OPT3101工厂校准指南与调试经验
opt3101是ti新一代基于tof原理的模拟前端测距芯片，用户可以利用ti官网提供的数据手册，设计工具，评估板等开源资料，根据应用场景实现灵活的定制化设计。同时，在大批量生产期间，需要对每一片opt3101进行校准，我们把这个环节称为工厂校准。 本文重点介绍在工厂校准环节中的具体步骤，产线工装的搭建指南，以及分享常见问题的调试经验，以帮助用户顺利完成opt3101系统的量产工作。
1． opt3101校准概述
opt3101与传统红外，超声波等方案对比具体高精度，宽视角，以及对温度，光照免疫等优势，还可以在某些应用场景下避免专利问题（如扫地机器人避障功能）。同时，该方案为1d tof，从系统成本上同样具备竞争力，因此应用范围非常广泛。但是，无论哪一类型的应用场合，opt3101一个必须解决的应用挑战便是校准环节。
opt3101校准指的是：为了补偿opt3101系统由元器件，pcb布板以及环境干扰带来的负面影响，为了保证测距的性能和一致性，opt3101在正常使用前用户需要对其进行一系列的校准动作，包括寄存器的操作，数据的计算，转换和存储等。 opt3101校准大致可以分为两种类型：
第一类校准是串扰校准和相位校准。这类校准无论是在调试阶段，还是在批量生产阶段都需要对每一片opt3101进行操作。该环节我们称为工厂校准。在工厂校准结束后，数据会存储于外置非易失性存储器中。在opt3101系统重新上电正常使用时，该数据会自动加载进入opt3101，从而使其正常稳定工作。 大致步骤如下所示：
图1 opt3101出厂前后流程示意图
第二类补偿包括温度校准，和环境光校准。这类校准动作在设计确定下来后，只需挑选少量的样品单元（如5片）进行操作即可，而无需对每一片opt3101进行操作。确认后，该校准参数可以应用于其他所有的单元。
本文重点介绍的是第一类校准环节，即需要在自动化生产线上完成的校准环节 – 工厂校准。要实现该目标，用户需要了解两方面的信息：一、工厂校准的具体步骤是什么；二、如何搭配量产工装一起实现工厂校准。以下分别从这两个方面进行详细展开。
2． 工厂校准具体步骤
2.1 工厂校准流程介绍
工厂校准主要由以下4大部分组成：
1）内部串扰校准：任何芯片本身或者周围器件由于数字开关信号带来的噪声，都可以视为内部串扰。这个串扰的校准步骤只需要在程序中实现即可。
2）发射灯串扰校准：由光电发射管引起的噪声，被定义为发射灯串扰。 该串扰的校准过程描述如下：
首先，需要用黑色遮挡物（不透光）遮挡接收头，以避免任何光线被芯片接收头采样。常用的遮挡物如黑色胶带等。
然后，在程序中通过i2c读取amp_out的数值，通常如果硬件电路设计正确，该数值为几百范围。 如果大于1000，甚至更大，则说明发射灯串扰太大，优先建议重新进行硬件电路设计。
再次，确定amp_out数值在正常范围后，调用sdk中关于发射灯串扰的程序，执行完毕后，再次读取amp_out的数值。 整个过程都保持接收头被遮挡。
最后，通常在校准完毕后，残余串扰值（amp_out）会在10以内（也可能20左右）。 但如果校准完一次后，发现效果不佳，可重复执行第二遍。如果依然不行，则需要重新优化硬件设计。具体调试经验会在第四章内容中说明。
3）相位校准：在完成串扰校准后，需要对相位（距离）信息进行校准。过程描述如下：
首先，把接收头的遮光罩移除。 将一个参考物体放置在opt3101模块正前方。 该参考物体的选择原则上避免深色，最好保持光滑和连续。典型选择为白色墙面。物体放置的距离不宜太远，需要确保该距离能够使得amp_out的数值大于10000。 可以推荐工程经验值为100mm~150mm。
然后，调用sdk程序中关于相位校准的程序，程序执行完毕后，可以直接读取此时phase_out，通过判断phase_out是否满足参考物体的预设距离。 距离与phase_out的转换关系如下： distance(mm) = phase_out * 0.2287
4）载入存储介质：在完成上述所有校准后，需要把校准数据载入存储介质，如eeprom。直接调用sdk中的写入eeprom语句即可。
上述步骤用具体流程图可总结如下：
图2 工厂校准流程图
2.2 sdk使用介绍
以上校准步骤以及流程图的描述中有多次提及，校准过程有赖于调用sdk的程序实现。sdk工具包是开发opt3101必不可少的部分，以下对sdk进行基本介绍：
1）sdk的目的：
opt3101的工厂校准过程涉及一系列的操作，如配置opt3101工作模式；将测得数据写入opt3101；从opt3101中读取数据；在不同变量和寄存器中进行数据转换；把所有校准相关的参数写入对应eeprom等。
