校準(zhǔn)ADPD188BI光學(xué)煙霧和氣溶膠檢測(cè)模塊

ADPD188BI是一款完整的光度測(cè)量系統(tǒng)，采用光學(xué)雙波長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行煙霧檢測(cè)。該模塊集成了高效的光度前端、藍(lán)光和紅外 （IR） 發(fā)光二極管 （LED） 以及光電二極管，采用定制封裝，可防止光線在不先進(jìn)入煙霧探測(cè)室的情況下直接從 LED 進(jìn)入光電二極管。ADPD188BI與EVAL-CHAMBER煙霧室配合使用，可創(chuàng)建完整的光學(xué)煙霧檢測(cè)解決方案，用于住宅和工業(yè)煙霧探測(cè)器。EVAL-CHAMBER可通過(guò)訂購(gòu)EVAL-ADPD188BIZ-S2購(gòu)買(mǎi)。

本應(yīng)用筆記介紹了ADPD188BI的校準(zhǔn)，使用編程到片內(nèi)非易失性存儲(chǔ)器（NVM）中的校準(zhǔn)系數(shù)，以將器件間的差異降低到<+10%。

對(duì)于特定的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)置和測(cè)試/應(yīng)用環(huán)境，ADPD188BI表現(xiàn)出LED響應(yīng)的器件間可變性。LED響應(yīng)具有因器件而異的斜率（增益）和截距（偏移），這會(huì)導(dǎo)致器件間響應(yīng)常見(jiàn)環(huán)境而變化，并且可以使用增益和失調(diào)校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)的主要應(yīng)用是允許更有效地比較多個(gè)器件輸出，因?yàn)樗鼈冊(cè)谧罱K應(yīng)用中實(shí)例化。這種校準(zhǔn)顯著減少了任何器件之間的光學(xué)差異，并可以簡(jiǎn)化對(duì)特定應(yīng)用環(huán)境變化的觀察。

校準(zhǔn) ADPD188BI

測(cè)試方法

每個(gè)LED/驅(qū)動(dòng)器對(duì)在多個(gè)LED電流下工作在反射器中，反射器響應(yīng)由ADPD188BI模塊內(nèi)的光電二極管測(cè)量。計(jì)算每個(gè) LED/驅(qū)動(dòng)器對(duì)的響應(yīng)斜率，截距從線性回歸得出。然后計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)并將其存儲(chǔ)在片上 NVM（也稱(chēng)為 eFuse 寄存器）中，以供以后在最終應(yīng)用中使用。校準(zhǔn)系數(shù)基于特定設(shè)備的每脈沖測(cè)量值計(jì)算，并歸一化為從不同設(shè)備收集的數(shù)據(jù)的大量分布的平均值。此規(guī)范化可確保在設(shè)備群中最大程度地減少設(shè)備到設(shè)備的可變性。

讀取電子保險(xiǎn)絲寄存器

失調(diào)和增益校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在片內(nèi)電子保險(xiǎn)絲寄存器中。增益校準(zhǔn)系數(shù)（LED1_GAIN_COEFF和LED3_GAIN_COEFF分別存儲(chǔ)在寄存器0×71和寄存器0×72中。偏移校準(zhǔn)系數(shù)LED1_INT_COEFF和LED3_INT_COEFF分別存儲(chǔ)在寄存器0×73和寄存器0×74中。

要訪問(wèn)電子保險(xiǎn)絲寄存器，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：

設(shè)置寄存器 0×4B，位 7 = 1 以啟用 32 kHz 振蕩器。

將 0×1 寫(xiě)入寄存器 0×10 以強(qiáng)制設(shè)備進(jìn)入程序（空閑）模式。

寫(xiě)入 0×1 以寄存器 0×5F 以啟用 32 MHz 先進(jìn)先出 （FIFO） 時(shí)鐘。

將 0×7 寫(xiě)入寄存器 0×57 以啟用對(duì)電子保險(xiǎn)絲寄存器的訪問(wèn)。

讀取寄存器 0×67。當(dāng)寄存器 0×67 = 0×04 時(shí)，電子保險(xiǎn)絲寄存器的刷新完成，可供訪問(wèn)進(jìn)行讀取。

在應(yīng)用校準(zhǔn)系數(shù)之前，將糾錯(cuò)碼 （ECC） 功能應(yīng)用于電子保險(xiǎn)絲數(shù)據(jù)（請(qǐng)參閱使用 ECC 檢測(cè)和更正 EFUSE 值中的錯(cuò)誤部分）。

