意法半導(dǎo)體KST測距傳感器應(yīng)用案例

KST3420 和 KST3220 是意法半導(dǎo)體（ST）合作伙伴計劃授權(quán)成員 KS Technologies（又稱：KST）公司開發(fā)的測距傳感器，也是意法半導(dǎo)體飛行時間（ToF）傳感器的一個應(yīng)用研究案例。在過去的四年里，這家產(chǎn)品制造和工程服務(wù)公司在多個國家部署了數(shù)千個各種用途的測距傳感器。

例如，有些傳感器用于監(jiān)測主題公園垃圾箱滿溢度，從而優(yōu)化垃圾收集效率；還有一些則用于農(nóng)場或智慧城市。此外，許多工程師還會對 KST3420 和 KST3220 的45天原型開發(fā)周期給予好評，因為大多數(shù)原型開發(fā)通常需要幾個月甚至幾年的時間。下面，讓我們來探討KST的故事，并學(xué)習(xí)他們的經(jīng)驗。

第1章：具有挑戰(zhàn)性的假設(shè)

破解難題—垃圾滿溢度問題

KST的故事始于一個問題：“測量垃圾箱內(nèi)的垃圾滿溢度，哪種方法最好？” 這是一個棘手的問題，因為傳感器必須在各種光照條件下和各種形狀的容器內(nèi)工作，同時必須有較長的電池續(xù)航時間。幾年前，在KST開始研發(fā)時，許多人無法確定哪種方法是檢測垃圾箱滿溢程度的最佳手段。有一位客戶因為現(xiàn)有設(shè)備的檢測準確度低，電池續(xù)航時間不盡人意，而找到KST。此外，該客戶使用 Sigfox技術(shù)連接當前傳感器和云端，因此需要支持Sub-G網(wǎng)絡(luò)。

使用KST3520測量垃圾箱內(nèi)的垃圾滿溢度

一決高下——光電二極管對決超聲波陣列

當客戶提出垃圾箱滿溢度測量問題時，KST 的工程師正在用當時最小的飛行時間傳感器 VL53L0X開發(fā)解決方案。因此，KST 找到一塊 Nucleo 開發(fā)板和一個帶有 MEMS傳感器的 Nucleo Shield子板，向客戶展示他們的解決方案。但是，客戶還要求提供基于超聲波傳感器的原型方案，因為當時普遍的看法是超聲波比SPAD(單光子雪崩二極管)的準確度更高。因此，KST對這兩種產(chǎn)品進行大約兩個月的對比測試。最終，VL53L0X以絕對優(yōu)勢勝出，客戶毫不猶豫地選擇了意法半導(dǎo)體。

一個嶄新的世界——現(xiàn)場安裝8,000個傳感器

使用KST3320測量填充水平

在對決結(jié)束前，KST 得到了一個的產(chǎn)品原型，為產(chǎn)品開發(fā)打下了基礎(chǔ)。事實上，該原型不僅有助于坐實 VL53L0X 的優(yōu)勢，還展示了 STM32的優(yōu)勢?？蛻艨吹蕉ㄖ圃O(shè)計與Nucleo 板使用相同的MCU，認為這樣設(shè)計很有意義。這是一條明確的產(chǎn)業(yè)化路徑，產(chǎn)生了 KST 的第一代測距傳感器 KST3300。KST 將其部署在 8,000 個垃圾箱中，并管理這個知識產(chǎn)權(quán)。因此，這家意法半導(dǎo)體合作伙伴可以將該測距傳感器技術(shù)授權(quán)給其他公司，并不斷地改進技術(shù)。另一方面，KST為客戶提供維護和供貨保證。

第2章：創(chuàng)新興起

工程界——新的行業(yè)需求

隨著 KST 向更多客戶和地區(qū)展示設(shè)計，工程師還發(fā)現(xiàn)了更廣泛的需求。例如，一些人不想要 Sigfox，而想用其他協(xié)議，其中許多人傾向于 LoRaWAN、低功耗藍牙和 Wi-Fi。許多公司已經(jīng)有了Sub-G網(wǎng)絡(luò)，所以KST 不得不用Sub-G。此外，KST 的設(shè)計團隊還為 KST3300 編寫了驅(qū)動程序。雖然驅(qū)動軟件幫助他們更快地發(fā)售產(chǎn)品，但在陽光直射或非常近的距離（0 毫米到 100 毫米之間）時，測距器性能出現(xiàn)了問題。最后，KST 希望延長測距器的電池續(xù)航時間，使其更具吸引力。

揭開帷幕——采用 LoRa 和 Sigfox

KST 開發(fā)了第二代測距器來克服這些挑戰(zhàn)。該公司改用了Murata 模塊，該模塊內(nèi)置STM32 微控制器和 Semtech的支持 Sigfox 和 LoRa的調(diào)制模組。因此，KST 可以提供更大的靈活性并適應(yīng)幾乎所有的現(xiàn)有的客戶基礎(chǔ)設(shè)施。具體而言，這意味著可以留住從KST3300受益的客戶，同時還能夠?qū)鞲衅鞑渴鸬狡渌麘?yīng)用，例如，智慧城市。

