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Déployer rapidement la détection de la distance par temps de vol grâce à une solution pré-conçue

Par Stephen Evanczuk

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

La technologie du temps de vol (ToF) est de plus en plus utilisée pour la mesure de distance et la détection de proximité dans des domaines d'application s'étendant des produits grand public aux équipements industriels. La disponibilité de circuits intégrés de traitement ToF monopuces simplifie l'implémentation de ces solutions, mais les développeurs doivent toujours effectuer des tâches essentielles, comme la recherche et l'optimisation d'émetteurs et de photodiodes appropriés, et l'intégration de ces dispositifs au processeur ToF. Une approche plus intégrée peut simplifier considérablement le processus et faire gagner du temps.

Pour ce faire, Digilent a développé une carte d'extension ToF pré-conçue qui, lorsqu'elle est combinée à une carte système hautes performances et à une bibliothèque logicielle associée, fournit une solution ToF matérielle complète. Les développeurs peuvent maintenant commencer immédiatement le prototypage d'applications ToF ou utiliser ces outils matériels et logiciels comme base pour la conception de solutions matérielles et logicielles ToF personnalisées.

Cet article décrit brièvement le fonctionnement des capteurs ToF. Il présente ensuite la carte ToF Pmod de Digilent et montre comment l'utiliser en combinaison avec la carte de développement Zybo Z7-20 de Digilent pour évaluer la technologie ToF et déployer rapidement la détection optique de la distance dans ses propres conceptions.

Fonctionnement des capteurs ToF

Les capteurs ToF jouent un rôle important dans des applications de plus en plus variées. Dans les véhicules et les équipements industriels, ces capteurs aident à avertir les opérateurs des obstacles lorsqu'ils se garent ou effectuent des manœuvres dans des espaces restreints. Dans les applications grand public, ces dispositifs fournissent la détection de proximité dans les produits mobiles et les systèmes domotiques. Dans ces applications et dans d'autres, les systèmes ToF optiques calculent la distance par rapport à un objet ou un obstacle externe en utilisant différentes méthodes qui reposent toutes sur une certaine différence entre la lumière réfléchie par l'objet externe et la lumière initialement émise.

Un dispositif ToF avancé comme le circuit intégré de traitement de signaux basé sur la technologie ToF ISL29501 de Renesas calcule la distance en mesurant le déphasage entre la lumière émise par une LED ou un laser externe et la lumière reçue à partir d'une photodiode. Lorsque l'ISL29501 émet de la lumière (Tx) modulée par une onde carrée à une fréquence fm donnée, le signal optique réfléchi (Rx) à partir d'un objet revient à l'ISL29501 à une amplitude atténuée R avec un certain déphasage j (Figure 1).

Schéma de dispositifs ToF avancés comme l'ISL29501 de RenesasFigure 1 : Les dispositifs ToF avancés comme l'ISL29501 de Renesas utilisent leurs capacités internes de traitement des signaux numériques pour calculer la distance par rapport à des objets en fonction du déphasage j entre la lumière émise et la lumière réfléchie. (Source de l'image : Renesas)

En mesurant ce déphasage, le dispositif peut calculer la distance D :

Équation 1 Équation 1

Où :

D = distance par rapport à la cible

c = vitesse de la lumière

fm = fréquence de modulation

φ = angle de phase (radians)

Étant donné que le signal à fréquence modulée fm et la vitesse de la lumière c sont connus, la distance peut être calculée en trouvant le facteur restant : l'angle de phase φ. Ce facteur peut être calculé avec des techniques de traitement des signaux en quadrature traditionnelles. Ici, les éléments de signal en phase (I) et en quadrature (Q) sont générés par des trajets de signal I et Q distincts, comprenant un démodulateur, un filtre passe-bas (LPF) et un convertisseur analogique-numérique (CAN) (Figure 2).