確認(rèn)寄存器 0×70 的內(nèi)容分別為模塊 ID 0、模塊 ID 1、模塊 ID 0 或更大的 1×0E、21×30F、31×33 或更大。

讀取所需LED/驅(qū)動(dòng)器對(duì)的增益和失調(diào)校準(zhǔn)系數(shù)。最終增益校準(zhǔn)系數(shù)必須按照計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)部分中的定義，使用eFuse寄存器的內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算最終增益校準(zhǔn)系數(shù)時(shí)，將其加載到用戶可訪問(wèn)的存儲(chǔ)器中以備將來(lái)使用。

讀取電子保險(xiǎn)絲寄存器完成后，按如下方式禁用電子保險(xiǎn)絲寄存器：

寫(xiě)入 0×0 以寄存器 0×57 以禁用對(duì)電子保險(xiǎn)絲寄存器的訪問(wèn)

寫(xiě)入 0×0 以寄存器 0×5F 以禁用 32 MHz FIFO 時(shí)鐘。

計(jì)算模塊 ID 30 和模塊 ID 31 的校準(zhǔn)系數(shù)

最終校準(zhǔn)系數(shù)必須使用寄存器0x71到寄存器0x74的內(nèi)容計(jì)算，如以下公式所示：

GAIN_CAL_X = DEVICE_SCALAR/NOMINAL_SCALAR

其中：
DEVICE_SCALAR = x_GAIN × LEDx + x_INTERCEPT。
藍(lán)色 LED 通道BLUE_GAIN x_GAIN，紅外 LED 通道IR_GAIN。
BLUE_GAIN = （17/256）（LED1_GAIN_COEFF ? 112） + 17。
IR_GAIN = （34/256）（LED3_GAIN_COEFF ? 112） + 34。
LEDx 是以毫安為單位的 LED 驅(qū)動(dòng)電流，例如，如果驅(qū)動(dòng)電流 = 200 mA，請(qǐng)輸入 200。LEDx 是藍(lán)色 LED 通道的 LED1，是紅外 LED 通道的 LED3。
藍(lán)色 LED 通道BLUE_INTERCEPT x_INTERCEPT，紅外 LED 通道IR_INTERCEPT。
BLUE_INTERCEPT = 8（LED1_INT_COEFF ? 128）。
IR_INTERCEPT = 5（LED3_INT_COEFF ? 128）。
NOMINAL_SCALAR = x_MEAN_GAIN × LEDx + x_MEAN_INTERCEPT。
藍(lán)色 LED 通道的x_MEAN_GAIN為 17，紅外 LED 通道的為 34。
藍(lán)色 LED 通道的x_MEAN_INTERCEPT為 622，紅外 LED 通道的為 128。

計(jì)算模塊 ID 30 和模塊 ID 33 的校準(zhǔn)系數(shù)

要計(jì)算最終校準(zhǔn)系數(shù)，請(qǐng)使用寄存器0x71寄存器0x74的內(nèi)容，如以下公式所示：

GAIN_CAL_X = DEVICE_SCALAR/NOMINAL_SCALAR

其中：
DEVICE_SCALAR = x_GAIN × LEDx + x_INTERCEPT。
藍(lán)色 LED 通道BLUE_GAIN x_GAIN，紅外 LED 通道IR_GAIN。
BLUE_GAIN = （21/256）（LED1_GAIN_COEFF ? 112） + 21。
IR_GAIN = （42/256）（LED3_GAIN_COEFF ? 112） + 42。
LEDx 是以毫安為單位的 LED 驅(qū)動(dòng)電流，例如，如果驅(qū)動(dòng)電流 = 200 mA，請(qǐng)輸入 200。LEDx 是藍(lán)色 LED 通道的 LED1，是紅外 LED 通道的 LED3。
藍(lán)色 LED 通道BLUE_INTERCEPT x_INTERCEPT，紅外 LED 通道IR_INTERCEPT。
BLUE_INTERCEPT = 8（LED1_INT_COEFF ? 80）。
IR_INTERCEPT = 5（LED3_INT_COEFF ? 80）。
NOMINAL_SCALAR = x_MEAN_GAIN × LEDx + x_MEAN_INTERCEPT。
藍(lán)色 LED 通道的x_MEAN_GAIN為 21，紅外 LED 通道的為 42。
藍(lán)色 LED 通道的x_MEAN_INTERCEPT為 753，紅外 LED 通道的為 156。

