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RA4M2开发TOF VL53L4CD(1)----轮询获取测距数据

ds 2025/5/11 9:31:31

RA4M2开发TOF VL53L4CD.1--轮询获取测距数据

  • 概述
  • 视频教学
  • 样品申请
  • 主要特点
  • 硬件准备
  • 参考程序
  • 源码下载
  • 通信模式
  • 速率
  • 新建工程
  • 工程模板
  • 保存工程路径
  • 芯片配置
  • 工程模板选择
  • 时钟设置
  • SWD调试口设置
  • UART配置
  • UART属性配置
  • 设置e2studio堆栈
  • e2studio的重定向printf设置
  • R_SCI_UART_Open()函数原型
  • 回调函数user_uart_callback ()
  • printf输出重定向到串口
  • IIC属性配置
  • IIC配置
  • R_SCI_I2C_Open()函数原型
  • R_SCI_I2C_Write()函数原型
  • R_SCI_I2C_Read()函数原型
  • sci_i2c_master_callback()回调函数
  • XSHUT
  • 参考程序
  • STSW-IMG026
  • XSHUT设置
  • 头文件
  • 获取版本信息
  • 获取ID
  • 测距流程
  • 初始化设备
  • 启动测距
  • 获取测距数据
  • 状态定义
  • 演示结果

概述

本文详细介绍了使用瑞萨（Renesas）RA4M2微控制器，以轮询（Polling）方式获取TOF VL53L4CD激光测距传感器的数据。首先简述了VL53L4CD传感器的基本特性与通信方式（I²C接口），随后给出了RA4M2与VL53L4CD的硬件连接示例和驱动移植方法，并着重阐述了通过轮询机制稳定获取测距数据的具体实现步骤与代码示例。文章提供了完整的初始化配置、测距流程、数据读取、错误处理及常见问题分析，帮助开发者快速上手与优化相关应用。

最近在瑞萨RA的课程，需要样片的可以加qun申请：925643491。
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视频教学

https://www.bilibili.com/video/BV1fTVNzFEk3/

RA4M2开发TOF VL53L4CD(1)----轮询获取测距数据

样品申请

https://www.wjx.top/vm/rCrkUrz.aspx

主要特点

VL53L4CD适用于接近测量和短距离测量，可实现从仅仅1 mm到1300 mm的超精准距离测量。新一代激光发射器具有18°视场 (FoV)，提高了环境光下的性能，其测距速度高达100Hz。
VL53L4CD具有可编程距离阈值的自主模式，因此能耗极低，非常适用于电池供电的设备。其完全内嵌的片上处理功能之所以有助于降低设计复杂性和BOM成本，是因为它可以与性能较弱、价格更便宜的微控制器搭配使用。

与所有基于意法半导体的FlightSense技术的飞行时间 (ToF) 传感器一样，无论目标颜色和反射率如何，VL53L4CD均可记录绝对距离测量。

VL53L4CD采用微型回流焊封装，集成了SPAD（单光子雪崩二极管）阵列，可在各种环境光照条件下实现最佳测距性能，适用于各种盖片材料。

所有意法半导体的ToF传感器都集成有VCSEL（垂直腔面发射激光器），可发射完全不可见的940 nm红外光，对肉眼十分安全（1类认证）。
● 高精度接近测距
○ 高性能接近传感器
○ 从0到1300 mm，全视野 (FoV)
○ 线性短距离低至1 mm
○ 18° FoV
○ 自主低功耗模式，通过可编程中断阈值唤醒主机
○ 快速测距频率高达100 Hz
● 完全集成的微型模块
○ 940 nm不可见激光发射器 (VCSEL) 和模拟驱动器
○ 运行高级数字固件的低功耗微控制器
○ 尺寸为4.4 x 2.4 x 1 mm
○ 引脚排列兼容VL53L0X、VL53L1X、VL53L1CB、VL53L3CX和VL53L4CX
● 可轻松集成
○ 可回流组件
○ 单电源2v8
○ 可隐藏在盖片之后
○ I²C接口（可达1 MHz）
○ 全套C软件驱动程序（兼容Linux），用于一站式测距
○ 嵌入式处理，以在主机中占用非常低内存