sdk就是对于opt3101相关的寄存器读写操作，各类功能（如校准环节）都进行打包，以库文件的形式给用户提供便捷的开发工具包。如果没有sdk，以上所有操作（从底层代码到逻辑执行）都需要用户自行完成，工作量会非常大。因此，sdk可以大大加速软件开发的过程。
2）sdk的资源介绍：
opt3101的sdk可以在官网页面下载：
http://www.ti.com/product/opt3101/toolssoftware
其中包含了sdk的c++源文件，sdk详解文档等；
2.3 工厂校准程序介绍
用户可以将以下参考代码介绍结合图2流程图一起阅读，有助于熟悉整个流程的具体细则。以下代码可以在sdk中查询，也可以在ti官网发布的参考设计tida-010021相关链接中查询源文件。以下进行工厂校准程序介绍：
首先，工厂校准程序需要调动以下指令集：
然后，我们对工厂校准程序分步骤进行分析：
第一步： 复位，初始化，启动内部串扰校准程序(sdk)
第二步： 控制工装把黑色遮挡物覆盖接受管： 用户自定义
第三步：执行发射串扰校准程序。
循环三个发射管的寄存器配置，进行串扰校准并载入校准数据(sdk)
第四步：移除接收头遮光罩，并放置参考物至预设距离。
用户需在程序中编写给目标距离语句赋值：150； 并且控制工装挪开黑色遮挡物， 并且控制弧形墙面的位置距opt3101模块150mm处： 用户自行定义
第五步：执行相位校准程序。
循环三个发射管的寄存器配置，进行相位校准，并载入相位校准数据；(sdk)
第六步：将校准数据载入eeprom。
3． 产线工装搭建
3.1 工装方案推荐
产线工装需要满足上述校准的流程，用户可以根据理解自行设计。 以下提供一个系统框架供案例以作参考：
方案一：在测距模块中加入一颗mcu，完成工厂校准的工作。同时，该mcu也执行测距程序，与主机用ic/uart进行通信以输出测距信息。 该mcu的选型需要有足够的存储空间，以确保能够执行sdk语句并且保存数据。
优点：把opt3101从工厂校准到正常工作测距的代码都集中在一个控制器内，可简化开发复杂度，方便更新升级，以及实现模块化设计。
缺点：增加额外的mcu成本。
图3 工装方案一
方案二：在模块中加入一颗eeprom，完成存储工厂校准的数据。同时，在产线工作上外置一颗mcu专用于执行工厂校准步骤。而测距程序则放在主机侧的mcu中完成。
优点：整体成本最优。
缺点：软件开发较第一种方案复杂，需要用户在两颗mcu中分别完成程序的编写。
图4 工装方案二
总的来说，对于成本敏感的应用场合，方案二是更好的选择。 对于希望加速开发进度，以及实现模块化设计的应用场合，可以考虑使用方案一。
3.2案例说明
接下来对于方案二，我们举例说明产线工装的搭建细则。
系统框架如图3所示：otp3101模块中包括一颗opt3101，以及reerpom，选型为24c02。
工装上的mcu我们选取了ti的msp430fr5994评估板。msp430评估板的作用是1） 通过对otp3101寄存器进行读写，校准，把数据写入eeprom。2）控制工装机械装置，配合完成校准步骤。3）用户生产线人机交互的控制（按键，显示等）。 评估板的i/o控制逻辑可以按照用户需求自行定义，该案例中我们定于了state, reset, start, ready， 具体用途如下图所示：
图5 msp430评估板引脚定义
内部串扰校准阶段： state信号由低变高，工装就绪。 reset信号由高变低，msp430就绪。开始调用sdk语句进行内部串扰校准。
发射串扰校准阶段： start信号由高变低，msp430发出指令开始遮挡接收头。 等待接收头完全被遮挡后，工装发出ready指令，由高变低，遮挡动作完毕。 开始调用sdk发射串扰校准语句，进行串扰校准。
相位校准阶段：串扰校准完成后，msp430发出指令开始移除遮挡物。等待遮挡物完全被移除后，工装发出ready指令，由低变高。 发射灯此时直对预置参考物，开始调用sdk相位校准语句，进行相位校准。
校准完毕： 校准完毕后调用sdk语句将数据加载入24c02，然后msp430发出reset指令，由低变高，通知工装推出工作模式。 工装退出工作后state信号由高变低，完成一次校准循环。
以上步骤用图6流程图可以一一对应如下：
图6 工装执行步骤流程图
4． 常见问题调试经验
4.1 发射串扰校准失败
如上文所述，用户可以通过判断残余串扰数值（amp_out）是否低于20来判断发射串扰是否校准成功。如果判断失败，通常可以从以下几个方面进行调试：
