發布日期：2022-04-28 點擊率：102
Other Parts Discussed in Post: OPT3101, MSP430FR5994, LM2664
作者：Patrick Zeng, South China FAE
摘要
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。
目錄
1． OPT3101校準概述............................................................................................................................................................................................ 2
2． 工廠校準具體步驟.............................................................................................................................................................................................. 3
2.1 工廠校準流程介紹............................................................................................................................................................................................... 3
2.2 SDK使用介紹...................................................................................................................................................................................................... 5
2.3 工廠校準程序介紹............................................................................................................................................................................................... 5
3． 產線工裝搭建..................................................................................................................................................................................................... 7
3.1 工裝方案推薦...................................................................................................................................................................................................... 7
3.2案例說明.............................................................................................................................................................................................................. 9
4． 常見問題調試經驗............................................................................................................................................................................................. 11
4.1 發射串擾校準失敗.............................................................................................................................................................................................. 11
4.2 相位校準失敗...................................................................................................................................................................................................... 12
4.3 EEPROM讀寫失敗.............................................................................................................................................................................................. 12
5. 參考文獻................................................................................................................................................................................................................ 13
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：
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：
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：
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)
第二步： 控制工裝把黑色遮擋物覆蓋接受管： 用戶自定義
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)
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)
第六步：將校準數據載入EEPROM。
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。
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。
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：
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：
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：
圖7 OPT3101接收燈負電壓供電
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。
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：
圖10 OPT3101 Configuration Tool設置EEPROM界面
5. 參考文獻
OPT3101 ToF-based Long-Range Proximity and Distance Sensor AFE
OPT3101 Distance Sensor System Calibration
Introduction to Time-of-Flight Optical Proximity Sensor System Design
OPT3101 evaluation Module User's Guide
Wide-range (120° FoV at 1.6 meters) proximity sensing reference design with immunity to sunlight
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