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OPT3101工廠校準指南與調試經驗

星星科技指導員 ? 來源:TI ? 作者:TI ? 2023-03-22 09:22 ? 次閱讀

OPT3101是TI新一代基于ToF原理的模擬前端測距芯片,用戶可以利用TI官網提供的數據手冊,設計工具,評估板等開源資料,根據應用場景實現靈活的定制化設計。同時,在大批量生產期間,需要對每一片OPT3101進行校準,我們把這個環節稱為工廠校準。 本文重點介紹在工廠校準環節中的具體步驟,產線工裝的搭建指南,以及分享常見問題的調試經驗,以幫助用戶順利完成OPT3101系統的量產工作。

1. OPT3101校準概述

OPT3101與傳統紅外,超聲波等方案對比具體高精度,寬視角,以及對溫度,光照免疫等優勢,還可以在某些應用場景下避免專利問題(如掃地機器人避障功能)。同時,該方案為1D ToF,從系統成本上同樣具備競爭力,因此應用范圍非常廣泛。但是,無論哪一類型的應用場合,OPT3101一個必須解決的應用挑戰便是校準環節。

OPT3101校準指的是:為了補償OPT3101系統由元器件PCB布板以及環境干擾帶來的負面影響,為了保證測距的性能和一致性,OPT3101在正常使用前用戶需要對其進行一系列的校準動作,包括寄存器的操作,數據的計算,轉換和存儲等。 OPT3101校準大致可以分為兩種類型:

第一類校準是串擾校準和相位校準。這類校準無論是在調試階段,還是在批量生產階段都需要對每一片OPT3101進行操作。該環節我們稱為工廠校準。在工廠校準結束后,數據會存儲于外置非易失性存儲器中。在OPT3101系統重新上電正常使用時,該數據會自動加載進入OPT3101,從而使其正常穩定工作。 大致步驟如下所示:

pYYBAGQaWEuAPT7wAABOBRRAHGE795.png

圖1 OPT3101出廠前后流程示意圖

第二類補償包括溫度校準,和環境光校準。這類校準動作在設計確定下來后,只需挑選少量的樣品單元(如5片)進行操作即可,而無需對每一片OPT3101進行操作。確認后,該校準參數可以應用于其他所有的單元。

本文重點介紹的是第一類校準環節,即需要在自動化生產線上完成的校準環節 – 工廠校準。要實現該目標,用戶需要了解兩方面的信息:一、工廠校準的具體步驟是什么;二、如何搭配量產工裝一起實現工廠校準。以下分別從這兩個方面進行詳細展開。


2. 工廠校準具體步驟

2.1 工廠校準流程介紹

工廠校準主要由以下4大部分組成:

1)內部串擾校準:任何芯片本身或者周圍器件由于數字開關信號帶來的噪聲,都可以視為內部串擾。這個串擾的校準步驟只需要在程序中實現即可。

2)發射燈串擾校準:由光電發射管引起的噪聲,被定義為發射燈串擾。 該串擾的校準過程描述如下:

首先,需要用黑色遮擋物(不透光)遮擋接收頭,以避免任何光線被芯片接收頭采樣。常用的遮擋物如黑色膠帶等。

然后,在程序中通過I2C讀取AMP_OUT的數值,通常如果硬件電路設計正確,該數值為幾百范圍。 如果大于1000,甚至更大,則說明發射燈串擾太大,優先建議重新進行硬件電路設計。

再次,確定AMP_OUT數值在正常范圍后,調用SDK中關于發射燈串擾的程序,執行完畢后,再次讀取AMP_OUT的數值。 整個過程都保持接收頭被遮擋。

最后,通常在校準完畢后,殘余串擾值(AMP_OUT)會在10以內(也可能20左右)。 但如果校準完一次后,發現效果不佳,可重復執行第二遍。如果依然不行,則需要重新優化硬件設計。具體調試經驗會在第四章內容中說明。

3)相位校準:在完成串擾校準后,需要對相位(距離)信息進行校準。過程描述如下:

首先,把接收頭的遮光罩移除。 將一個參考物體放置在OPT3101模塊正前方。 該參考物體的選擇原則上避免深色,最好保持光滑和連續。典型選擇為白色墻面。物體放置的距離不宜太遠,需要確保該距離能夠使得AMP_OUT的數值大于10000。 可以推薦工程經驗值為100mm~150mm。

然后,調用SDK程序中關于相位校準的程序,程序執行完畢后,可以直接讀取此時PHASE_OUT,通過判斷PHASE_OUT是否滿足參考物體的預設距離。 距離與PHASE_OUT的轉換關系如下: Distance(mm) = Phase_Out * 0.2287

4)載入存儲介質:在完成上述所有校準后,需要把校準數據載入存儲介質,如EEPROM。直接調用SDK中的寫入EEPROM語句即可。

上述步驟用具體流程圖可總結如下:

poYBAGQaWEyAUxrKAAGz7LLCUCg746.png

圖2 工廠校準流程圖

2.2 SDK使用介紹

以上校準步驟以及流程圖的描述中有多次提及,校準過程有賴于調用SDK的程序實現。SDK工具包是開發OPT3101必不可少的部分,以下對SDK進行基本介紹:

1)SDK的目的:

OPT3101的工廠校準過程涉及一系列的操作,如配置OPT3101工作模式;將測得數據寫入OPT3101;從OPT3101中讀取數據;在不同變量和寄存器中進行數據轉換;把所有校準相關的參數寫入對應EEPROM等。

SDK就是對于OPT3101相關的寄存器讀寫操作,各類功能(如校準環節)都進行打包,以庫文件的形式給用戶提供便捷的開發工具包。如果沒有SDK,以上所有操作(從底層代碼到邏輯執行)都需要用戶自行完成,工作量會非常大。因此,SDK可以大大加速軟件開發的過程。

2)SDK的資源介紹:

OPT3101的SDK可以在官網頁面下載

http://www.ti.com/product/OPT3101/toolssoftware

其中包含了SDK的C++源文件,SDK詳解文檔等;

2.3 工廠校準程序介紹

用戶可以將以下參考代碼介紹結合圖2流程圖一起閱讀,有助于熟悉整個流程的具體細則。以下代碼可以在SDK中查詢,也可以在TI官網發布的參考設計TIDA-010021相關鏈接中查詢源文件。以下進行工廠校準程序介紹:

首先,工廠校準程序需要調動以下指令集:

poYBAGQaWE2AIFlVAAAkRW4yBI8016.png

然后,我們對工廠校準程序分步驟進行分析:

第一步: 復位,初始化,啟動內部串擾校準程序(SDK)

pYYBAGQaWE6AVdj4AAAr5byfiRo961.jpg

第二步: 控制工裝把黑色遮擋物覆蓋接受管: 用戶自定義

poYBAGQaWE6AWzKUAAAWfYkdfzw916.jpg

第三步:執行發射串擾校準程序。

循環三個發射管的寄存器配置,進行串擾校準并載入校準數據(SDK)

pYYBAGQaWE-AJvMAAACRRqJxzX0978.jpg

第四步:移除接收頭遮光罩,并放置參考物至預設距離。

用戶需在程序中編寫給目標距離語句賦值:150; 并且控制工裝挪開黑色遮擋物, 并且控制弧形墻面的位置距OPT3101模塊150mm處: 用戶自行定義

第五步:執行相位校準程序。

循環三個發射管的寄存器配置,進行相位校準,并載入相位校準數據;(SDK)

poYBAGQaWFCACYd1AACX77-3k-s276.jpg

第六步:將校準數據載入EEPROM。

pYYBAGQaWFGALBe6AAAgVVLF0w8031.jpg

3. 產線工裝搭建

3.1 工裝方案推薦

產線工裝需要滿足上述校準的流程,用戶可以根據理解自行設計。 以下提供一個系統框架供案例以作參考:

方案一:在測距模塊中加入一顆MCU,完成工廠校準的工作。同時,該MCU也執行測距程序,與主機用IC/UART進行通信以輸出測距信息。 該MCU的選型需要有足夠的存儲空間,以確保能夠執行SDK語句并且保存數據。

優點:把OPT3101從工廠校準到正常工作測距的代碼都集中在一個控制器內,可簡化開發復雜度,方便更新升級,以及實現模塊化設計。

缺點:增加額外的MCU成本。

poYBAGQaWFKALDbFAABalhV6gNY897.jpg

圖3 工裝方案一

方案二:在模塊中加入一顆EEPROM,完成存儲工廠校準的數據。同時,在產線工作上外置一顆MCU專用于執行工廠校準步驟。而測距程序則放在主機側的MCU中完成。

優點:整體成本最優。

缺點:軟件開發較第一種方案復雜,需要用戶在兩顆MCU中分別完成程序的編寫。

poYBAGQaWFKAEp_lAABbSGd4sZ4794.jpg

圖4 工裝方案二

總的來說,對于成本敏感的應用場合,方案二是更好的選擇。 對于希望加速開發進度,以及實現模塊化設計的應用場合,可以考慮使用方案一。

3.2案例說明

接下來對于方案二,我們舉例說明產線工裝的搭建細則。

系統框架如圖3所示:OTP3101模塊中包括一顆OPT3101,以及REERPOM,選型為24C02。

工裝上的MCU我們選取了TI的MSP430FR5994評估板。MSP430評估板的作用是1) 通過對OTP3101寄存器進行讀寫,校準,把數據寫入EEPROM。2)控制工裝機械裝置,配合完成校準步驟。3)用戶生產線人機交互的控制(按鍵,顯示等)。 評估板的I/O控制邏輯可以按照用戶需求自行定義,該案例中我們定于了STATE, RESET, START, READY, 具體用途如下圖所示:

pYYBAGQaWFOAXaMFAADjj1m1Bhs753.jpg

圖5 MSP430評估板引腳定義

內部串擾校準階段: STATE信號由低變高,工裝就緒。 RESET信號由高變低,MSP430就緒。開始調用SDK語句進行內部串擾校準。

發射串擾校準階段: START信號由高變低,MSP430發出指令開始遮擋接收頭。 等待接收頭完全被遮擋后,工裝發出READY指令,由高變低,遮擋動作完畢。 開始調用SDK發射串擾校準語句,進行串擾校準。