Schéma de la démodulation, du filtrage et de la conversion des éléments de signal en phase par l'ISL29501 de Renesas Figure 2 : Pour calculer l'angle de phase φ requis pour son calcul de la distance, l'ISL29501 de Renesas effectue une démodulation, un filtrage et une conversion des éléments de signal en phase (I) et en quadrature (Q) du signal d'entrée (VIN). (Source de l'image : Renesas)

En interne, l'ISL29501 intègre un trajet du signal complet qui précède le pipeline de démodulation avec un étage de mise en forme des signaux avec circuit d'entrée analogique (AFE) constitué d'un amplificateur d'adaptation d'impédance (TIA) et d'un amplificateur à faible bruit (LNA). Le trajet du signal d'entrée de l'ISL29501 suit le circuit d'entrée analogique avec une boucle de commande automatique de gain (CAG) à gain variable (Av) qui utilise ses algorithmes intégrés pour optimiser le rapport signal/bruit (SNR).

Du côté de la sortie, l'ISL29501 intègre une chaîne de circuit d'attaque d'émetteur capable d'envoyer des impulsions à onde carrée à une fréquence de modulation de 4,5 mégahertz (MHz) et un courant d'attaque jusqu'à 255 milliampères (mA) vers un émetteur approprié. Pour compléter cette architecture fonctionnelle, un processeur de signaux numériques (DSP) interne gère les calculs requis pour générer la distance à partir des données de phase, d'amplitude et de fréquence (Figure 3).

Schéma de l'ISL29501 de Renesas qui combine des trajets de signaux pour commander un émetteur et traiter une entrée de photodiodeFigure 3 : L'ISL29501 de Renesas combine des trajets de signaux pour commander un émetteur et traiter une entrée de photodiode avec un processeur de signaux numériques interne qui exécute des algorithmes utilisés pour calculer la distance à partir des données de phase, d'amplitude et de fréquence. (Source de l'image : Renesas)

Choisir des émetteurs et des photodiodes

Grâce à l'intégration d'une entrée de photodiode, d'une sortie d'émetteur et de capacités de traitement, l'ISL29501 fournit une base matérielle flexible pour la création de solutions de détection de la distance grâce à la technologie ToF. Certaines fonctionnalités, comme le circuit d'entrée analogique et la boucle de commande automatique de gain du côté de l'entrée, et le circuit d'attaque d'émetteur programmable du côté de la sortie, sont spécialement conçues pour prendre en charge un large éventail d'émetteurs et de photodiodes. Dans le même temps, l'efficacité d'une solution ToF complète dépend essentiellement de l'attention portée à la sélection et à la configuration de l'émetteur et de la photodiode.

Pour l'émetteur, par exemple, la flexibilité de l'ISL29501 permet aux développeurs de choisir parmi un large éventail de LED infrarouges (IR), de lasers à cavité verticale et à émission par la surface (VCSEL) ou d'autres dispositifs lasers avec des spécifications de tension, de courant et de fréquence compatibles. En fait, une solution ToF typique est relativement insensible au type d'émetteur. Néanmoins, l'utilisation d'un dispositif proche infrarouge (NIR) ou infrarouge à longueur d'onde moyenne (MWIR) est recommandée pour réduire les interférences provenant de sources de lumière ambiante. Après avoir sélectionné le dispositif, le développeur doit déterminer le courant d'attaque d'impulsion de l'émetteur optimal ainsi que tout composant de courant CC potentiellement requis. Ensuite, le développeur doit programmer le dispositif pour qu'il envoie l'impulsion et le courant CC facultatif à l'aide des convertisseurs numérique-analogique (CNA) internes distincts qui sont intégrés à la chaîne de sortie du circuit d'attaque de l'émetteur.