硬件准备

首先需要准备一个开发板，这里我准备的是自己绘制的开发板，需要的可以进行申请。
主控为R7FA4M2AD3CFL#AA0，TOF为VL53L4

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参考程序

https://github.com/CoreMaker-lab/RA4M2_VL53L4CD

https://gitee.com/CoreMaker/RA4M2_VL53L4CD

源码下载

通信模式

对于VL53L4CD，可以使用IIC进行通讯。
最小系统图如下所示。

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本文使用的板子原理图如下所示。

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速率

该模块支持的I2C速度最快位快速模式+(1M)。

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新建工程

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工程模板

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保存工程路径

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芯片配置

本文中使用R7FA4M2AD3CFL#AA0来进行演示。

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工程模板选择

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时钟设置

开发板上的外部高速晶振为12M.

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需要修改XTAL为12M。

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SWD调试口设置

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UART配置

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点击Stacks->New Stack->Connectivity -> UART(r_sci_uart)。

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UART属性配置

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设置e2studio堆栈

printf函数通常需要设置堆栈大小。这是因为printf函数在运行时需要使用栈空间来存储临时变量和函数调用信息。如果堆栈大小不足，可能会导致程序崩溃或不可预期的行为。
printf函数使用了可变参数列表，它会在调用时使用栈来存储参数，在函数调用结束时再清除参数，这需要足够的栈空间。另外printf也会使用一些临时变量，如果栈空间不足，会导致程序崩溃。
因此，为了避免这类问题，应该根据程序的需求来合理设置堆栈大小。

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e2studio的重定向printf设置

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在嵌入式系统的开发中，尤其是在使用GNU编译器集合（GCC）时，–specs 参数用于指定链接时使用的系统规格（specs）文件。这些规格文件控制了编译器和链接器的行为，尤其是关于系统库和启动代码的链接。–specs=rdimon.specs 和 --specs=nosys.specs 是两种常见的规格文件，它们用于不同的场景。
–specs=rdimon.specs
用途: 这个选项用于链接“Redlib”库，这是为裸机（bare-metal）和半主机（semihosting）环境设计的C库的一个变体。半主机环境是一种特殊的运行模式，允许嵌入式程序通过宿主机（如开发PC）的调试器进行输入输出操作。
应用场景: 当你需要在没有完整操作系统的环境中运行程序，但同时需要使用调试器来处理输入输出（例如打印到宿主机的终端），这个选项非常有用。
特点: 它提供了一些基本的系统调用，通过调试接口与宿主机通信。
–specs=nosys.specs
用途: 这个选项链接了一个非常基本的系统库，这个库不提供任何系统服务的实现。
应用场景: 适用于完全的裸机程序，其中程序不执行任何操作系统调用，比如不进行文件操作或者系统级输入输出。
特点: 这是一个更“裸”的环境，没有任何操作系统支持。使用这个规格文件，程序不期望有操作系统层面的任何支持。
如果你的程序需要与宿主机进行交互（如在开发期间的调试），并且通过调试器进行基本的输入输出操作，则使用 --specs=rdimon.specs。
如果你的程序是完全独立的，不需要任何形式的操作系统服务，包括不进行任何系统级的输入输出，则使用 --specs=nosys.specs。

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R_SCI_UART_Open()函数原型

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故可以用 R_SCI_UART_Open()函数进行配置，开启和初始化UART。

    /* Open the transfer instance with initial configuration. */err = R_SCI_UART_Open(&g_uart9_ctrl, &g_uart9_cfg);assert(FSP_SUCCESS == err);printf("hello world!\n");

回调函数user_uart_callback ()