相位校準階段:串擾校準完成后,MSP430發出指令開始移除遮擋物。等待遮擋物完全被移除后,工裝發出READY指令,由低變高。 發射燈此時直對預置參考物,開始調用SDK相位校準語句,進行相位校準。

校準完畢: 校準完畢后調用SDK語句將數據加載入24C02,然后MSP430發出RESET指令,由低變高,通知工裝推出工作模式。 工裝退出工作后STATE信號由高變低,完成一次校準循環。

以上步驟用圖6流程圖可以一一對應如下:

poYBAGQaWFSAOD0DAADh6rbLAtI108.png

圖6 工裝執行步驟流程圖

4. 常見問題調試經驗

4.1 發射串擾校準失敗

如上文所述,用戶可以通過判斷殘余串擾數值(AMP_OUT)是否低于20來判斷發射串擾是否校準成功。如果判斷失敗,通常可以從以下幾個方面進行調試:

1) 硬件電路問題: 如果殘余串擾數值很高,則需要考慮進行優化硬件設計。 常用的有幾種途徑:

a) 檢查INP和INM匹配電容;數字地與模擬地的隔離問題(磁珠在10MHz的阻抗需要足夠大,建議500歐姆以上);電源電路中使用低ESR的瓷片電容。

b) PCB布局不理想。 關于PCB布局的詳細介紹可以在OPT3101數據手冊第10節以及OPT3101系統設計文檔第8節中查詢。

c) 使用負電壓給接收管陽極進行供電。 采用TI電荷泵方案,如LM2664可以實現低成本,設計簡單的負壓產生電路,具體如下圖所示:

pYYBAGQaWFSAbNy9AAARJ2HKbT4147.png

圖7 OPT3101接收燈負電壓供電

poYBAGQaWFWACsp8AAAvbwEFm-Q987.png

圖8 基于LM2664電荷泵負壓方案

2) 光學隔離問題:在做發射串擾的校準以及驗證的過程中,需要保證接收管始終被遮光罩屏蔽。 該遮光罩通常為系統所用波長不透明物體,如黑色膠帶,黑色塑料件等。對于發射管和光電二極管之間的光學隔離細節,也可以在OPT3101系統設計文檔中查詢。

4.2 相位校準失敗

OPT3101的相位校準過程中需要借助參考物體。因此,必要確保該參考物體的合理擺放:

1)參考物滿足條件: 如上文所述,參考物的距離要足夠的近,確保采樣的幅值足夠的高(AMP_OUT>10000)。 同時注意的是,不同材質,不同顏色的物體,也會對幅值信號產生不同的影響。最后, 發射電流的大小也會對幅值信號產生不同的影響。以上因素,用戶都需要根據實際的情況進行調整。

2)無機械裝置遮擋視線:在工裝上由于機械裝置繁多,可能出現部分線纜,支撐臂等裝置遮擋了OPT3101視角范圍的情況。另外,在程序邏輯的控制中,也需要確保接收頭遮光罩完全打開后,程序才進一步執行相位校準環節。

4.3 EEPROM讀寫失敗

OPT3101內部沒有非易失性存儲器,因此所有工廠校準數據需要存儲到外置非易失性存儲器中。 一個常用的方式是外置EEPROM。如果發現讀寫失敗,可以從以下兩個方面進行檢查:

1) 硬件電路:如下圖所示,OPT3101有兩個I2C接口:I2C_M接外置EEPROM,I2C_S接主機MCU。 在工廠校準結束前,OPT3101通過I2C_M把數據載入EEPROM。在校準結束后OPT3101重新上電初始化后,EEPROM會自動通過I2C_M把工廠校準數據寫入OPT3101寄存器。OPT3101則通過I2C_S把測距數據給到主機MCU。因此,可以通過觀察I2C_M上的波形,來判斷EEPROM是否有數據讀寫。 如需判斷該數據是否正確,則可以通過程序,截取讀寫前后I2C的數據進行判斷。此外,由于大部分EEPRROM具有寫保護(WP)引腳,在調試時需要確保該引腳具有正確的電平信號。

pYYBAGQaWFaAboFJAAAlNP3iO1I583.png

圖9 OPT3101連接EEPROM示意圖

2)OPT3101初始化配置:由于OPT3101可以配置為外接EEPROM模式,或者不外接EEPROM (轉而將數據存入主機MCU內存儲器)。 其配置需要在初始化函數,即initialize();中完成。TI推薦的方式為利用TI官網提供的OPT3101 Configuration Tool進行設計,生成C++代碼后,移植到initialize();函數段內。如下圖所示:

poYBAGQaWFeAJ9RQAAMpCvditZ0823.png

圖10 OPT3101 Configuration Tool設置EEPROM界面

審核編輯:郭婷

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