校準(zhǔn) 32 KHz 和 32 MHz 振蕩器以獲得最佳系統(tǒng)性能

校準(zhǔn) 32 kHz 和 32 MHz 片內(nèi)振蕩器以獲得最佳性能。32 kHz振蕩器決定ADPD188BI的總采樣速率，32 MHz振蕩器影響ADPD188BI的總增益。對(duì)于模塊 ID = 33 的設(shè)備，讀取 eFuse 寄存器（寄存器 0×77 和寄存器 0×78），并將這些值寫(xiě)入器件寄存器（分別寄存器 0×4B 和寄存器 0×4D）?；蛘撸脩艨梢园凑誂DPD188BI數(shù)據(jù)手冊(cè)中描述的程序手動(dòng)確定最佳設(shè)置，以校準(zhǔn)32 kHz時(shí)鐘和校準(zhǔn)32 MHz時(shí)鐘。

根據(jù)模塊 ID 應(yīng)用正確的公式

為獲得最佳操作，請(qǐng)閱讀 eFuse 寄存器 0×70 以確定模塊 ID 并應(yīng)用適當(dāng)?shù)墓?。下面是一個(gè)示例案例語(yǔ)句，它可以是用戶軟件的一部分。

檢查模塊 ID 案例（模塊 ID
）：

對(duì)于ID 30和31案例30，31
：

GAIN_CAL_BLUE =（使用計(jì)算模塊 ID 30 和模塊 ID 31 的校準(zhǔn)系數(shù)中顯示的方程式）GAIN_CAL_IR =（使用計(jì)算模塊 ID 30 和模塊 ID 31 的校準(zhǔn)系數(shù)中顯示的方程式）

對(duì)于 ID 33
案例 33：

GAIN_CAL_BLUE =（使用計(jì)算模塊 ID 33 的校準(zhǔn)系數(shù)中顯示的公式） GAIN_CAL_IR =（使用計(jì)算模塊 ID 33 的校準(zhǔn)系數(shù)中顯示的公式）

案例待定 1：離開(kāi)以備將來(lái)擴(kuò)展 案例待定 2：離開(kāi)以備將來(lái)擴(kuò)展

默認(rèn)值：引發(fā)錯(cuò)誤

應(yīng)用校準(zhǔn)系數(shù)

要在最終應(yīng)用中應(yīng)用校準(zhǔn)系數(shù)，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：

根據(jù)需要配置 ADPD188BI 器件。

將0x2寫(xiě)入地址0x10以啟動(dòng)正常的采樣操作。

在所需的LED電平上進(jìn)行測(cè)量，并執(zhí)行以下計(jì)算：

歸一化輸出 （LSB） = AFE_OUT/GAIN_CAL_x

其中：
AFE_OUT = LED 亮起時(shí)的原始輸出測(cè)量。
GAIN_CAL_x = 藍(lán)色 LED 通道的 GAIN_CAL_BLUE，紅外 LED 通道GAIN_CAL_IR。

應(yīng)用校準(zhǔn)系數(shù)可大大減少器件之間的差異。圖 1 和圖 2 顯示了藍(lán)色 LED 和紅外 LED 校準(zhǔn)前后的直方圖。圖1和圖2表明，在這兩種情況下，器件間差異的分布都縮小到±10%。

應(yīng)用校準(zhǔn)系數(shù)可大大減少器件之間的差異。圖 1 和圖 2 顯示了藍(lán)色 LED 和紅外 LED 校準(zhǔn)前后的直方圖。圖1和圖2表明，在這兩種情況下，器件間差異的分布都縮小到±10%。

圖1.校準(zhǔn)前后的藍(lán)色 LED 響應(yīng)

圖2.校準(zhǔn)前后的紅外 LED 響應(yīng)

電子保險(xiǎn)絲內(nèi)容對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行的影響

寫(xiě)入ADPD188BI電子保險(xiǎn)絲寄存器的校準(zhǔn)系數(shù)不會(huì)改變?nèi)魏纹骷阅芑?a target="_blank">規(guī)格。所有數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格和器件性能本質(zhì)上不受電子保險(xiǎn)絲寄存器編程的影響。

校準(zhǔn)系數(shù)旨在用于采樣數(shù)據(jù)的后處理，以校準(zhǔn)器件間光學(xué)特性的變化。無(wú)論電子保險(xiǎn)絲寄存器是否經(jīng)過(guò)編程，ADPD188BI 的性能都沒(méi)有差異。在 eFuse 寄存器使用校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行編程的情況下，存儲(chǔ)在 eFuse 寄存器中的數(shù)據(jù)只有在軟件中對(duì)采樣數(shù)據(jù)實(shí)施后處理校準(zhǔn)例程時(shí)才會(huì)產(chǎn)生影響。

