2.4 红外测距传感器
GP2Y0A02YKOF是夏普的一款距离测量传感器模块。它由PSD(position sensitive detector)和IRED(infrared emitting diode)以及信号处理电路三部分组成。由于采用了三角测量方法,被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响传感器的测量精度。传感器输出电压值对应探测的距离。通过测量电压值就可以得出所探测物体的距离,所以这款传感器可以用于距离测量、避障等场合。
2.4.1 模块来源
采购链接：
GP2Y0A02YK0F 红外激光测距传感器 避障测距20-150cm
资料下载链接：
https://pan.baidu.com/s/11dDQHyYJfi0nNyC28vkpoA
资料提取码：qvpm
2.4.2 规格参数
工作电压：3.3-5V
工作电流：33MA
模块尺寸：37 x 21.6mm
输出方式: 模拟量输出
读取方式：ADC
管脚数量：3 Pin
工作电流：33MA
模块尺寸：37 x 21.6mm
输出方式: 模拟量输出
读取方式：ADC
管脚数量：3 Pin
2.4.3 移植过程
我们的目标是在梁山派GD32F470上能够判断前方障碍物的功能。首先要获取资料，查看数据手册应如何实现，再移植至我们的工程。
2.4.3.1 查看资料
红外测距传感器的输出是非线性的。每个型号的输出曲线都不同。所以，在实际使用前，最好能对所使用的传感器进行一下校正。对每个型号的传感器创建一张曲线图，以便在实际使用中获得真实有效的测量数据。下图是测距距离为20-150CM型号的输出曲线图。
从上图中，可以看到，当被探测物体的距离小于大约 15cm 的时候，输出电压急剧下降，也就是说从电压读数
来看，物体的距离应该是越来越远了。但是实际上并不是这样的，想象一下，你的机器人本来正在慢慢的
靠近障碍物，突然发现障碍物消失了，一般来说，你的控制程序会让你的机器人以全速移动，结果就是，"
砰"的一声。当然了，解决这个方法也不是没有，这里有个小技巧。只需要改变一下传感器的安装位置，使
它到机器人的外围的距离大于最小探测距离就可以了。
红外测距传感器的输出数据线是通过电压的变化来确定距离，我们可以使用ADC功能获取传感器的电压变化，将其转换为实际距离即可。电压距离转换公式见官方代码库链接：https://github.com/zoubworldArduino/ZSharpIR
找到我们20-150CM型号的传感器，在下方有换算公式。
2.4.3.2 引脚选择
想要使用ADC，需要确定使用的引脚是否有ADC外设功能。可以通过数据手册【GD32F450xx_Datasheet_Rev2.2.pdf】进行查看。文件下载见文件2.4.3.2-1 数据手册（GD32F450与GD32F470在功能与寄存器地址上没有区分）（梁山派开发板资料可在官网获取www.lckfb.com）
在数据手册的第28页结尾，是关于GD32F450Zx系列芯片引脚的功能定义示意图。
当前只有AO引脚需要使用到ADC接口，所以DO引脚可以使用开发板上其他的GPIO。这里选择使用PC2的附加ADC功能。使用ADC0的第12道输入通道。
| 红外测距 | 立创·梁山派 |
|---|---|
| VCC | 5V |
| GND | GND |
| DATA | PC2 |
2.4.3.3 移植至工程
移植步骤中的导入.c和.h文件与上一节相同，只是将.c和.h文件更改为bsp_IRdistance.c与bsp_IRdistance.h。见2.2.3.3 移植至工程。这里不再过多讲述。移植完成后面修改相关代码。
在文件bsp_IRdistance.c中，编写如下代码。
/********************************************************************************
* 文 件 名: bsp_IRdistance.c
* 版 本 号: 初版
* 修改作者: LC
* 修改日期: 2023年04月06日
* 功能介绍:
******************************************************************************
* 注意事项:
*********************************************************************************/
#include "bsp_IRdistance.h"
#include "systick.h"
#include "stdio.h"
#include "math.h"
//DMA缓冲区
uint16_t gt_adc_val[ SAMPLES ][ CHANNEL_NUM ];
/******************************************************************
* 函 数 名 称：ADC_DMA_Init
* 函 数 说 明：初始化ADC+DMA功能
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：无
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
void ADC_DMA_Init(void)
{
/* DMA初始化功能结构体定义 */
dma_single_data_parameter_struct dma_single_data_parameter;
/* 使能引脚时钟 */
rcu_periph_clock_enable(RCU_IRDISTANCE_GPIO);
/* 使能ADC时钟 */
rcu_periph_clock_enable(RCU_IRDISTANCE_ADC);
/* 使能DMA时钟 */
rcu_periph_clock_enable(RCU_IRDISTANCE_DMA);
