‌VL53L8CH飞行时间传感器技术解析与应用指南

STMicroelectronics VL53L8CH飞行时间 (ToF) 传感器是一款8x8多区域传感器，可在环境光下提高性能。 该传感器具有宽广的65° 对角线视场 (FoV) 和紧凑且标准化的直方图 (CNH) 创新数据输出，用于AI应用。VL53L8CH ToF传感器的每区域范围为2cm至400cm，采样率高达60Hz，工作温度范围为-30°C至85°C。该传感器集成了垂直腔面发射激光器 (VCSEL)，可发射1级认证且完全不可见的940nm红外光。 VL53L8CH ToF传感器采用光学LGA16封装，尺寸为6.4mm x 3mm x 1.75mm。

数据手册：*附件：STMicroelectronics VL53L8CH飞行时间 (ToF) 传感器数据手册.pdf

VL53L8CH ToF传感器与VL53L7CH驱动器兼容，与VL53L8CX引脚对引脚兼容。该传感器用于需要多区域原始数据、咖啡机罩杯边缘检测、手势运动、手势识别以及机器人和真空吸尘器地面感测的AI应用。

特性

• 用于人工智能的紧凑型归一化直方图 (CNH) 数据输出：
  • 多区域数据输出，多达64个独立区域
  • 直方图输出，每个BIN均配有信号计数
  • 高达128 BIN直方图可编程尺寸
  • 最小区间宽度低至37mm
  • 通过I^2^C或SPI实现高达30Hz的最大频率
  • 每个区的报告环境IR光强度
  • 可提供所有飞行时间处理数据（距离、信号幅度和反射率）
• 具有65°宽FoV的ToF传感器：
  • 45° x 45°方形FoV
  • 自主低功耗模式，具有可编程中断阈值，可唤醒主机
  • 测距：高达400cm
  • 每个区域的运动指示灯，用于检测目标运动
• 高度可配置的CNH可满足用户期望：
  • 15Hz时64个区域分18个BIN
  • 15Hz时32个区域为36个BIN
  • 25Hz时16个区域分48个BIN
• 完全集成的微型模块：
  • 940nm不可见光垂直腔面发射激光器 (VCSEL)
  • 发射器和接收器上扩散光学元件 (DOE)，支持方形FoV
  • 接收单光子雪崩二极管 (SPAD) 阵列
  • 运行固件的低功耗微控制器
  • 尺寸：6.4mm x 3mm x 1.75mm
• 易于集成
  • 可回焊单元件
  • 需要1.8V内核电源和3.3V AVDD 电源
  • 可选1.2V或1.8V IOVDD 接口电压电平
  • I^2^C（高达1MHz）或SPI（高达3MHz）接口
  • 兼容各种玻璃罩材料
  • 与VL53L7CH驱动器兼容
  • 与VL53L8CX引脚对引脚兼容

系统框图

应用原理图

VL53L8CH飞行时间传感器技术解析与应用指南‌

一、核心特性与技术创新

1. AI原生架构设计

VL53L8CH是首款专为人工智能应用设计的8×8多区域飞行时间（ToF）传感器，其创新的紧凑归一化直方图（CNH）数据输出架构具有以下突破：

• ‌可配置直方图系统‌：支持最多128个直方图箱，最小箱宽可达37.5mm，为机器学习算法提供原始光子计数数据
• ‌多区域同步处理‌：在8×8模式下可实现64个独立探测区域，最高帧率达30Hz（I²C/SPI接口）
• ‌环境光抗干扰‌：每个区域独立报告环境红外光强，确保在复杂光照环境下的测量稳定性

2. 光学系统突破

• ‌超宽视场角‌：65°对角线视场（45°×45°方形视场），优于传统ToF传感器
• ‌双超表面透镜‌：发射端和接收端均采用衍射光学元件（DOE），实现方形视场光学整形
• ‌940nm VCSEL光源‌：人眼安全Class 1认证，完全不可见红外照明

二、关键性能参数深度分析

1. 测距性能矩阵（见表1）

‌表1 不同模式下的最大测距能力对比‌

工作模式	目标反射率	黑暗环境	5kLux环境光
4×4连续模式	88%白目标	4000mm	2850mm
8×8连续模式	54%灰目标	3300mm	1400mm
自主模式1Hz	17%深灰目标	2550mm	1200mm

2. 精度特性解析

• ‌连续模式精度‌：20-200mm范围内±10mm，200-4000mm范围内±3%（白目标，黑暗环境）
• ‌温度稳定性‌：通过周期性自动校准，典型漂移仅0.1mm/°C
• ‌区域一致性‌：边角区域相对于中心4个区域的精度衰减不超过4%

三、硬件设计要点

1. 电源架构设计

器件需要三个独立电源：

• ‌AVDD‌：3.3V模拟和VCSEL电源
• ‌CORE_1V8‌：1.8V模拟核心电源
• ‌IOVDD‌：1.2V或1.8V I/O接口电压

‌关键设计约束‌：

• 三路电源必须同时上电/下电
• 最小压摆率要求：AVDD 0.001V/µs，CORE_1V8 0.012V/µs
• 电源去耦电容必须尽可能靠近模块引脚

2. 接口选择策略

‌I²C接口优势‌：

• 标准双线接口，最大1MHz时钟
• 设备地址：0x52（写入）/0x53（读取）
• 支持自动地址递增，提升大数据块传输效率

‌SPI接口优势‌：

• 最高3MHz时钟频率
• 支持全双工通信，模式1（CPOL=1，CPHA=1）

四、CNH数据输出系统

1. 数据结构特征

• ‌最大数据量‌：每帧最高6KB直方图数据
• ‌区域聚合‌：支持从64区域到16区域的空间降采样
• ‌时间聚合‌：最大直方图分箱因子为8
• ‌环境光隔离‌：每个区域的背景光强数据独立存储

2. 配置灵活性示例

用户可根据应用需求在以下模式间灵活切换：

• ‌高分辨率模式‌：64区域×18箱@15Hz
• ‌高帧率模式‌：16区域×48箱@25Hz

五、典型应用场景实现

1. 智能家电应用

‌咖啡机杯缘检测‌：

• 利用8×8多区域感知能力
• 通过CNH数据分析杯体材质和位置
• 实现智能饮料分配控制

2. 机器人导航

‌地面材质感知‌：

• 地毯、木材、玻璃、镜面等固体材质识别
• 水、油、化学液体检测
• 实现自适应越障策略

3. 人机交互

‌手势识别系统‌：

• 65°宽视场覆盖自然人机交互距离
• 实时运动矢量分析（每区域独立运动指示器）