1） 硬件电路问题： 如果残余串扰数值很高，则需要考虑进行优化硬件设计。 常用的有几种途径：
a) 检查inp和inm匹配电容；数字地与模拟地的隔离问题（磁珠在10mhz的阻抗需要足够大，建议500欧姆以上）；电源电路中使用低esr的瓷片电容。
b) pcb布局不理想。 关于pcb布局的详细介绍可以在opt3101数据手册第10节以及opt3101系统设计文档第8节中查询。
c) 使用负电压给接收管阳极进行供电。 采用ti电荷泵方案，如lm2664可以实现低成本，设计简单的负压产生电路，具体如下图所示：
图7 opt3101接收灯负电压供电
图8 基于lm2664电荷泵负压方案
2） 光学隔离问题：在做发射串扰的校准以及验证的过程中，需要保证接收管始终被遮光罩屏蔽。 该遮光罩通常为系统所用波长不透明物体，如黑色胶带，黑色塑料件等。对于发射管和光电二极管之间的光学隔离细节，也可以在opt3101系统设计文档中查询。
4.2 相位校准失败
opt3101的相位校准过程中需要借助参考物体。因此，必要确保该参考物体的合理摆放：
1）参考物满足条件： 如上文所述，参考物的距离要足够的近，确保采样的幅值足够的高（amp_out>10000）。 同时注意的是，不同材质，不同颜色的物体，也会对幅值信号产生不同的影响。最后， 发射电流的大小也会对幅值信号产生不同的影响。以上因素，用户都需要根据实际的情况进行调整。
2）无机械装置遮挡视线：在工装上由于机械装置繁多，可能出现部分线缆，支撑臂等装置遮挡了opt3101视角范围的情况。另外，在程序逻辑的控制中，也需要确保接收头遮光罩完全打开后，程序才进一步执行相位校准环节。
4.3 eeprom读写失败
opt3101内部没有非易失性存储器，因此所有工厂校准数据需要存储到外置非易失性存储器中。 一个常用的方式是外置eeprom。如果发现读写失败，可以从以下两个方面进行检查：
1） 硬件电路：如下图所示，opt3101有两个i2c接口：i2c_m接外置eeprom，i2c_s接主机mcu。 在工厂校准结束前，opt3101通过i2c_m把数据载入eeprom。在校准结束后opt3101重新上电初始化后，eeprom会自动通过i2c_m把工厂校准数据写入opt3101寄存器。opt3101则通过i2c_s把测距数据给到主机mcu。因此，可以通过观察i2c_m上的波形，来判断eeprom是否有数据读写。 如需判断该数据是否正确，则可以通过程序，截取读写前后i2c的数据进行判断。此外，由于大部分eeprrom具有写保护（wp）引脚，在调试时需要确保该引脚具有正确的电平信号。
图9 opt3101连接eeprom示意图
2）opt3101初始化配置：由于opt3101可以配置为外接eeprom模式，或者不外接eeprom (转而将数据存入主机mcu内存储器)。 其配置需要在初始化函数，即initialize();中完成。ti推荐的方式为利用ti官网提供的opt3101 configuration tool进行设计，生成c++代码后，移植到initialize();函数段内。如下图所示：
图10 opt3101 configuration tool设置eeprom界面
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opt3101校准指的是：为了补偿opt3101系统由元器件，pcb布板以及环境干扰带来的负面影响，为了保证测距的性能和一致性，opt3101在正常使用前用户需要对其进行一系列的校准动作，包括寄存器的操作，数据的计算，转换和存储等。 opt3101校准大致可以分为两种类型：
第一类校准是串扰校准和相位校准。这类校准无论是在调试阶段，还是在批量生产阶段都需要对每一片opt3101进行操作。该环节我们称为工厂校准。在工厂校准结束后，数据会存储于外置非易失性存储器中。在opt3101系统重新上电正常使用时，该数据会自动加载进入opt3101，从而使其正常稳定工作。 大致步骤如下所示：
图1 opt3101出厂前后流程示意图
第二类补偿包括温度校准，和环境光校准。这类校准动作在设计确定下来后，只需挑选少量的样品单元（如5片）进行操作即可，而无需对每一片opt3101进行操作。确认后，该校准参数可以应用于其他所有的单元。
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2）发射灯串扰校准：由光电发射管引起的噪声，被定义为发射灯串扰。 该串扰的校准过程描述如下：
