基于ToF原理的光线传感器解决方案.pdf_测量反射回来的光线

传感技术

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March 2016 DocID026171 Rev 7 1/87

VL6180X

Proximity and ambient light sensing (ALS) module

Datasheet - production data

Features

• Three-in-one smart optical module

– Proximity sensor

– Ambient Light Sensor

– VCSEL light source

• Fast, accurate distance ranging

– Measures absolute range from 0 to above

10 cm (ranging beyond 10cm is dependent

on conditions)

– Independent of object reflectance

– Ambient light rejection

– Cross-talk compensation for cover glass

• Gesture recognition

– Distance and signal level can be used by

host system to implement gesture

recognition

– Demo system available: P-NUCLEO-

6180X1 evaluation board

• Ambient light sensor

– High dynamic range

– Accurate/sensitive in ultra-low light

– Calibrated output value in lux

• Easy integration

– Single reflowable component

– No additional optics

– Single power supply

–I

C interface for device control and data

– Provided with a documented C portable

API (Application Programming Interface)

• Two programmable GPIO

– Window and thresholding functions for both

ranging and ALS

Applications

• Smartphones/portable touchscreen devices

• Tablet/laptop/gaming devices

• Domestic appliances/industrial devices

Description

The VL6180X is the latest product based on ST’s

patented FlightSense

™

technology. This is a

ground-breaking technology allowing absolute

distance to be measured independent of target

reflectance. Instead of estimating the distance by

measuring the amount of light reflected back from

the object (which is significantly influenced by

color and surface), the VL6180X precisely

measures the time the light takes to travel to the

nearest object and reflect back to the sensor

(Time-of-Flight).

Combining an IR emitter, a range sensor and an

ambient light sensor in a three-in-one ready-to-

use reflowable package, the VL6180X is easy to

integrate and saves the end-product maker long

and costly optical and mechanical design

optimizations.

The module is designed for low power operation.

Ranging and ALS measurements can be

automatically performed at user defined intervals.

Multiple threshold and interrupt schemes are

supported to minimize host operations.

Host control and result reading is performed using

an I

C interface. Optional additional functions,

such as measurement ready and threshold

interrupts, are provided by two programmable

GPIO pins.

www.st.com

Contents VL6180X

2/87 DocID026171 Rev 7

Contents

1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.1 Technical specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 System block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 Device pinout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4 Typical application schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5 Recommended solder pad dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

1.6 Recommended reflow profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

2 Functional description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1 Ranging pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 System state diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Timing diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 Software overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5 Operating modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5.1 Polling mode - single shot range/ALS measurement . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5.2 Interrupt mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

VL6180x_RangeConfigInterrupt() or VL6180x_AlsConfigInterrupt() . . . . . . . . . . . 22

Continuous mode limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.5.3 Asynchronous mode - single shot range measurement . . . . . . . . . . . . 23

2.5.4 Interleaved mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6 History buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.7 Range Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.7.1 Range timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.7.2 Range error codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.7.3 Range checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Early convergence estimate (ECE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Range ignore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Signal-to-noise ratio (SNR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.7.4 Manual/autoVHV calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.7.5 Wrap Around Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.7.6 Maximum ranging distance (DMAX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.8 Other ranging system considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.8.1 Part-to-part range offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

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VL6180X Contents

2.8.2 Cross-talk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.8.3 Offset calibration procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.8.4 Cross-talk calibration procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.8.5 Cross-talk limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.8.6 Cross-talk vs air gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.9 Current consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.9.1 Ranging current consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.9.2 Current consumption calculator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.9.3 Current distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.10 Ambient light sensor (ALS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.10.1 Field of view . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.10.2 Spectral response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.10.3 ALS dynamic range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.10.4 ALS count to lux conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.10.5 Integration period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.10.6 ALS gain selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.10.7 Scaler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3 Performance specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1 Proximity ranging (0 to 100mm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.1 Max range vs. ambient light level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 ALS performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

C control interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.1 I

C interface - timing characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5 Electrical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.1 Absolute maximum ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.2 Normal operating conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.3 Electrical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6 Device registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6.1 Register encoding formats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6.2 Register descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.2.1 IDENTIFICATION__MODEL_ID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.2.2 IDENTIFICATION__MODEL_REV_MAJOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Contents VL6180X