De même, l'ISL29501 peut prendre en charge un large éventail de photodiodes, mais l'application et le choix de l'émetteur jouent un rôle clé dans la détermination de l'option optimale. Comme avec l'émetteur, une photodiode fonctionnant à des longueurs d'onde proche infrarouge ou moyenne aide à réduire les interférences provoquées par la lumière ambiante. Idéalement, la courbe de réponse spectrale de la photodiode doit être aussi étroite que possible, avec un pic centré sur la longueur d'onde du pic de l'émetteur pour optimiser le rapport signal/bruit. Même si la photodiode a besoin de maximiser la quantité de lumière qu'elle est capable de recueillir, l'augmentation de la zone de la photodiode entraîne également une capacité supérieure (capacité de jonction et capacité parasite), qui peut compromettre le temps de réponse de la photodiode et sa capacité à suivre les temps de montée et de descente de l'émetteur. De ce fait, les développeurs ont besoin de trouver l'équilibre optimal entre zone de photodiode et capacité interne nécessaire pour optimiser l'amplitude du signal sans compromettre les performances.

Solution ToF intégrée

Conçue pour accélérer le développement d'applications ToF, la carte ToF Pmod de Digilent fournit une solution ToF prête à l'emploi qui combine le circuit intégré ToF ISL29501 de Renesas, une mémoire EEPROM AT24C04D de Microchip Technology, une LED IR et une photodiode dans une carte compacte avec un hôte Pmod à six broches et des connecteurs traversants pour l'ajout de cartes d'extension Pmod supplémentaires (Figure 4).

Image de la carte ToF Pmod de DigilentFigure 4 : La carte ToF Pmod de Digilent fournit une solution de capteur ToF complète, conçue pour se connecter à des cartes système avec des connecteurs Pmod. (Source de l'image : Digilent)

Pour la source de lumière et le détecteur, la carte associe une LED 860 nanomètres (nm) haute puissance SFH 4550 d'OSRAM Opto Semiconductors à une photodiode SFH 213 FA d'OSRAM qui présente un délai de commutation rapide, une sensibilité spectrale de 750 nm à 1100 nm et une sensibilité de crête à 900 nm.

Même si l'ISL29501 de Renesas ne nécessite pas de composants supplémentaires pour les dispositifs à LED et à photodiode associés, il nécessite une source appropriée de 2,7 V à 3,3 V pour chacun de ses trois domaines de puissance alimentés par des broches distinctes pour sa source de tension analogique (AVCC), sa source de tension numérique (DVCC) et sa tension d'attaque de l'émetteur (EVCC). Même si celles-ci peuvent être fournies par la même source, Renesas recommande d'isoler ces trois alimentations. Comme l'illustre le schéma ToF Pmod de Digilent, Digilent réalise cet isolement pour la carte ToF grâce à des perles de ferrite BLM15BD471SN1D de Murata Electronics et à des condensateurs pour chaque alimentation (Figure 5).

Schéma de la carte ToF Pmod de DigilentFigure 5 : La carte ToF Pmod de Digilent offre à la fois une solution matérielle immédiate pour un prototypage rapide et une conception de référence pour des systèmes ToF personnalisés. (Source de l'image : Digilent)

Environnement de développement

Digilent contribue à accélérer davantage l'implémentation d'applications ToF avec un environnement de développement basé sur la carte Zybo Z7-20 de Digilent. La carte fournit un environnement d'exploitation hautes performances conçu autour du système sur puce entièrement programmable (APSoC) Zynq XC7Z020 de Xilinx. Cet APSoC intègre un processeur Arm® Cortex®-A9 double cœur avec une structure programmable étendue incluant la prise en charge de 53 200 tables de correspondance (LUT), 106 400 bascules et 630 kilo-octets (Ko) de mémoire vive (RAM). Outre l'APSoC Zynq XC7Z020 de Xilinx, la carte Zybo Z7-20 inclut 1 gigaoctet (Go) de RAM, 16 mégaoctets (Mo) de mémoire Flash SPI quadruple, plusieurs interfaces, des connecteurs et six ports d'extension Pmod.