首先，需要用黑色遮挡物（不透光）遮挡接收头，以避免任何光线被芯片接收头采样。常用的遮挡物如黑色胶带等。
然后，在程序中通过i2c读取amp_out的数值，通常如果硬件电路设计正确，该数值为几百范围。 如果大于1000，甚至更大，则说明发射灯串扰太大，优先建议重新进行硬件电路设计。
再次，确定amp_out数值在正常范围后，调用sdk中关于发射灯串扰的程序，执行完毕后，再次读取amp_out的数值。 整个过程都保持接收头被遮挡。
最后，通常在校准完毕后，残余串扰值（amp_out）会在10以内（也可能20左右）。 但如果校准完一次后，发现效果不佳，可重复执行第二遍。如果依然不行，则需要重新优化硬件设计。具体调试经验会在第四章内容中说明。
3）相位校准：在完成串扰校准后，需要对相位（距离）信息进行校准。过程描述如下：
首先，把接收头的遮光罩移除。 将一个参考物体放置在opt3101模块正前方。 该参考物体的选择原则上避免深色，最好保持光滑和连续。典型选择为白色墙面。物体放置的距离不宜太远，需要确保该距离能够使得amp_out的数值大于10000。 可以推荐工程经验值为100mm~150mm。
然后，调用sdk程序中关于相位校准的程序，程序执行完毕后，可以直接读取此时phase_out，通过判断phase_out是否满足参考物体的预设距离。 距离与phase_out的转换关系如下： distance(mm) = phase_out * 0.2287
4）载入存储介质：在完成上述所有校准后，需要把校准数据载入存储介质，如eeprom。直接调用sdk中的写入eeprom语句即可。
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1）sdk的目的：
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2）sdk的资源介绍：
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首先，工厂校准程序需要调动以下指令集：
然后，我们对工厂校准程序分步骤进行分析：
第一步： 复位，初始化，启动内部串扰校准程序(sdk)
第二步： 控制工装把黑色遮挡物覆盖接受管： 用户自定义
第三步：执行发射串扰校准程序。
循环三个发射管的寄存器配置，进行串扰校准并载入校准数据(sdk)
第四步：移除接收头遮光罩，并放置参考物至预设距离。
用户需在程序中编写给目标距离语句赋值：150； 并且控制工装挪开黑色遮挡物， 并且控制弧形墙面的位置距opt3101模块150mm处： 用户自行定义
第五步：执行相位校准程序。
循环三个发射管的寄存器配置，进行相位校准，并载入相位校准数据；(sdk)
第六步：将校准数据载入eeprom。
3． 产线工装搭建
3.1 工装方案推荐
产线工装需要满足上述校准的流程，用户可以根据理解自行设计。 以下提供一个系统框架供案例以作参考：
方案一：在测距模块中加入一颗mcu，完成工厂校准的工作。同时，该mcu也执行测距程序，与主机用ic/uart进行通信以输出测距信息。 该mcu的选型需要有足够的存储空间，以确保能够执行sdk语句并且保存数据。
优点：把opt3101从工厂校准到正常工作测距的代码都集中在一个控制器内，可简化开发复杂度，方便更新升级，以及实现模块化设计。
缺点：增加额外的mcu成本。
图3 工装方案一
方案二：在模块中加入一颗eeprom，完成存储工厂校准的数据。同时，在产线工作上外置一颗mcu专用于执行工厂校准步骤。而测距程序则放在主机侧的mcu中完成。
优点：整体成本最优。
缺点：软件开发较第一种方案复杂，需要用户在两颗mcu中分别完成程序的编写。
图4 工装方案二
总的来说，对于成本敏感的应用场合，方案二是更好的选择。 对于希望加速开发进度，以及实现模块化设计的应用场合，可以考虑使用方案一。
3.2案例说明
接下来对于方案二，我们举例说明产线工装的搭建细则。
系统框架如图3所示：otp3101模块中包括一颗opt3101，以及reerpom，选型为24c02。
工装上的mcu我们选取了ti的msp430fr5994评估板。msp430评估板的作用是1） 通过对otp3101寄存器进行读写，校准，把数据写入eeprom。2）控制工装机械装置，配合完成校准步骤。3）用户生产线人机交互的控制（按键，显示等）。 评估板的i/o控制逻辑可以按照用户需求自行定义，该案例中我们定于了state, reset, start, ready， 具体用途如下图所示：
图5 msp430评估板引脚定义
