基于ST ToF VL53L1X 人臉識別門禁測溫系統(tǒng)方案

核心技術(shù)優(yōu)勢/方案詳細規(guī)格/產(chǎn)品實體圖/PCB/方塊圖Datasheet/測試報告/Gerber/Schematics/User manual +一鍵獲取

面對突如其來的疫情，各行各業(yè)都在努力用專業(yè)為戰(zhàn)“疫”助力。體溫測量和人員追蹤是此次防控疫情的重要手段。隨著各地陸續(xù)復(fù)工，寫字樓、園區(qū)等上班場所為測體溫排起長隊的現(xiàn)象多有出現(xiàn)。如何既能完成體溫排查，又能減少對人們正常工作生活的影響，以及避免因排隊測溫引起的病毒傳播風(fēng)險，成為社會復(fù)工過程中的一個重要需求。

ST ToF VL53L1X產(chǎn)品助力人臉門禁測溫系統(tǒng)，該方案ToF主要工作目的是，上報被測人臉和熱電堆傳感器的距離，以便算法對熱電堆傳感器精度的衰減進行溫度補償，這樣能大大提高體溫的測量精確度。雖然ToF的代碼里面能夠返回的不僅僅是距離的數(shù)據(jù)，還有返回的光子量以及環(huán)境光干擾，但是對于大部分產(chǎn)品的應(yīng)用來說，都是需求ToF的測量距離，本方案也是需求ToF的測距數(shù)據(jù)，然后根據(jù)被測量人臉的距離用算法來對溫度進行補償，溫度的檢測一般都是有一定的衰減，只有通過算法的加持，才能保證產(chǎn)品的精確度。

本方案主要是介紹ToF VL53L1X產(chǎn)品的應(yīng)用，下面我們對ToF的原理技術(shù)、代碼流程做一個簡單的介紹。

VL53L1X是基于意法半導(dǎo)體專利FlightSense™技術(shù)的第三代激光測距傳感器，是最先進的飛行時間（ToF）激光測距傳感器，豐富了ST 的FlightSense™產(chǎn)品系列，可在有挑戰(zhàn)性的操作環(huán)境下提供最佳的測距性能，即使傳感器部署在一個深色保護蓋板后面。它包含一個SPAD（單光子雪崩二極管）感應(yīng)器陣列、一個基于人體一級安規(guī)VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）的集成的940nm不可見光源、以及一個低功耗嵌入式微控制器。該新一代傳感器的SPAD陣列上集成了一個鏡頭，可測量高達4米的距離，可在有挑戰(zhàn)性的操作環(huán)境下提供最佳的測距性能，即使傳感器部署在一個深色保護蓋板后面。

模塊系統(tǒng)框圖：

與傳統(tǒng)的IR傳感器不同，VL53L1X使用ST專有的FlightSense™技術(shù)，確保了在任何目標(biāo)顏色和反射率時的絕對距離測量。它還能通過對接收陣列上感興趣區(qū)域（ROI）的大小和位置編程來降低傳感器視場角（FoV）。VL53L1X設(shè)備接收器傳感陣列由16x16 SPADs(單光子雪崩二極管)組成，全對角線視場角FoV是27°，用戶可以通過軟件來自行選擇，但是最小的ROI配置為4x4 SPADs。一般應(yīng)用場景如果不是因為障礙物干擾了FoV與被測物，都不建議客戶去更改FoV，因為減小FoV會影響ToF測距性能，例如用17% 的灰卡作為被測物，設(shè)置4x4 SPADs，那只能測45cm左右的距離了。
接收陣列感興趣區(qū)域（ROI） ：