Conçue pour s'exécuter sur la carte Zybo Z7-20, la distribution logicielle ZyboZ7-20 PmodToF-Demo de Digilent inclut le kit de développement logiciel (SDK) pour sa bibliothèque logicielle à blocs hiérarchiques ToF Pmod. Cette bibliothèque fournit aux développeurs une interface de programmation (API) intuitive pour créer des applications basées sur des pilotes et des modules de prise en charge dans le SDK de Xilinx ou fournis par Digilent pour la carte ToF Pmod (Figure 6).

Image de la bibliothèque logicielle à blocs hiérarchiques ToF Pmod de DigilentFigure 6 : La bibliothèque logicielle à blocs hiérarchiques ToF Pmod de Digilent renforce les pilotes d'interface de bas niveau dans le SDK de Xilinx avec des modules pour le capteur ISL29501 de Renesas, la mémoire EEPROM et les services ToF Pmod. (Source de l'image : Digilent)

La bibliothèque Digilent combine des pilotes de bas niveau pour les communications I2C, GPIO et UART du SDK de Xilinx avec des modules qui implémentent des opérations au niveau du registre pour la mémoire EEPROM de la carte ToF Pmod de Digilent et le dispositif ISL29501 de Renesas. Par exemple, le module ISL29501 fournit une fonction pour exécuter une mesure de la distance avec l'ISL29501. Étant donné que l'ISL29501 implémente en interne la séquence détaillée des opérations requises pour effectuer cette mesure, l'exécution de la mesure de la distance ne nécessite qu'une configuration initiale et une série de lectures et d'écritures de registre. Le module ISL29501 de la bibliothèque Digilent fournit les fonctions pour implémenter des opérations ISL29501 spécifiques, notamment une pour effectuer une mesure de la distance (Liste 1).

Copier double PmodToF_perform_distance_measurement() {     /* WRITE REG */     u8 reg0x13_data = 0x7D;     u8 reg0x60_data = 0x01;     /* READ REG */     u8 unused;     u8 DistanceMSB;     u8 DistanceLSB;       double distance = 1;     ISL29501_WriteIIC(&myToFDevice, 0x13, &reg0x13_data, 1);     ISL29501_WriteIIC(&myToFDevice, 0x60, &reg0x60_data, 1);     ISL29501_ReadIIC(&myToFDevice, 0x69, &unused, 1);     CALIB_initiate_calibration_measurement();        //waits for IRQ     while((XGpio_DiscreteRead(&gpio, GPIO_CHANNEL) & GPIO_DATA_RDY_MSK) != 0 );     ISL29501_ReadIIC(&myToFDevice, 0xD1, &DistanceMSB, 1);     ISL29501_ReadIIC(&myToFDevice, 0xD2, &DistanceLSB, 1);     distance =(((double)DistanceMSB * 256 + (double)DistanceLSB)/65536) * 33.31;     return  distance; } 

Liste 1 : Les fonctions logicielles incluses dans le module ISL29501 de la bibliothèque Digilent implémentent des opérations au niveau du registre, comme l'exécution d'une mesure de la distance (illustrée ici). (Source du code : Digilent)

Le module PmodToF de la bibliothèque Digilent fournit des services de niveau plus élevé reposant sur ces modules de niveau plus bas. Par exemple, pour exécuter et afficher une mesure, la fonction PmodToFCMD_MeasureCmd() du module PmodToF fait appel à la fonction PmodToF_perform_distance_measurement() au niveau du registre du module ISL29501 à plusieurs reprises et affiche la moyenne des résultats (Liste 2).