4/87 DocID026171 Rev 7

6.2.3 IDENTIFICATION__MODEL_REV_MINOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.2.4 IDENTIFICATION__MODULE_REV_MAJOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.2.5 IDENTIFICATION__MODULE_REV_MINOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.2.6 IDENTIFICATION__DATE_HI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.2.7 IDENTIFICATION__DATE_LO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.2.8 IDENTIFICATION__TIME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.2.9 SYSTEM__MODE_GPIO0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.2.10 SYSTEM__MODE_GPIO1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.2.11 SYSTEM__HISTORY_CTRL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.2.12 SYSTEM__INTERRUPT_CONFIG_GPIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.2.13 SYSTEM__INTERRUPT_CLEAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.2.14 SYSTEM__FRESH_OUT_OF_RESET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.2.15 SYSTEM__GROUPED_PARAMETER_HOLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.2.16 SYSRANGE__START . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.2.17 SYSRANGE__THRESH_HIGH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.2.18 SYSRANGE__THRESH_LOW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.2.19 SYSRANGE__INTERMEASUREMENT_PERIOD . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.2.20 SYSRANGE__MAX_CONVERGENCE_TIME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.2.21 SYSRANGE__CROSSTALK_COMPENSATION_RATE . . . . . . . . . . . . 61

6.2.22 SYSRANGE__CROSSTALK_VALID_HEIGHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.2.23 SYSRANGE__EARLY_CONVERGENCE_ESTIMATE . . . . . . . . . . . . . 61

6.2.24 SYSRANGE__PART_TO_PART_RANGE_OFFSET . . . . . . . . . . . . . . 62

6.2.25 SYSRANGE__RANGE_IGNORE_VALID_HEIGHT . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.2.26 SYSRANGE__RANGE_IGNORE_THRESHOLD . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.2.27 SYSRANGE__MAX_AMBIENT_LEVEL_MULT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.2.28 SYSRANGE__RANGE_CHECK_ENABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.2.29 SYSRANGE__VHV_RECALIBRATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.2.30 SYSRANGE__VHV_REPEAT_RATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.2.31 SYSALS__START . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.2.32 SYSALS__THRESH_HIGH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.2.33 SYSALS__THRESH_LOW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.2.34 SYSALS__INTERMEASUREMENT_PERIOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.2.35 SYSALS__ANALOGUE_GAIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.2.36 SYSALS__INTEGRATION_PERIOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.2.37 RESULT__RANGE_STATUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.2.38 RESULT__ALS_STATUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.2.39 RESULT__INTERRUPT_STATUS_GPIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

DocID026171 Rev 7 5/87

VL6180X Contents

6.2.40 RESULT__ALS_VAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.2.41 RESULT__HISTORY_BUFFER_x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.2.42 RESULT__RANGE_VAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.2.43 RESULT__RANGE_RAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.2.44 RESULT__RANGE_RETURN_RATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.2.45 RESULT__RANGE_REFERENCE_RATE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.2.46 RESULT__RANGE_RETURN_SIGNAL_COUNT . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.2.47 RESULT__RANGE_REFERENCE_SIGNAL_COUNT . . . . . . . . . . . . . 74

6.2.48 RESULT__RANGE_RETURN_AMB_COUNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.2.49 RESULT__RANGE_REFERENCE_AMB_COUNT . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.2.50 RESULT__RANGE_RETURN_CONV_TIME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.2.51 RESULT__RANGE_REFERENCE_CONV_TIME . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.2.52 READOUT__AVERAGING_SAMPLE_PERIOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.2.53 FIRMWARE__BOOTUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.2.54 FIRMWARE__RESULT_SCALER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.2.55 I2C_SLAVE__DEVICE_ADDRESS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.2.56 INTERLEAVED_MODE__ENABLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

7 Outline drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

8 Laser safety considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

8.1 Compliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

9 Ordering information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

9.1 Traceability and identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

9.2 Part marking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

9.3 Packaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

9.3.1 Package labeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

9.4 Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

9.5 ROHS compliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

10 ECOPACK

® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

11 Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

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