明星誕生——全面改進

為了提高性能和電池續(xù)航時間，KST 采用了剛剛上市的 VL53L1X，并使用意法半導(dǎo)體的驅(qū)動程序。新傳感器具有多區(qū)監(jiān)測能力，這為他們的測距器打開了新的應(yīng)用機會，例如，人數(shù)統(tǒng)計。改用ST 驅(qū)動器還能實現(xiàn)新的低功耗模式，改進校準過程，并減少串擾噪聲。此外，KST采用意法半導(dǎo)體鏡頭，結(jié)合其他措施，確保在極短距離內(nèi)具有更好的性能。新的 MEMS 也集成到Nucleo產(chǎn)品系列，可以加快原型設(shè)計速度。這就是 KST3320如何在 KST 實驗室中誕生的。

第3章：原型開發(fā)速度實現(xiàn)飛躍

不是我的地盤——物聯(lián)網(wǎng)面臨更嚴酷的現(xiàn)實

在發(fā)布 KST3320 之后，KST公司開始收到新的需求建議：將 RF部分與產(chǎn)品的其余部分分開。這種需求背后的原因是確保系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣闊。例如，一位客戶要求測量大型混凝土構(gòu)件下的水位，在這種情況下，將 RF 模塊放在槽外可以大大提高射頻的能效。此外，市場對 KST 傳感器的新需求通常是要在更惡劣的環(huán)境中使用該產(chǎn)品。無論是在酷熱的美國南部還是冬季寒冷的加拿大，傳感器都必須在極端條件下工作。最后，KST 希望提高產(chǎn)品的電池續(xù)航時間。

分而治之——模塊化的到來

在第一代和第二代產(chǎn)品之后，KST 另辟蹊徑，采用了快速開發(fā)原型方法。該公司開發(fā)了一款位于 STM32 Nucleo 板和 Murata Shield板之間的轉(zhuǎn)接板。因此，KST 現(xiàn)在的傳感器原型板可以用 Arduino 連接器中斷所有信號或重置設(shè)備。整個裝置采用IP67 防水等級外殼，可以與傳感器分開使用。

為了連接兩個模塊，KST 用容易買到的螺紋連接器，因此不會推高成本。這就是該公司開始在KST3320 中使用 STM32WL的原因。通過采用快速原型開發(fā)方法，該公司改用新的MCU，以滿足新的無線連接需求。

為了進一步促進模塊化，KST 還提供配置和應(yīng)用服務(wù)軟件。他們的目標是提供可以發(fā)揮傳感器性能的軟件工具。因此，KST 開發(fā)了云端儀表板和通知系統(tǒng)。隨著 KST3420 和KST3220 的問世，該公司還開發(fā)了一個完整的基礎(chǔ)設(shè)施，將數(shù)據(jù)從現(xiàn)場推送給決策者。簡而言之，KST 開發(fā)的是功能完整的產(chǎn)品原型，而不是只有基本功能的概念驗證。

最后的邊界——滲透新興市場和地區(qū)

KST3420 和 KST3220 的模塊化意味著 KST 開發(fā)出了基于VL53L3CX的產(chǎn)品，設(shè)計團隊已經(jīng)在考慮使用VL53L5CX 開發(fā)新產(chǎn)品。因此，雖然大多數(shù)原型開發(fā)需要數(shù)月甚至數(shù)年時間，但 KST 在 45 天內(nèi)完成了新一代產(chǎn)品的原型開發(fā)。改用模塊化方法還讓系統(tǒng)適應(yīng)更惡劣的環(huán)境。因此，該服務(wù)公司在得克薩斯州和卡爾加里的一個牧場部署了 KST3420。

結(jié)語

出色的工程團隊作品

關(guān)于KST的各代測距傳感器：KST3300、KST3320、KST3220、KST3520和KST3420

回顧過去，有很多經(jīng)驗教訓(xùn)值得工程師和設(shè)計公司學(xué)習(xí)。首先，與其等到洞悉一切后出貨，不如邊出貨邊學(xué)習(xí)。因為KST 發(fā)現(xiàn)了一個創(chuàng)新的解決方案，KST3300 的用戶在短短四個月內(nèi)就看到了投資回報。KST坦承其定制驅(qū)動程序或第一代產(chǎn)品性能存在一定的缺陷。但是，如果沒有 KST3300，就沒有 KST3320、KST3420 或 KST3220，不能實現(xiàn)最終只有45天的快速原型開發(fā)周期。

聰明的工程師擅長舊物利用

如今，KST 傳感器用三節(jié) AA 電池可以續(xù)航約一年，測量準確度媲美工業(yè)設(shè)備。他們率先推薦使用 Nucleo 板，而不是什么都定制。他們立即采用了ST驅(qū)動程序，而沒有更新自己的驅(qū)動程序。他們采用意法半導(dǎo)體的工作原理圖，并參加ST 網(wǎng)絡(luò)研討會，了解低功耗模式和其他功能。太多的工程師忽視了這一點——重新發(fā)明車輪無助于設(shè)計出更快的汽車。

有意義的創(chuàng)新是解決之道

因為 KST 使用了所有可用的工具，所以它可以進行有意義的創(chuàng)新。例如，工程團隊從 ST 原理圖開始優(yōu)化ST的解決方案，舍棄LDO穩(wěn)壓器，以獲得能效更高的解決方案。KST還學(xué)會了如何通過了解客戶的需求來提高能效。該公司就是這樣學(xué)會使用污跡校準或改進校準。最終，創(chuàng)新是開發(fā)解決方案，而不是開發(fā)產(chǎn)品。創(chuàng)新是傾聽和理解問題，以及客戶將如何獲得投資回報。

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審核編輯：劉清