Copier /***   PmodToFCMD_MeasureCmd ** **     Parameters: **     none ** **     Return Value: **          ERRVAL_SUCCESS              0       // success ** **     Description: **            This function displays over UART the distance measured by the device.
**            Before calling this function, it is important that a manual calibration was made or the calibration **            was imported(calibration stored by the user in EEPROM user area )/restored from EEPROM(factory calibration).
*/ void PmodToFCMD_MeasureCmd() {        int N = 100, sum = 0;        int distance_val, distance_val_avg;        // 100 distance values that are measure will be averaged into a final distance value        for(int j=0;j<N;j++)        {               distance_val = 1000 * PmodToF_perform_distance_measurement(); // the distance value is in millimeters               sum = sum + distance_val;        }        distance_val_avg = sum/N;     sprintf(szMsg, "Distance measured D = %d mm.", distance_val_avg);     ERRORS_GetPrefixedMessageString(ERRVAL_SUCCESS, "", szMsg);     UART_PutString(szMsg); } 

Liste 2 : Les fonctions logicielles incluses dans le module PmodToF de la bibliothèque Digilent fournissent des services au niveau de l'application, comme l'affichage de la moyenne de plusieurs mesures de la distance (illustré ici). (Source du code : Digilent)

Les développeurs peuvent utiliser l'ensemble complet de modules dans la bibliothèque logicielle à blocs hiérarchiques ToF Pmod de Digilent ou utiliser uniquement l'ensemble minimal de modules requis pour leur application. Toutefois, pour chaque application, les développeurs doivent effectuer des étalonnages de l'ordre de grandeur, de la diaphonie et de la distance afin d'assurer la précision des résultats. Même si l'ordre de grandeur est un étalonnage interne, les deux autres nécessitent une certaine configuration. Pour l'étalonnage de la diaphonie, il suffit aux développeurs de bloquer les dispositifs optiques avec un morceau de mousse inclus avec la carte avant d'effectuer les opérations d'étalonnage. Pour l'étalonnage de la distance, les développeurs doivent placer la carte ToF avec les composants optiques à une certaine distance connue d'une cible à réflectivité IR élevée avant d'effectuer les opérations d'étalonnage. Même si l'ISL29501 n'inclut pas de mémoire non volatile, les développeurs peuvent enregistrer de nouvelles valeurs d'étalonnage dans la mémoire EEPROM de la carte ToF Pmod et charger ces valeurs lors des procédures d'initialisation du logiciel.

Cette combinaison d'outils matériels et logiciels prêts à l'emploi fournit une base utilisable immédiatement pour créer des applications ToF optiques. Pour un prototypage rapide, les développeurs peuvent exécuter immédiatement le logiciel d'exemple de la bibliothèque en utilisant la carte ToF Pmod et la carte Zybo Z7-20 de Digilent. Pour un développement personnalisé, les développeurs peuvent utiliser la conception de référence matérielle représentée par la carte ToF Pmod, ainsi que le code de logiciel fourni dans la bibliothèque de Digilent.

Conclusion

Même si les circuits intégrés de traitement ToF monopuces permettent de simplifier l'implémentation de solutions ToF pour de nombreuses applications, les développeurs doivent toujours trouver des émetteurs et des photodiodes appropriés pour l'intégration. Comme illustré ici, une solution plus accessible consiste à utiliser une carte d'extension ToF pré-conçue et une carte système hautes performances. Ensemble, elles offrent une solution ToF matérielle complète. En combinant cette solution matérielle avec une bibliothèque logicielle associée, les développeurs peuvent immédiatement commencer le prototypage d'applications ToF ou utiliser ces outils matériels et logiciels comme base pour la conception de solutions matérielles et logicielles ToF personnalisées.

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À propos de l'auteur

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk affiche plus de 20 ans d'expérience dans la rédaction de contenu pour et sur l'industrie électronique, couvrant un large éventail de sujets, notamment le matériel, les logiciels, les systèmes et les applications, y compris l'IoT. Il a obtenu son doctorat (Ph.D.) en neurosciences sur les réseaux neuronaux et a travaillé dans l'industrie aérospatiale sur les systèmes sécurisés massivement distribués et les méthodes d'accélération par algorithmes. Actuellement, lorsqu'il n'écrit pas d'articles techniques, il travaille sur l'application de l'apprentissage approfondi pour les systèmes de reconnaissance et de recommandation.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key