当数据发送的时候，可以查看UART_EVENT_TX_COMPLETE来判断是否发送完毕。

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可以检查检查 “p_args” 结构体中的 “event” 字段的值是否等于 “UART_EVENT_TX_COMPLETE”。如果条件为真，那么 if 语句后面的代码块将会执行。

fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
volatile bool uart_send_complete_flag = false;
void user_uart_callback (uart_callback_args_t * p_args)
{if(p_args->event == UART_EVENT_TX_COMPLETE){uart_send_complete_flag = true;}
}

printf输出重定向到串口

打印最常用的方法是printf，所以要解决的问题是将printf的输出重定向到串口，然后通过串口将数据发送出去。
注意一定要加上头文件#include <stdio.h>

#ifdef __GNUC__                                 //串口重定向#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else#endifPUTCHAR_PROTOTYPE
{err = R_SCI_UART_Write(&g_uart9_ctrl, (uint8_t *)&ch, 1);if(FSP_SUCCESS != err) __BKPT();while(uart_send_complete_flag == false){}uart_send_complete_flag = false;return ch;
}int _write(int fd,char *pBuffer,int size)
{for(int i=0;i<size;i++){__io_putchar(*pBuffer++);}return size;
}

IIC属性配置

查看手册，可以得知VL53L4CD的IIC地址为“0101001”，即0x29。

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IIC配置

配置RA4M2的I2C接口，使其作为I2C master进行通信。
查看开发板原理图，对应的IIC为P407和P408。

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点击Stacks->New Stack->Connectivity -> I2C Master(r_sci_i2c)。

在这里插入图片描述

设置IIC的配置，需要注意从机的地址。

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R_SCI_I2C_Open()函数原型

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R_SCI_I2C_Open()函数为执行IIC初始化，开启配置如下所示。

    /* Initialize the I2C module */err = R_SCI_I2C_Open(&g_i2c2_ctrl, &g_i2c2_cfg);/* Handle any errors. This function should be defined by the user. */assert(FSP_SUCCESS == err);

R_SCI_I2C_Write()函数原型

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R_SCI_I2C_Write()函数是向IIC设备中写入数据，写入格式如下所示。

    err = R_SCI_I2C_Write(&g_i2c2_ctrl, &reg, 1, true);assert(FSP_SUCCESS == err);

R_SCI_I2C_Read()函数原型

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R_SCI_I2C_Read()函数是向IIC设备中读取数据，读取格式如下所示。

    /* Read data from I2C slave */err = R_SCI_I2C_Read(&g_i2c2_ctrl, data, len+1, true);assert(FSP_SUCCESS == err);

sci_i2c_master_callback()回调函数

对于数据是否发送完毕，可以查看是否获取到I2C_MASTER_EVENT_TX_COMPLETE字段。

在这里插入图片描述

/* Callback function */
i2c_master_event_t i2c_event = I2C_MASTER_EVENT_ABORTED;
uint32_t  timeout_ms = 100000;
void sci_i2c_master_callback(i2c_master_callback_args_t *p_args)
{i2c_event = I2C_MASTER_EVENT_ABORTED;if (NULL != p_args){/* capture callback event for validating the i2c transfer event*/i2c_event = p_args->event;}
}

XSHUT

XSHUT引脚是由主机连接和控制的，这种设计优化了功耗，因为设备在不使用时可以被完全关闭，然后通过主机使用XSHUT引脚来唤醒。当AVDD存在且XSHUT为低电平时，设备处于硬件待机模式（HW Standby mode）。如果XSHUT引脚不由主机控制，而是通过上拉电阻连接到AVDD，那么设备在固件启动（FW BOOT）后会自动进入软件待机（SW STANDBY），而不会进入硬件待机。

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参考程序

https://www.st.com.cn/zh/imaging-and-photonics-solutions/vl53l4cd.html#tools-software