使用 ECC 檢測(cè)和糾正電子保險(xiǎn)絲值中的錯(cuò)誤

ECC 的 C 代碼部分中顯示的 C 代碼包含利用漢明碼檢測(cè)和糾正存儲(chǔ)的電子保險(xiǎn)絲寄存器值中的錯(cuò)誤的例程。這些函數(shù)使用傳統(tǒng)的 127，120 漢明碼，截?cái)酁?119，112。增加了一個(gè)額外的全局奇偶校驗(yàn)位，以提供具有 2 位故障檢測(cè)的單位校正。最終形式是 120，112，它為每個(gè) 8 位（112 字節(jié)）塊添加一個(gè) 14 位奇偶校驗(yàn)代碼。

此代碼檢測(cè)并修復(fù)每個(gè)數(shù)據(jù)塊中 100% 的單位錯(cuò)誤，并檢測(cè)每個(gè)數(shù)據(jù)塊中 100% 的 2 位故障。

方法如下：將電子保險(xiǎn)絲數(shù)據(jù)和奇偶校驗(yàn)字節(jié)讀入本地內(nèi)存。用戶必須讀取寄存器 0×70 才能寄存器 0×7E。寄存器 0×70 到寄存器 0×7D 與輸入指針、數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并且必須讀入數(shù)據(jù)數(shù)組。寄存器 0×7E 與輸入指針、奇偶校驗(yàn)相關(guān)聯(lián)，必須作為奇偶校驗(yàn)值讀入。使用 fix_hamm_parity 命令驗(yàn)證塊。此功能可就地修復(fù)單個(gè)損壞位。如果 fix_hamm_parity 命令返回錯(cuò)誤，請(qǐng)將設(shè)備標(biāo)記為損壞。

此過(guò)程修復(fù)所有單位故障，檢測(cè)所有 2 位故障和大約 6% 的 3 位故障，并檢測(cè)大多數(shù)偶數(shù)故障。

焊料回流對(duì)校準(zhǔn)系數(shù)的影響

在回流爐中回流焊，其中存在的氧氣水平不受控制，會(huì)導(dǎo)致光電二極管對(duì)藍(lán)色LED的響應(yīng)降低。平均而言，光電二極管對(duì)藍(lán)色LED的響應(yīng)每次回流的偏移為~7%。由于校準(zhǔn)系數(shù)是在最終測(cè)試中編程的，因此在ADPD188BI進(jìn)行任何回流之前，當(dāng)ADPD188BI在氧氣水平不受控制的烘箱中進(jìn)行焊料回流時(shí)，藍(lán)色系數(shù)不再準(zhǔn)確。

圖3顯示了在氧氣水平不受控制的烘箱中回流后的原始和校準(zhǔn)藍(lán)色響應(yīng)。這組設(shè)備被重排了三次。數(shù)據(jù)包括每次重排后的檢查點(diǎn)。如數(shù)據(jù)所示，每次回流后，藍(lán)色LED響應(yīng)有~7%的偏移。

圖3.在焊接回流期間氧氣水平不受控制的情況下，藍(lán)色 LED 響應(yīng)偏移

為避免響應(yīng)偏移，請(qǐng)使用使用氮?dú)獾幕亓鳡t來(lái)降低烤箱中的氧氣水平。當(dāng)使用氮?dú)饪刂频幕亓鳡t將氧氣水平控制在 <1000 ppm 時(shí)，藍(lán)色 LED 響應(yīng)沒(méi)有偏移。

圖 4 中顯示的數(shù)據(jù)顯示了在烘箱中回流三次的設(shè)備的原始和校準(zhǔn)藍(lán)色 LED 響應(yīng)值，其中使用氮?dú)獯祾邔⒀鯕馑浇档偷?<1000 ppm。數(shù)據(jù)包括每次重排后的檢查點(diǎn)。如圖4所示，在這些條件下，回流焊不會(huì)發(fā)生偏移。

無(wú)論烤箱的氧氣水平是否不受控制，紅外響應(yīng)都不會(huì)受到回流焊的影響。

圖4.藍(lán)色 LED 響應(yīng)偏移，氮?dú)獯祾撸钥刂坪噶匣亓髌陂g的氧氣水平

審核編輯：郭婷