Arduino UNO R4 Minimaでセンサ・インターフェーシング㉔距離センサ VL53L4CX

　Adafruitから入手したTOF（Time of Flight Distance）センサ VL53L4CX（ST Microelectronics）を利用します。

	VL6180X	VL53L0X	VL53L1X	VL53L3CX	VL53L4CX	VL53L5CX
手段	赤外線	レーザー	レーザー	レーザー	レーザー	レーザー 4 x 4または8 x 8のマルチゾーン
分解能	20cmでは1mm、60cmでは3mm	-	-	1mm	-	-
最大測定距離	100mm	2m（反射面白色）	4m	3m	1mmから最大6m	4m
インターフェース	I2C	I2C（最大400kHz）	I2C（最大1MHz）	I2C（最大1MHz）	I2C（最大1MHz）	I2C（400kHz～1MHz）
動作電圧[V]	2.7～3.0	2.6～3.5	2.8	2.6～3.5	2.6～3.5	I/O 1.8～3.3
モジュール動作電圧[V]	2.7～5.5	３.3～5、 2.6～5.5	3.3	-	3.3/5	2.8/3.3

●AdafruitのStemma QT/Qwiicボード

　VL53L4CXボード解説のページ

　Stemma QT/Qwiic（JST SH 4ピン）コネクタは2か所に装着されていて、どちらにつないでもかまいません。このコネクタを使ってI2Cで制御する場合、特に、ジャンパ線をつなぐなどは不要です。

　コネクタは、表と裏のどちらも差し込めそうですが、ピンが内部の上部に並んでいるので、差し込める方向は一意です。ロック機構はないですが、すぐに抜けるということはありません。

●距離センサVL53L4CXのおもなスペック

　VL53L4CXのデータシートはこのWebページから

940 nmの不可視レーザー
動作電圧　2.6～3.5 V
動作温度範囲　 -30～85°C
インターフェース　I2C（最大1MHz）
スレーブ・アドレス　0x29

●使用環境

Arduino UNO R4 Minima
Arduino IDE 2.2.1
Windows10 22H2

●接続

　Arduino UNO R4 MinimaのI2C信号とセンサ・ボードをJSTコネクタでつなぎます（Stemma QT/Qwiicボードの写真の比率は異なる）。

●スレーブ・アドレスを確認

　従来からよく使われているi2cScanner.inoを動かしてスレーブ・アドレスを確認します。電源は3.3Vです。

　0x29を見つけてきました。

●ライブラリの用意

　VL53L4CXで検索して、見つかったSTM32duino VL53L4CXライブラリ（ST Microelectronics）をインストールします。

●サンプル・スケッチ

　メニューのファイル->スケッチ例から、STM32duino VL53L4CX のVL53L4CX_Sat_HelloWorld.inoを選択します。setup{}の79行の次に、１行追加します。

while (!Serial) delay(100);

　コンパイル、実行します。ボードは机の上に置いているので、センサは上を向いています。少し離れたセンサの上部で、紙を上下に動かしているところです。

Count- シリアルモニターに送信された測定値の数
Objs- センサの前にある物体の数
status- センサの範囲ステータス
D- センサから物体までの距離をmm単位で測定
Signal- センサからの信号の速度
Ambient- センサの周囲のノイズ

　サンプル・スケッチからLEDの点灯部分を削除し、距離の測定値だけを表示するように修正しました。

//  <h2><center>&copy; COPYRIGHT(c) 2022 STMicroelectronics</center></h2>

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <vl53l4cx_class.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>

#define DEV_I2C Wire
#define SerialPort Serial

// Components.
VL53L4CX sensor_vl53l4cx_sat(&DEV_I2C, A1);

void setup() {
  SerialPort.begin(115200);  // Initialize serial for output.
  while (!Serial)  delay(100); 
  SerialPort.println("Starting...VL53L4CX");

  DEV_I2C.begin();  // Initialize I2C bus.