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STSW-IMG026

VL53L4CD_ULD API 是一组控制 VL53L4CD 设备的 C 函数（例如，初始化和测距），用于开发最终用户应用程序。VL53L4CD ULD 是一款经过优化的驱动程序，仅需两个文件即可实现基本测距。该 API 可通过良好隔离的平台层（主要用于低级 I2C 访问）在任何平台上进行编译。提供了一个示例代码，用于演示如何使用该 API 并执行测距测量。

VL53L4CD 具备可编程距离阈值的自主模式，功耗极低，非常适合用于电池供电的设备。其完全嵌入式片上处理功能有助于降低设计复杂性和 BOM 成本，因为可以使用功能更强大、成本更低的微控制器。
下载完毕之后导入到路径中。

在这里插入图片描述
添加路径。

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添加源位置。

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XSHUT设置

   R_IOPORT_PinWrite(&g_ioport_ctrl, BSP_IO_PORT_04_PIN_02, BSP_IO_LEVEL_HIGH);

头文件

在主程序中添加对应头文件。

#include "VL53L4CD_api.h"

添加变量定义。

int status;
volatile int IntCount;
uint8_t p_data_ready;
uint16_t dev, sensor_id;
VL53L4CD_ResultsData_t results;     /* Results data from VL53L4CD */
VL53L4CD_Version_t sw_version;  /* Driver version */
void get_data_by_polling(Dev_t dev);

获取版本信息

函数 VL53L4CD_GetSWVersion() 的作用是获取当前VL53L4CD驱动软件的版本信息。
该函数会返回VL53L4CD驱动程序当前的软件版本信息，包括：
● major（主版本号）
● minor（次版本号）
● build（构建号）
● revision（修订号）

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    dev = 0x52;status = VL53L4CD_GetSWVersion(&sw_version);printf("Starting VL53L4CD driver version %u.%u.%u\n",sw_version.major,sw_version.minor,sw_version.build);

获取ID

函数 VL53L4CD_GetSensorId() 的作用是获取 VL53L4CD 传感器的设备标识（Sensor ID），用于确认当前连接的硬件是否正确。
根据数据手册定义，VL53L4CD传感器的正确ID应为 0xEBAA。

在这里插入图片描述

    /* Check if VL53L4CD is connected. 0xebaa is the sensor id. */status = VL53L4CD_GetSensorId(dev, &sensor_id);if(status || (sensor_id != 0xebaa)){printf("VL53L4CD not detected\n");return status;}else{printf("vl53l4 id=0x%x\n",sensor_id);}

测距流程

下图展示了 VL53L4CD 传感器测距的一般使用流程（Ranging flow）。具体的流程和函数调用顺序如下：

在这里插入图片描述

  1. 初始化传感器 (Initialize sensor)：
    ○ 调用函数：VL53L4CD_SensorInit()
    ○ 用途：对传感器进行基本初始化，确保可以正常测距。
  2. （可选）校准传感器 (Calibrations)：
    ○ 校准传感器或加载已有的校准数据，包括偏移量（Offset）和串扰（Crosstalk）的校准。
    ○ 调用对应校准函数，例如：
    ■ 偏移校准: VL53L4CD_CalibrateOffset()
    ■ 串扰校准: VL53L4CD_CalibrateXtalk()
  3. （可选）配置传感器 (Configure sensor)：
    ○ 设置测量参数，如测距时间预算（Timing Budget）、测量间隔（InterMeasurement）、距离阈值（Distance thresholds）等。
    ○ 调用对应函数：
    ■ VL53L4CD_SetRangeTiming()
    ■ VL53L4CD_SetDetectionThresholds()
  4. 启动测距 (Start ranging)：
    ○ 调用函数：VL53L4CD_StartRanging()
    ○ 用途：开始连续或单次测距。
  5. 等待数据准备好 (Wait for data ready)：
    ○ 调用函数：VL53L4CD_CheckForDataReady()（轮询模式）或通过 GPIO1 引脚中断通知。
    ○ 用途：确认测距结果已准备好。
  6. 读取测距数据 (Get measurements)：
    ○ 调用函数：VL53L4CD_GetResult()
    ○ 用途：获取测距结果（距离值、信号强度、环境噪声、测距状态等）。
  7. 清除中断标志 (Clear interrupt)：
    ○ 调用函数：VL53L4CD_ClearInterrupt()
    ○ 用途：在读取数据后清除传感器的中断，以便进行下一次测量。
  8. 停止测距 (Stop ranging)：
    ○ 调用函数：VL53L4CD_StopRanging()
    ○ 用途：停止测距过程，以降低功耗或结束测量循环。
    以上是VL53L4CD传感器标准的测距过程与函数调用顺序。

