- 项目介绍

2024艾迈斯欧司朗dToF传感器光电设计竞赛是由艾迈斯欧司朗赞助硬禾科技举办。本次项目，首先编译适配了RP2040游戏机套件的CircuitPython 镜像，依托开源的TMF8821 dToF传感器驱动，实现在RP2040游戏机套件上进行使用TMF8821 dToF传感器 进行被测平面的 与 设备间夹角的动态变化。

-使用到的硬件介绍

树莓派RP2040游戏机套件 和 TMF8821 dToF传感器模块.

树莓派RP2040游戏机套件，不仅拥有丰富的传感器，还带有屏幕和案件，背面还有扩展接口。方便扩展

dToF模块是基于 TMF8821 设计的直接飞行时间 （dToF） 传感器模块，TMF8821采用单个模块化封装，带有相关的 VCSEL（垂直腔面发射激光器）

- 方案框图和项目设计思路介绍

几何抽象

• 传感器会获得 三个到平面的距离 OA OB OC,
• 根据数据手册，可以知道∠AOC为32°，且 ∠AOB = ∠BOC,∴ ∠AOB = ∠BOC=16°
• 传感器垂直固定于底板，所以OB⊥OM，三角形OMB是直角三角形
• ∠OMB的角度就是 开发板与墙面的夹角（OA 和 OC 中较短的 会和墙面形成夹角）
• ∠BOM 在 三角形 AOB 中
• 三角形 AOB 中 已知了OA 和 OB的长，∠AOB =16
• 第一次三角函数，三角形 AOB 中，计算 AB 长度
• 第二次三角函数，三角形 AOB 已知三边长，计算∠BOM 度数
• 在直角三角形OMB中，∠OMB = 90 - ∠BOM

主要实现的方案逻辑如下

1. 传感器获取三个角度的到被测平面的距离
2. 利用几何余弦定理，计算角度

具体设计和实现步骤

• 适配了树莓派RP2040游戏机 的CircuitPython（以下称 CPY） 固件
• 找到了合适的CPY 驱动
• 两次 余弦定理计算夹角
• 屏幕输出实时计算结果

- 软件流程图和关键代码介绍

• lib是主要驱动库和依赖库
• main文件是入口文件
• consie_law 是 余弦定理函数
• i2c_0 不是项目必须文件（ 因为开发有2路I2C,项目中使用的是GP16/17）

主要代码：

• consie_law.py

import math

def calculate_angle_A(a, b, C_deg= 16):
    """
    计算三角形的角 A，给定边 a, b 和夹角 C（度数）。
    
    参数:
    a (float): 边 a 的长度
    b (float): 边 b 的长度
    C_deg (float): 夹角 C 的角度（度数）
    
    返回:
    float: 角 A 的角度（度数）
    """
    # 将角度 C 转换为弧度
    C_rad = math.radians(C_deg)
    
    # 使用余弦定理计算边 c 的长度
    c = math.sqrt(a**2 + b**2 - 2 * a * b * math.cos(C_rad))
    
    # 使用余弦定理计算角 A
    cos_A = (b**2 + c**2 - a**2) / (2 * b * c)
    
    # 确保余弦值在[-1, 1]的范围内，防止由于浮动误差导致的 math domain error
    cos_A = max(-1, min(1, cos_A))
    
    A_rad = math.acos(cos_A)  # 反余弦，得到角 A 的弧度
    
    # 将角 A 转换为度数
    A_deg = math.degrees(A_rad)
    
    return A_deg
if __name__ == '__main__':
    # 示例使用：
    a = 366
    b = 390
    C_deg = 16

angle_A = calculate_angle_A(a, b,C_deg)

print(f"角 A 的角度为: {angle_A:.2f}°")

print(90-angle_A )

函数前半部分是第一次余弦定理 计算 第三条边的长度，然后后半部门计算 角度

对应的两个公式如下

• 程序入口文件main.py

import time
import board
from adafruit_ticks import ticks_ms, ticks_diff
from busio import I2C

from lib.tmf8821 import TMF8821
from cosine_law import calculate_angle_A

i2c = I2C(scl=board.GP17, sda=board.GP16, frequency=125000)

tof = TMF8821(i2c, verbose=True)

tof.config.iterations = 5.5e5  # PDF page 21:550k
tof.config.period_ms = 32  # PDF page 21:32.2 ms

'''
'3x3_normal_mode': 1,
'3x3_macro_mode_upper': 2,
'3x3_macro_mode_lower': 3,
'3x3_wide_mode': 6,
'3x3_checkerboard_mode': 11,
'3x3_inverted_checkerboard_mode': 12,
'4x4_normal_mode': 7,
'4x4_macro_mode_upper': 4,
'4x4_macro_mode_lower': 5,
'4x4_narrow_mode': 13,
'3x6_mode': 10,
'''
tof.config.spad_map = '3x3_normal_mode'
tof.config.spread_spectrum_factor = 5

tof.write_configuration()

tof.active_range = 'short'

第一部分主要是根据数据手册进行初始化

if True:
    print('Starting measurements...')
    tof.start_measurements()
    while True:
        t_start = ticks_ms()
        measurement = tof.wait_for_measurement(timeout_ms=500)
        
        # PDF page 26
        out_dis_2 = measurement.distances[1]
        out_dis_5 = measurement.distances[4]
        out_dis_8 = measurement.distances[7]

        if (measurement.confidences[1] == 255 and
            measurement.confidences[4] == 255 and
            measurement.confidences[7] == 255):
            # print(out_dis_2,out_dis_5,out_dis_8)
            out_wall_angle = 90 - calculate_angle_A(min(out_dis_2,out_dis_8),out_dis_5)
            print('Angle to the wall :',round(out_wall_angle,2),' and distance is ',out_dis_5,' mm')
            
            
        else:
            print('Out of measurements.')
        time.sleep(1)

主循环中，选择了 2/5/8 三个SPAD 点的距离（高置信度为255），对应是三个点到墙面距离。

为什么，没有选择数据手册中的水平的 4/5/6？

因为数据手册中是水平摆放，但是传感器模块在开发板使用时，是垂直放置。

在测量结果中，5号位就是 垂直到墙面的距离。 2和8 中较短的是计算边

在Line# 中使用 calculate_angle_A 计算后，得出夹角。

- 功能展示图及说明

通电后就开始测量和输出计算结果在屏幕上

改变角度

右侧角度

角度过大，会超出量程

动态效果，请看视频比较清楚

- 项目中遇到的难题和解决方法

• 首先遇到的是没有MPY的驱动，只找到CPY的驱动，所以自己手动适配了MPY
• 开发板进入UF2 的按钮和其他略有不同，对应按键为B

- 对本次竞赛的心得体会（包括意见或建议）

1. 学习了适配CircuitPython

2. 了解了dToF传感器

3. Game kit 麻雀虽小，五脏俱全

4. TMF8821 文档详细

5. MicroPython的支持

1. 基于RP2040，不支持Wi-Fi

2. dToF传感器，缺乏MicroPython 库支持

   - 可编译下载的代码文件（在电子森林我的项目-设计资源-附件处）