内部串扰校准阶段： state信号由低变高，工装就绪。 reset信号由高变低，msp430就绪。开始调用sdk语句进行内部串扰校准。
发射串扰校准阶段： start信号由高变低，msp430发出指令开始遮挡接收头。 等待接收头完全被遮挡后，工装发出ready指令，由高变低，遮挡动作完毕。 开始调用sdk发射串扰校准语句，进行串扰校准。
相位校准阶段：串扰校准完成后，msp430发出指令开始移除遮挡物。等待遮挡物完全被移除后，工装发出ready指令，由低变高。 发射灯此时直对预置参考物，开始调用sdk相位校准语句，进行相位校准。
校准完毕： 校准完毕后调用sdk语句将数据加载入24c02，然后msp430发出reset指令，由低变高，通知工装推出工作模式。 工装退出工作后state信号由高变低，完成一次校准循环。
以上步骤用图6流程图可以一一对应如下：
图6 工装执行步骤流程图
4． 常见问题调试经验
4.1 发射串扰校准失败
如上文所述，用户可以通过判断残余串扰数值（amp_out）是否低于20来判断发射串扰是否校准成功。如果判断失败，通常可以从以下几个方面进行调试：
1） 硬件电路问题： 如果残余串扰数值很高，则需要考虑进行优化硬件设计。 常用的有几种途径：
a) 检查inp和inm匹配电容；数字地与模拟地的隔离问题（磁珠在10mhz的阻抗需要足够大，建议500欧姆以上）；电源电路中使用低esr的瓷片电容。
b) pcb布局不理想。 关于pcb布局的详细介绍可以在opt3101数据手册第10节以及opt3101系统设计文档第8节中查询。
c) 使用负电压给接收管阳极进行供电。 采用ti电荷泵方案，如lm2664可以实现低成本，设计简单的负压产生电路，具体如下图所示：
图7 opt3101接收灯负电压供电
图8 基于lm2664电荷泵负压方案
2） 光学隔离问题：在做发射串扰的校准以及验证的过程中，需要保证接收管始终被遮光罩屏蔽。 该遮光罩通常为系统所用波长不透明物体，如黑色胶带，黑色塑料件等。对于发射管和光电二极管之间的光学隔离细节，也可以在opt3101系统设计文档中查询。
4.2 相位校准失败
opt3101的相位校准过程中需要借助参考物体。因此，必要确保该参考物体的合理摆放：
1）参考物满足条件： 如上文所述，参考物的距离要足够的近，确保采样的幅值足够的高（amp_out>10000）。 同时注意的是，不同材质，不同颜色的物体，也会对幅值信号产生不同的影响。最后， 发射电流的大小也会对幅值信号产生不同的影响。以上因素，用户都需要根据实际的情况进行调整。
2）无机械装置遮挡视线：在工装上由于机械装置繁多，可能出现部分线缆，支撑臂等装置遮挡了opt3101视角范围的情况。另外，在程序逻辑的控制中，也需要确保接收头遮光罩完全打开后，程序才进一步执行相位校准环节。
4.3 eeprom读写失败
opt3101内部没有非易失性存储器，因此所有工厂校准数据需要存储到外置非易失性存储器中。 一个常用的方式是外置eeprom。如果发现读写失败，可以从以下两个方面进行检查：
1） 硬件电路：如下图所示，opt3101有两个i2c接口：i2c_m接外置eeprom，i2c_s接主机mcu。 在工厂校准结束前，opt3101通过i2c_m把数据载入eeprom。在校准结束后opt3101重新上电初始化后，eeprom会自动通过i2c_m把工厂校准数据写入opt3101寄存器。opt3101则通过i2c_s把测距数据给到主机mcu。因此，可以通过观察i2c_m上的波形，来判断eeprom是否有数据读写。 如需判断该数据是否正确，则可以通过程序，截取读写前后i2c的数据进行判断。此外，由于大部分eeprrom具有写保护（wp）引脚，在调试时需要确保该引脚具有正确的电平信号。
图9 opt3101连接eeprom示意图
2）opt3101初始化配置：由于opt3101可以配置为外接eeprom模式，或者不外接eeprom (转而将数据存入主机mcu内存储器)。 其配置需要在初始化函数，即initialize();中完成。ti推荐的方式为利用ti官网提供的opt3101 configuration tool进行设计，生成c++代码后，移植到initialize();函数段内。如下图所示：
图10 opt3101 configuration tool设置eeprom界面
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机器人如何改变酒店行业？
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