/* 配置ADC时钟 */
adc_clock_config(ADC_ADCCK_PCLK2_DIV4);
/* 配置PC2为浮空模拟输入模式 */
gpio_mode_set(PORT_IRDISTANCE, GPIO_MODE_ANALOG, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_IRDISTANCE); // PC2 : ADC012_IN12
/* 配置ADC为独立模式 */
adc_sync_mode_config(ADC_SYNC_MODE_INDEPENDENT);
/* 使能连续转换模式 */
adc_special_function_config(PORT_ADC, ADC_CONTINUOUS_MODE, ENABLE);
/* 使能扫描模式 */
adc_special_function_config(PORT_ADC, ADC_SCAN_MODE, ENABLE);
/* 数据右对齐 */
adc_data_alignment_config(PORT_ADC, ADC_DATAALIGN_RIGHT);
/* ADC0设置为规则组 一共使用 CHANNEL_NUM 个通道 */
adc_channel_length_config(PORT_ADC, ADC_REGULAR_CHANNEL, CHANNEL_NUM);
/* ADC规则通道配置：ADC0的通道11的扫描顺序为0；采样时间：15个周期 */
/* DMA开启之后 gt_adc_val[x][0] = PC1的数据 */
adc_regular_channel_config(PORT_ADC, 0, CHANNEL_ADC, ADC_SAMPLETIME_15);//PC2
/* ADC0设置为12位分辨率 */
adc_resolution_config(PORT_ADC, ADC_RESOLUTION_12B);
/* ADC外部触发禁用, 即只能使用软件触发 */
adc_external_trigger_config(PORT_ADC, ADC_REGULAR_CHANNEL, EXTERNAL_TRIGGER_DISABLE);
/* 使能规则组通道每转换完成一个就发送一次DMA请求 */
adc_dma_request_after_last_enable(PORT_ADC);
/* 使能DMA请求 */
adc_dma_mode_enable(PORT_ADC);
/* 使能DMA */
adc_enable(PORT_ADC);
/* 等待ADC稳定 */
delay_1ms(1);
/* 开启ADC自校准 */
adc_calibration_enable(PORT_ADC);
/* 清除 DMA通道0 之前配置 */
dma_deinit(PORT_DMA, CHANNEL_DMA);
/* DMA初始化配置 */
dma_single_data_parameter.periph_addr = (uint32_t)(&ADC_RDATA(PORT_ADC)); //设置DMA传输的外设地址为ADC0基地址
dma_single_data_parameter.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE; //关闭外设地址自增
dma_single_data_parameter.memory0_addr = (uint32_t)(gt_adc_val); //设置DMA传输的内存地址为 gt_adc_val数组
dma_single_data_parameter.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE; //开启内存地址自增（因为不止一个通道）
dma_single_data_parameter.periph_memory_width = DMA_PERIPH_WIDTH_16BIT; //传输的数据位 为 16位
dma_single_data_parameter.direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY; //DMA传输方向为 外设往内存
dma_single_data_parameter.number = SAMPLES * CHANNEL_NUM; //传输的数据长度为：每个通道采集30次 * 1个通道
dma_single_data_parameter.priority = DMA_PRIORITY_HIGH; //设置高优先级
dma_single_data_mode_init(PORT_DMA, CHANNEL_DMA, &dma_single_data_parameter);//将配置保存至DMA1的通道0
/* DMA通道外设选择 */
/* 数据手册的195页根据PERIEN[2:0]值确定第三个参数，例是100 则为DMA_SUBPERI4 例是010 则为DMA_SUBPERI2 */
/* 我们是ADC0功能，PERIEN[2:0]值为000，故为DMA_SUBPERI0 */
dma_channel_subperipheral_select(PORT_DMA, CHANNEL_DMA, DMA_SUBPERI0);
/* 使能DMA1通道0循环模式 */
dma_circulation_enable(PORT_DMA, CHANNEL_DMA);
/* 启动DMA1的通道0功能 */
dma_channel_enable(PORT_DMA, CHANNEL_DMA);
/* 开启软件触发ADC转换 */
adc_software_trigger_enable(PORT_ADC, ADC_REGULAR_CHANNEL);
