内容介绍

【项目介绍】

本项目使用RP2040 Game Kit板卡和TMF8821 dToF传感器模块，实现角度测量的功能，是2024艾迈斯欧司朗dToF传感器光电设计竞赛的任务一。

本项目的主要难点在于如何驱动TMF8821 dToF传感器模块，以及如何计算平面与传感器板的YAW及PITCH角，并将测量的数值显示到屏幕上。

【硬件介绍】

完成项目的第一步是熟悉板卡和传感器。RP2040 Game Kit板卡是基于RP2040的游戏套件，外形如一个mini的游戏手柄，具备手柄的方向键，AB，SEL，Start按键，当然本次任务中不会用到。将板卡通过USB_C连接到PC后，会有一个串口出现，PC端使用Thonny进行microPython编程。通过工具-选项，设置端口后，即可看到RP2040的内部文件系统，将所需的.py文件上传到板内即可运行对应程序。

对于传感器，这是一个dToF传感器，它是一种基于直接飞行时间原理的测距技术，用于精确测量物体与传感器之间的距离。它通过发送高密度光脉冲并捕捉其反射回来的时间差来计算距离，具有快速响应和高精度的特点。dToF传感器广泛应用于消费电子、自动驾驶、机器人导航等领域，尤其在需要实时、准确的距离数据时表现突出。与传统测距技术相比，dToF传感器在复杂环境中仍能保持较高的测量稳定性，适用于室内定位、物体识别等多种应用场景。TMF8821 dToF传感器模块可以实现3*3的区域测试，所以可以实现对平面的角度测量。

硬件连接图如下：

【项目设计思路介绍】

基于此，为了完成任务1：角度测算：将板卡组合后固定,并保证与面前的平面存在一定夹角，通过程序测算出板卡距离屏幕的夹角和垂直中心距离。需要进行需求的拆解。

任务拆解如下：

1）初始化屏幕；

2）绘制屏幕基础元素；

3）初始化dToF传感器；

4）读取传感器数据；

5）计算角度和最小距离；

6）绘制计算数据到屏幕上。

【软件流程图和关键代码介绍】

软件流程图如下：

对于需求1）：配置SPI0，实例化st7789类。

#初始化屏幕
spi_sck=Pin(2)
spi_tx=Pin(3)
spi0=SPI(0,baudrate=4000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)

display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_width,
                        reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),
                        dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),
                        xstart=0, ystart=0, rotation=0)

对于需求2）：填充屏幕颜色为蓝色，绘制xy轴。

#填充背景
display.fill(st7789.BLUE)

# 绘制坐标系
def draw_2d_axes(tft):
    tft.line(120, 210, 120, 20, st7789.RED)#X轴
    tft.line(20, 120, 220, 120, st7789.GREEN)#Y轴

draw_2d_axes(display)

对于需求3）：初始化I2C为Pin16、Pin17，并初始化TMF8821 dToF传感器。

#配置TMF8821 start
tm8821 = I2C(0, scl=Pin(17), sda=Pin(16),freq=400000)  # 配置 SCL 和 SDA 引脚
ENABLE = Pin(22, Pin.OUT)
INIT_MESSURE(tm8821,tmf8828_image,tmf8828_image_length,ENABLE)
#配置TMF8821 end

对于需求4）：调用驱动部分函数，读取传感器数据，为3*3共9个点的数据。

    #读取9个点的距离数据
    distances=readdistance(tm8821,distances)

对于需求5）：调用函数计算角度和最小距离。

    n,P= calNormandP(distances)
        #计算最小距离
        dis =plane_distance_to_origin(n[0],n[1],n[2],P[4][0],P[4][1],P[4][2])
        #计算角度
        pitch_deg, yaw_deg = calculate_angles(n[0],n[1],n[2])

对于需求6）：绘制计算数据到屏幕上。

    #显示角度
    display.text(font1, "YAW_A= %0.2f" %(yaw_deg) , 20 ,  10)
    display.text(font1, "PITCH_A=%0.2f" %(pitch_deg) , 20 ,130)
    #显示最小距离
    display.text(font1, "MIN_Dist=%04d" %(dis) , 20 ,  200)

最后，程序主体为死循环，循环内有10ms延时控制负载。

#开启主循环
while True:
    sleep_ms(10)
    drawData(distances)

基于以上软件需求，在RP2040 Game Kit上插上TMF8821 dToF传感器小板子，供电后，屏幕正常显示数据，完成本次任务。

【功能展示图及说明】

任务效果如下描述：

给连接好的硬件供电后，显示屏幕初始化为蓝色并绘制坐标轴，待初始化好TMF8821 dToF传感器后，会显示YAW角度，PITCH角度和平面距离中心值，改变Game Kit和前方平面的相对关系，可看到数值随着运动变化。

实物演示图片：

【对本次竞赛的心得体会】

本次任务，熟悉了RP2040的使用，它可以很方便使用microPython编程，也熟悉了dToF传感器，了解如何初始化和调用它，能够读取到3*3个点分别返回的数据，并通过计算求得与平面的夹角和中心距离。