x01）7.结果读取。读取0x20-0xA3寄存器获取132字节结果数据。

// 步骤1: 检查设备是否准备好
  if (!checkDeviceReady()) {
    Serial.println("DeviceNotReady");
    while(1);
  }

  // 步骤2: 确认应用模式 (APPID=0x03)
  uint8_t appId = readRegister(REG_APPID);
  if (appId != 0x03) {
    Serial.print("EXITAPPID: 0x");
    Serial.println(appId, HEX);
    while(1);
  }

  // 步骤3: 配置设备（示例：设置测量周期100ms）
configureDevice();

  // 步骤4: 加载工厂校准（需根据实际校准数据实现）
loadFactoryCalibration();

  // 步骤5: 启动测量
  sendCommand(CMD_MEASURE);
  Serial.println("MEASURESTART...");

  pinMode(INT_PIN, INPUT);        // 设置INT引脚为输入
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INT_PIN), intHandler, FALLING); // 下降沿触发中断
  

// 中断服务程序
void intHandler() {
  newDataAvailable = true;        // 设置标志位
}

// 检查设备是否就绪（ENABLE寄存器bit6=1）
bool checkDeviceReady() {
  uint8_t retry = 10;
  while (retry--) {
    uint8_t val = readRegister(REG_ENABLE);
    if ((val & 0x40) == 0x40) return true; // bit6=1表示就绪
    delay(10);
  }
  return false;
}

void configureDevice() {
  // 加载通用配置页
  sendCommand(0x16); // LOAD_CONFIG_PAGE_COMMON
  waitCommandDone();

  // 设置为3x3 zones模式（根据具体的寄存器定义修改）
  writeRegister(0x33, 0x03); // 假设寄存器0x33控制zone配置，值0x03选择3x3模式

  // 修改测量周期为100ms（寄存器0x24-0x25）
  writeRegister(0x24, 0x64); // LSB: 100 = 0x64
  writeRegister(0x25, 0x00); // MSB: 0

  // 提交配置
  sendCommand(0x15); // WRITE_CONFIG_PAGE
  waitCommandDone();
}

// 读取测量结果并打印
void readAndPrintResults() {
  Wire.beginTransmission(TMF8821_ADDR);
  Wire.write(REG_RESULT_START);
  Wire.endTransmission(false);

  uint8_t data[132];  
  Wire.requestFrom(TMF8821_ADDR, 132);
  for (int i = 0; i < 132; i++) {
    data[i] = Wire.read();
  }

  // 提取前4个距离值
  for (int zone = 0; zone < 4; zone++) {
    uint16_t distance = data[0x24 + zone * 3] | (data[0x25 + zone * 3] << 8);
    uint8_t confidence = data[0x26 + zone * 3];
    Serial.print("zone ");
    Serial.print(zone);
    Serial.print(": distance=");
    Serial.print(distance);
    Serial.println("\n");
    //Serial.print(" mm, confidence=");
    //Serial.println(confidence);
    switch (zone) {
  case 0:
    zone0 = distance;
    break;
  case 1:
    zone1 = distance;
    break;
      case 2:
    zone2 = distance;
    break;
      case 3:
    zone3 = distance;
    break;

  default:
    
    break;
}
}
}

// 发送命令并等待接受
void sendCommand(uint8_t cmd) {
  writeRegister(REG_CMD_STAT, cmd);
}

// 等待命令执行完成（STAT_OK=0x00）
void waitCommandDone() {
  while (true) {
    uint8_t stat = readRegister(REG_CMD_STAT);
    if (stat == 0x00) break;       // STAT_OK
    else if (stat >= 0x10) continue; // 命令未处理完成
    else {
      Serial.print("errorcode: 0x");
      Serial.println(stat, HEX);
      break;
    }
    delay(1);
  }
}

// 清除中断标志
void clearInterrupt(uint8_t reg, uint8_t mask) {
  writeRegister(reg, mask);
}