  // Configure VL53L4CX satellite component.
  sensor_vl53l4cx_sat.begin();

  // Switch off VL53L4CX satellite component.
  sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_Off();

  //Initialize VL53L4CX satellite component.
  sensor_vl53l4cx_sat.InitSensor(0x12);

  // Start Measurements
  sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_StartMeasurement();
}

void loop() {
  VL53L4CX_MultiRangingData_t MultiRangingData;
  VL53L4CX_MultiRangingData_t *pMultiRangingData = &MultiRangingData;
  uint8_t NewDataReady = 0;
  int no_of_object_found = 0, j;
  int status;

  do {
    status = sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_GetMeasurementDataReady(&NewDataReady);
  } while (!NewDataReady);

  if ((!status) && (NewDataReady != 0)) {
    status = sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_GetMultiRangingData(pMultiRangingData);
    no_of_object_found = pMultiRangingData->NumberOfObjectsFound;
    int distanceMM = pMultiRangingData->RangeData[j].RangeMilliMeter;
    for (j = 0; j < no_of_object_found; j++) {
      SerialPort.print("D=");
      SerialPort.print(distanceMM);  SerialPort.println("mm ");
    }
    SerialPort.println("");
    if (status == 0) {
      status = sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_ClearInterruptAndStartMeasurement();
    }
  }

  delay(500); 
}

●4桁の7セグメントLED表示器をつないで測定結果を表示する

　連載の第4回目の記事を参照しながら表示器を接続します。

Arduino UNO R4 Minimaでセンサ・インターフェーシング ④ 温湿度センサSi7021の測定結果を7セグメントLEDに表示

　スケッチです。

　7セグメントLED表示器は、第12回温湿度センサ SHTC3でスレーブ・アドレスが重なったので、デフォルトの0x70から、ジャンパのA0をショートして0x71に変更してあります。デフォルトのまま使うときは0x70で使ってください。


//  <h2><center>&copy; COPYRIGHT(c) 2022 STMicroelectronics</center></h2>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include "Adafruit_LEDBackpack.h"
#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <vl53l4cx_class.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>


#define DEV_I2C Wire
#define SerialPort Serial

Adafruit_7segment matrix = Adafruit_7segment();

// Components.
VL53L4CX sensor_vl53l4cx_sat(&DEV_I2C, A1);

void setup() {
  SerialPort.begin(115200);  // Initialize serial for output.
  while (!Serial)  delay(100); 
  SerialPort.println("Starting...VL53L4CX + 7segmentLED");

  DEV_I2C.begin();  // Initialize I2C bus.

  // Configure VL53L4CX satellite component.
  sensor_vl53l4cx_sat.begin();

  // Switch off VL53L4CX satellite component.
  sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_Off();

  //Initialize VL53L4CX satellite component.
  sensor_vl53l4cx_sat.InitSensor(0x12);

  // Start Measurements
  sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_StartMeasurement();

  matrix.begin(0x71);
  matrix.setBrightness(0x05);  // default 0x0E
}

void loop() {
  VL53L4CX_MultiRangingData_t MultiRangingData;
  VL53L4CX_MultiRangingData_t *pMultiRangingData = &MultiRangingData;
  uint8_t NewDataReady = 0;
  int no_of_object_found = 0, j;
  int status;

  do {
    status = sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_GetMeasurementDataReady(&NewDataReady);
  } while (!NewDataReady);

  if ((!status) && (NewDataReady != 0)) {
    status = sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_GetMultiRangingData(pMultiRangingData);
    no_of_object_found = pMultiRangingData->NumberOfObjectsFound;
    int distanceMM = pMultiRangingData->RangeData[j].RangeMilliMeter;
    
    for (j = 0; j < no_of_object_found; j++) {
      SerialPort.print("D=");
      SerialPort.print(distanceMM);  SerialPort.println("mm ");

      matrix.print(distanceMM, DEC);
      matrix.writeDisplay();
    }
    SerialPort.println("");
    if (status == 0) {
      status = sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_ClearInterruptAndStartMeasurement();
    }
  }

  delay(500); 
}

　実行例です。

●グラフィック・ディスプレイに測定結果を表示

　次の記事を参考に、グラフィック・ディスプレイに測定した距離を表示します。

　　Arduino UNO R4 Minimaでセンサ・インターフェーシング ⑤ 温湿度センサSi7021の測定結果をグラフィック・ディスプレイに表示

　スケッチです。


//  <h2><center>&copy; COPYRIGHT(c) 2022 STMicroelectronics</center></h2>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <vl53l4cx_class.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>


