探索AFBR - S50LX85D：高精度飛行時間傳感器模塊的卓越性能

在當(dāng)今的電子設(shè)備設(shè)計中，對于高精度、小尺寸且低功耗的距離和運(yùn)動測量傳感器的需求日益增長。博通（Broadcom）的AFBR - S50LX85D飛行時間（ToF）傳感器模塊，憑借其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了巨大的潛力。今天，我們就來深入了解一下這款傳感器模塊。

文件下載：Broadcom AFBR-S50LX85D飛行時間傳感器模塊.pdf

產(chǎn)品概述

AFBR - S50LX85D是一款基于光學(xué)飛行時間原理的多像素光學(xué)距離和運(yùn)動測量傳感器模塊。它專為需要在較長距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速、高精度測量的應(yīng)用而設(shè)計，同時具備小尺寸和極低功耗的特點(diǎn)。即使在陽光直射的戶外環(huán)境中，由于其出色的環(huán)境光抑制能力，也能正常工作。該模塊能夠準(zhǔn)確測量白色、黑色、彩色表面以及金屬和回射表面的距離。

規(guī)格與特性

規(guī)格參數(shù)

• 電源供應(yīng)：采用單一5V電源供電，典型電流消耗為33mA。
• 光源：集成850 - nm紅外激光光源，典型光峰值輸出功率為80mW，典型光平均輸出功率小于0.6mW。
• 接收器：擁有32像素的接收器，每個像素的視場角為1.55°×1.55°，發(fā)射器光束寬度為2°×2°，可同時照亮1 - 3個像素。
• 測量范圍：最大測量距離可達(dá)50m及以上。
• 工作溫度：環(huán)境工作溫度范圍為 - 20°C至70°C。
• 接口：采用數(shù)字串行外設(shè)接口（SPI），時鐘頻率最高可達(dá)25MHz。
• 尺寸：無引腳尺寸為L×W×H = 12.4mm×7.6mm×7.9mm。

特性亮點(diǎn)

• 高環(huán)境光適應(yīng)性：可在高達(dá)200klx的環(huán)境光下正常工作。
• 集成校準(zhǔn)時鐘源：確保測量的高精度和穩(wěn)定性。
• 高精度測量：典型精度誤差低于±2%。
• 寬無歧義測量范圍：在雙頻（2f）模式下，無歧義測量范圍可達(dá)200m。
• 系統(tǒng)健康監(jiān)測：配備參考像素，用于系統(tǒng)健康監(jiān)測。
• 激光安全：符合Class 1激光安全標(biāo)準(zhǔn)，對人眼安全。

功能描述

光學(xué)系統(tǒng)

模塊集成了850 - nm垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）作為不可見紅外照明光源，接收器的集成透鏡直徑為6mm，每個像素的視場角為1.55°。發(fā)射器與接收器精確對準(zhǔn)，可根據(jù)目標(biāo)物體的距離、反射率以及軟件像素合并算法的設(shè)置，同時照亮1 - 3個像素。此外，系統(tǒng)還能補(bǔ)償近距離的視差誤差，確保在整個測量范圍內(nèi)都能獲得良好的像素強(qiáng)度，并為系統(tǒng)提供運(yùn)動、速度、傾斜角度等上下文信息。

測量范圍

在室內(nèi)環(huán)境中，對于最小反射率為30%的目標(biāo)，最大檢測距離可達(dá)50m。在強(qiáng)光直射的戶外惡劣條件下（如100klx的典型中午陽光光譜AM 1.5），最大檢測距離會減小至小于50m。模塊支持最高100Hz幀率的雙頻模式。

硬件與軟件配合

模塊本身沒有帶固件的處理器，所有硬件配置、校準(zhǔn)和測量步驟都由外部微控制器通過ToF驅(qū)動軟件完成。驅(qū)動軟件以庫的形式提供，獨(dú)立于Arm Cortex - M系列的底層硬件平臺。軟件開發(fā)套件（SDK）中還提供了示例軟件應(yīng)用，如距離和方向的提取與圖形顯示。

模塊引腳與操作

引腳設(shè)計

模塊外殼的引腳長4.3mm，頭部有1.0mm的導(dǎo)電環(huán)，適用于波峰焊，不允許回流焊。使用時需避免引腳頭部導(dǎo)電環(huán)短路，由于外殼不密封且有通風(fēng)孔用于壓力平衡，因此不允許清洗或使用助焊劑清潔。

電源供應(yīng)

模塊采用5.0V電源，分為激光和傳感器供電軌。建議進(jìn)行單獨(dú)的局部阻塞和濾波，以避免激光產(chǎn)生的電氣串?dāng)_進(jìn)入傳感器供電。

引腳配置

性能與應(yīng)用

光學(xué)性能

AFBR - S50LX85D具有出色的光學(xué)性能，發(fā)射波長為840 - 865nm，光束發(fā)散角為1.5 - 2.5°。在不同的像素配置和積分時間下，支持最高3000Hz的幀率。測量范圍為5 - 50000mm，距離分辨率可達(dá)0.1mm，相對距離精度為±2%，環(huán)境光抑制能力可達(dá)100000 - 200000lx。

應(yīng)用場景

該模塊的應(yīng)用場景十分廣泛，包括但不限于距離測量、人機(jī)界面、機(jī)器人、自動化控制、安全監(jiān)控、庫存監(jiān)測和無人機(jī)導(dǎo)航等領(lǐng)域。

性能影響因素

測量精度與幀率、脈沖長度和環(huán)境光等因素密切相關(guān)。幀率越高，精度誤差越大；脈沖長度越短，精度誤差越小，但檢測極限會下降；環(huán)境光會降低檢測極限和測量重復(fù)性，但可通過軟件進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償。

軟件支持

驅(qū)動軟件

驅(qū)動軟件負(fù)責(zé)控制激光、評估距離和紅外振幅、調(diào)節(jié)積分時間、校準(zhǔn)絕對距離和溫度影響，并根據(jù)應(yīng)用選擇最佳像素。驅(qū)動軟件的預(yù)編譯核心嵌入到開源API層中，為用戶應(yīng)用提供接口。

軟件架構(gòu)

采用中斷驅(qū)動架構(gòu)，可在后臺操作設(shè)備的同時，在前臺并發(fā)執(zhí)行復(fù)雜的評估功能。設(shè)備測量周期可由周期性中斷定時器（PIT）或用戶調(diào)用相應(yīng)的異步API函數(shù)觸發(fā)。測量完成后，通過回調(diào)函數(shù)通知用戶應(yīng)用。

接口要求

為了實(shí)現(xiàn)軟件的可移植性，API需要用戶在所選平臺上實(shí)現(xiàn)一些外設(shè)接口，如SPI與GPIO、GPIO IRQ、定時器等。

總結(jié)

AFBR - S50LX85D飛行時間傳感器模塊以其高精度、小尺寸、低功耗和出色的環(huán)境適應(yīng)性，為電子工程師在距離和運(yùn)動測量應(yīng)用中提供了一個優(yōu)秀的解決方案。無論是在室內(nèi)還是戶外環(huán)境，都能滿足各種復(fù)雜場景的需求。同時，豐富的軟件支持和可移植性，也為開發(fā)者提供了便利。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似傳感器的使用問題？你認(rèn)為AFBR - S50LX85D在哪些應(yīng)用場景中會發(fā)揮最大的優(yōu)勢呢？歡迎在評論區(qū)分享你的看法。