調(diào)整FoV相關(guān)代碼參考：

下面我們對ToF的整個測距流程結(jié)合代碼進行分析，首先我們先看一下整體的測距流程框圖：

一：等待device boot 就緒，VL53L1_WaitDeviceBooted() 函數(shù)的作用是確保設(shè)備已經(jīng)啟動并準(zhǔn)備就緒；
二：DataInit，調(diào)用VL53L1_DataInit()函數(shù)，在這個函數(shù)里可以根據(jù)設(shè)計電路、應(yīng)用需求進行配置：
如：默認的IOVDD供電電壓為1.8v,如果采用2.8v的供電方式，那需要在此選擇2V8 power mode 代碼部分；還有對VL53L1_CHECKENABLE_SIGNAL_RATE_FINAL_RANGE和 VL53L1_CHECKENABLE_SIGMA_FINAL_RANGE的閾值進行設(shè)置，SIGNAL是計算距離值的最少光子數(shù)目量，單位是MCps；SIGMA是對測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差的估計，單位是mm。如果SIGNAL或SIGMA超出了限制，則將測距標(biāo)記為無效。

三：StaticInit，加載設(shè)備設(shè)置；

四：設(shè)置測距模式，調(diào)用VL53L1_SetDistanceMode函數(shù)，有三個模式可以配置，短距離，中距離和長距離，用戶可以根據(jù)應(yīng)用的不同，選擇對應(yīng)的模式。Short模式測距能力在130cm左右, Medium模式測距能力在300cm左右, long 模式測距能力在400左右，這里設(shè)置的是long 模式。

五：Timing Budget設(shè)置，調(diào)用函數(shù)VL53L1_SetMeasurementTimingBudgetMicroSeconds。Timing Budget是用戶執(zhí)行一次范圍測量所分配的時間，一般來說Timing Budget設(shè)置長點，對于測量數(shù)據(jù)越精確。

六： Inter measurement budge設(shè)置，inter measurement是兩次測距操作之間的延遲。inter-measurement最小值必須大于Timing Budget +4毫秒。如果不滿足這個條件VL53L1_StartMeasurment函數(shù)將返回一個錯誤代碼(VL53L1_ERROR_INVALID_PARAMS)。

七：調(diào)用VL53L1_StartMeasurement()函數(shù)來啟動測量，測量模式包括輪詢和中斷模式，從代碼中可以看出，打印出的數(shù)據(jù)包括：RangeStatus、RangeMilliMeter、SignalRateRtnMegaCps、AmbientRateRtnMegaCps。RangeStatus含義是當(dāng)前數(shù)據(jù)的狀態(tài)，根據(jù)返回值來判斷測量的數(shù)據(jù)有效性，以及其它的FAIL項目；RangeMilliMeter代表毫米級的測量數(shù)據(jù)；SignalRateRtnMegaCps代表返回的光子量數(shù)目；AmbientRateRtnMegaCps代表的是環(huán)境光干擾的光子量數(shù)據(jù)。

八：下面是串口打印出的四組RangeStatus、RangeMilliMeter、SignalRateRtnMegaCps、AmbientRateRtnMegaCps信息：

另外還有要注意的是，雖然每顆芯片ST在出廠的時候都已經(jīng)做過校準(zhǔn)，但是由于我們在應(yīng)用的時候有增加保護蓋，以及產(chǎn)線焊接造成的一些干擾，那如果對測量的精度有一定的要求，那需要我們對整機產(chǎn)品出廠時做相關(guān)校準(zhǔn)，包括 RefSPAD, offset 和 crosstalk的校準(zhǔn)；
對于進行存在性檢測，可基于閾值和中斷設(shè)定，啟動自動低功耗模式，它能調(diào)整節(jié)省系統(tǒng)功耗，當(dāng)檢測到人或物體時自動關(guān)閉或喚醒主機。VL53L1X具有完整的文檔包，例如源代碼和軟件API（應(yīng)用編程接口），它與一系列微控制器和處理器兼容。X-NUCLEO擴展板、衛(wèi)星板和相關(guān)的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)使得應(yīng)用軟件開發(fā)和向系統(tǒng)集成變得非常容易。