初始化设备

函数 VL53L4CD_SensorInit() 的作用是对 VL53L4CD 传感器进行初始化操作，以确保传感器能够正确工作并加载默认配置。

    status = VL53L4CD_SensorInit(dev);printf("ok!\n");

启动测距

启动测距操作。根据传感器之前的配置（主要是测量间隔 InterMeasurement 的设置）决定传感器运行模式：
● 连续模式（Continuous Mode）：
○ 当 InterMeasurement = 0 时，每次测距完成后立刻进行下一次测距，无间隔。
○ 这种模式会导致传感器持续不断地测量，适合对响应时间要求较高的应用。
● 自主低功耗模式（Autonomous Low Power Mode）：
○ 当 InterMeasurement > 0 且大于测距时间预算 (TimingBudget) 时，测量完成后传感器自动进入低功耗模式，直到 InterMeasurement 间隔时间结束，再重新启动下一次测距。
○ 适用于需要降低功耗但对测量频率要求不高的应用。

在这里插入图片描述

   printf("Ranging starts\n");status = VL53L4CD_StartRanging(dev);

获取测距数据

通过轮询方式 (Polling) 从VL53L4CD传感器获取测距数据。
● 调用 VL53L4CD_CheckForDataReady 检查数据是否已准备好；
● 如果数据已准备 (p_data_ready 为真)，则调用 VL53L4CD_GetResult 获取测距结果；
● 输出测量结果（状态、距离、信号强度）；
● 使用 VL53L4CD_ClearInterrupt 清除中断，准备下一次测量；
● 若数据未准备好，延迟5毫秒再检查。

void get_data_by_polling(Dev_t dev)
{VL53L4CD_Error status;VL53L4CD_ResultsData_t results;uint8_t data_ready = 0;while(1){/* 检测数据是否准备好 */status = VL53L4CD_CheckForDataReady(dev, &data_ready);if(status != VL53L4CD_ERROR_NONE){printf("Error checking data ready: %d\n", status);continue;  // 出错则跳过本次循环}if(data_ready){/* 获取测距结果 */status = VL53L4CD_GetResult(dev, &results);if(status == VL53L4CD_ERROR_NONE){if(results.range_status == 0)  // 数据有效{printf("Valid Data: Distance = %5u mm, Signal = %6u kcps/spad\n",results.distance_mm,results.signal_per_spad_kcps);}else  // 数据无效{printf("Invalid Data! Range status: %u\n", results.range_status);}}else{printf("Error getting results: %d\n", status);}/* 清除中断以进行下一次测量（必需操作） */status = VL53L4CD_ClearInterrupt(dev);if(status != VL53L4CD_ERROR_NONE){printf("Error clearing interrupt: %d\n", status);}}else{/* 数据未准备好，稍作等待，减少CPU负载 */R_BSP_SoftwareDelay(5U, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);}/* 可以在此处加入退出条件或停止机制（如检测外部标志位） */}
}

主程序中调用该函数。

    get_data_by_polling(dev);

状态定义

在这里插入图片描述

演示结果

正确量程下结果如下所示。

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

超出量程如下所示。

在这里插入图片描述

http://www.xdnf.cn/news/4489.html

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