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：Get_Adc_Dma_Value
* 函 数 说 明：对DMA保存的数据进行平均值计算后输出电压值
* 函 数 形 参：CHx 第几个扫描的数据
* 函 数 返 回：对应扫描的电压值
* 作 者：LC
* 备 注：返回值最低0 最高4095
******************************************************************/
float Get_Adc_Dma_Value(char CHx)
{
unsigned char i = 0;
unsigned int AdcValue = 0;
double ret = 0;
/* 因为采集 SAMPLES 次，故循环 SAMPLES 次 */
for(i=0; i< SAMPLES; i++)
{
/* 累加 */
AdcValue += gt_adc_val[i][CHx];
}
/* 求平均值 */
ret = (double)AdcValue / SAMPLES;
//手动减去电压误差 0.64
ret = (((double)ret / 4095) * 3.3);
return ret;
}
/******************************************************************
* 函 数 名 称：Get_illume_Percentage_value
* 函 数 说 明：计算红外测距的测量距离
* 函 数 形 参：无
* 函 数 返 回：返回测量距离
* 作 者：LC
* 备 注：无
******************************************************************/
double Get_IRdistance_Distance(void)
{
double adc_new = 0;
double Distance = 0;
adc_new = Get_Adc_Dma_Value(0);
// 根据官方代码库链接：https://github.com/zoubworldArduino/ZSharpIR
// 得到距离换算公式：
// 【GP2Y0A02YK0F：Using MS Excel, we can calculate function (For distance > 15cm) :
// Distance = 60.374 X POW(Volt , -1.16)】
Distance = 60.374 * pow(adc_new,-1.16);
return Distance;
}
在文件bsp_encoder.h中，编写如下代码。
#ifndef _BSP_IRDISTANCE_H_
#define _BSP_IRDISTANCE_H_
#include "gd32f4xx.h"
#define RCU_IRDISTANCE_GPIO RCU_GPIOC
#define RCU_IRDISTANCE_ADC RCU_ADC0
#define RCU_IRDISTANCE_DMA RCU_DMA1
#define PORT_DMA DMA1
#define CHANNEL_DMA DMA_CH0
#define PORT_ADC ADC0
#define CHANNEL_ADC ADC_CHANNEL_12
#define PORT_IRDISTANCE GPIOC
#define GPIO_IRDISTANCE GPIO_PIN_2
//采样次数
#define SAMPLES 100
//采样通道数
#define CHANNEL_NUM 1
extern uint16_t gt_adc_val[ SAMPLES ][ CHANNEL_NUM ]; //DMA缓冲区
void ADC_DMA_Init(void);
float Get_Adc_Dma_Value(char CHx);
double Get_IRdistance_Distance(void);
#endif
2.4.4 移植验证
在自己工程中的main主函数中，编写如下。
/********************************************************************************
* 文 件 名: main.c
* 版 本 号: 初版
* 修改作者: LC
* 修改日期: 2023年04月06日
* 功能介绍:
******************************************************************************
* 注意事项:
*********************************************************************************/
#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"
#include "bsp_usart.h"
#include "stdio.h"
#include "bsp_irdistance.h"
int main(void)
{
nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2); // 优先级分组
systick_config(); //滴答定时器初始化 1ms
usart_gpio_config(115200U);
ADC_DMA_Init();
printf("ADC+DMA demo start\r\n");
while(1)
{
printf("Distance = %.2f\r\n", Get_IRdistance_Distance() );
delay_1ms(1000);
}
}
移植现象：输出ADC值和换算后的实际距离。
移植成功示例，见文件2.4.4-1 。
文件2.4.4-1