// 读寄存器
uint8_t readRegister(uint8_t reg) {
  Wire.beginTransmission(TMF8821_ADDR);
  Wire.write(reg);
  Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(TMF8821_ADDR, 1);
  return Wire.read();
}

// 写寄存器
void writeRegister(uint8_t reg, uint8_t val) {
  Wire.beginTransmission(TMF8821_ADDR);
  Wire.write(reg);
  Wire.write(val);
  Wire.endTransmission();
}

上述代码主要将dTOF8821配置为3x3区域的读取模式，但是在读取寄存器的距离数值中，仅提取了前4个值，其中第一个值用于下一节的Matrix LED模块做矩阵显示使用，后面3个值用于第三节Arduino Cloud平台的Advanced Chart插件显示使用(一个Advanced Chart插件最多支持3个通道的显示)

2.2 Matrix LED矩阵显示模块代码编写

Arduino官方为UNO R4的Matrix LED矩阵提供了网站(Led Matrix Editor)用于一键生成图案数组，结合《Arduino_LED_Matrix.h》库即可在UNO R4板卡上展示对应的图案。以本次项目中的矩阵图案为例，先在Led Matrix Editor上绘制对应图案：

根据这些图案点击右上角的下载按钮，即可生成对应的数组：

const uint32_t fullOn[] = {
	0xffffffff,
	0xffffffff,
	0xffffffff
};

const uint32_t two[] = {
		0x0,
		0xc000000,
		0x0,
};

const uint32_t four[] = {
		0x0,
		0xf000000,
		0x0,
};

const uint32_t six[] = {
		0x0,
		0xfc00000,
		0x0,
};

const uint32_t eight[] = {
		0x0,
		0xff00000,
		0x0,
};

const uint32_t ten[] = {
		0x0,
		0xffc0000,
		0x0,
};

const uint32_t eleven[] = {
		0x0,
		0xffe0000,
		0x0,
};


const uint32_t twelve[] = {
		0x0,
		0xffc0000,
		0x0,
};

结合距离解析判断函数和matrixled.loadFrame();即可显示对应的图案：

void distancetodisplay(int distance){
  if(distance<3000){
    matrix.clear();
  }else if((distance>=3000)&&(distance<5000)){
    matrix.loadFrame(two);
  }else if((distance>=5000)&&(distance<10000)){
    matrix.loadFrame(four);
  }else if((distance>=10000)&&(distance<15000)){
    matrix.loadFrame(six);
  }else if((distance>=15000)&&(distance<17500)){
    matrix.loadFrame(eight);
  }else if((distance>=17500)&&(distance<20000)){
    matrix.loadFrame(ten);
  }else if((distance>=20000)&&(distance<22500)){
    matrix.loadFrame(eleven);
  }else{
    matrix.loadFrame(twelve);
  }
}

2.3 Arduino Cloud 云平台编辑与使用

1.     首先在首页的Things选项卡中创建一个工程，依次在右侧Associated Device中选择UNO R4板卡，在NetWork中配置自己的无线路由名称与密码，配置界面如下图所示：

2.     在Things选项卡中切换到Sketch页面，在该页面编写工程相关代码，编写好代码后依次点击编译、下载按钮。首次使用应该下载Arduino Agnet插件方便Arduino Cloud访问本地硬件设备。

在Things选项卡中点击Setup，进入Cloud Variables页面，创建云平台与硬件开发板的交互变量，这里根据项目目标依次创建int型的Zone1、Zone2、Zone3的值。

最后在DashBoard选项卡中调用Advanced Chat插件并关联Zone1、Zone2、Zone3的值即可显示相关距离值

3.项目总结

本次项目通过Arduino的wire.h库的硬件IIC驱动了dTOF8821传感器获得了4路距离值，一路通过UNO R4的Matrix LED矩阵进行了矩阵显示，另外3路通过Arduino Cloud平台的Advanced Chat插件进行了实时显示。