#define DEV_I2C Wire
#define SerialPort Serial

#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels
#define OLED_RESET    -1 // Reset pin # (or -1 if sharing Arduino reset pin)
#define SCREEN_ADDRESS 0x3D ///< See datasheet for Address; 0x3D for 128x64, 0x3C for 128x32
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

// Components.
VL53L4CX sensor_vl53l4cx_sat(&DEV_I2C, A1);

void setup() {
  SerialPort.begin(115200);  // Initialize serial for output.
  while (!Serial)  delay(100); 
  SerialPort.println("Starting...VL53L4CX + OLED ssd1306");

  DEV_I2C.begin();  // Initialize I2C bus.

  // Configure VL53L4CX satellite component.
  sensor_vl53l4cx_sat.begin();

  // Switch off VL53L4CX satellite component.
  sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_Off();

  //Initialize VL53L4CX satellite component.
  sensor_vl53l4cx_sat.InitSensor(0x12);

  // Start Measurements
  sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_StartMeasurement();

  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, SCREEN_ADDRESS);
  display.clearDisplay();
  display.drawRect(0, 0, display.width(), display.height(), SSD1306_WHITE);
  display.setTextSize(1);                // Normal 1:1 pixel scale
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);   // Draw white text
  display.setCursor(3,3);
  display.println("Distance (mm): ");
  display.display();
  delay(200);
}

void loop() {
  VL53L4CX_MultiRangingData_t MultiRangingData;
  VL53L4CX_MultiRangingData_t *pMultiRangingData = &MultiRangingData;
  uint8_t NewDataReady = 0;
  int no_of_object_found = 0, j;
  int status;

  do {
    status = sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_GetMeasurementDataReady(&NewDataReady);
  } while (!NewDataReady);

  if ((!status) && (NewDataReady != 0)) {
    status = sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_GetMultiRangingData(pMultiRangingData);
    no_of_object_found = pMultiRangingData->NumberOfObjectsFound;
    int distanceMM = pMultiRangingData->RangeData[j].RangeMilliMeter;
    
    for (j = 0; j < no_of_object_found; j++) {
      SerialPort.print("D=");
      SerialPort.print(distanceMM);  SerialPort.println("mm ");

      display.setTextSize(2);   // Draw 2X-scale text
      display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
      display.setCursor(10,17);
      display.fillRect(1, 17, 116, 44, SSD1306_BLACK);
      display.println(distanceMM);
      display.display();
    }
    SerialPort.println("");
    if (status == 0) {
      status = sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_ClearInterruptAndStartMeasurement();
    }
  }

  delay(500); 
}

　実行例です。

＜未確認三つの距離範囲＞

　GiHubにあるstm32duino/VL53L4CXのソースVL53L4CX/src/vl53l4cx_api.cppの中に、VL53L4CX_SetDistanceMode()関数が用意されています。

　setup{}内の最後のVL53L4CX_StartMeasurement()にVL53L4CX_SetDistanceMode()を追加する実験をしました。

// Start Measurements
sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_StartMeasurement();

が実行されたとき、デフォルトで、DistanceModeは VL53L4CX_DISTANCEMODE_SHORTが設定されているように見えます。上記の関数を実行した後に、

sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_SetDistanceMode(VL53L4CX_DISTANCEMODE_MEDIUM);

もしくは、

sensor_vl53l4cx_sat.VL53L4CX_SetDistanceMode(VL53L4CX_DISTANCEMODE_LONG);

を実行してみると、計測範囲が変更されているように見えます。バラックで組み立てて実験しているので、長距離の値が正しいのかどうかははっきりわかりません。逆に、近距離の値がおかしくなります。

Arduino UNO R4 Minimaでセンサ・インターフェーシング ㉔ 距離センサ VL53L4CX

Arduino UNO R4 Minimaでセンサ・インターフェーシング㉔距離センサ VL53L4CX