AN-2033 : ADPD188BI 煙およびエアロゾル検出モジュールのキャリブレーション

はじめに

ADPD188BI は、デュアル光学波長技術を使用したフル機能の煙検知用フォトメトリック・システムです。このモジュールには、高効率のフォトメトリック・フロント・エンド、青色と赤外（IR）の発光ダイオード（LED）、フォトダイオードが内蔵されています。これらの部品はカスタム・パッケージに収容され、LED からの光が煙検知チャンバを通ってフォトダイオードに照射されるように考案されています。ADPD188BI を EVAL-CHAMBER スモーク・チャンバと併用することで、住居用や工業用の煙検知器に実装可能なフル機能の光煙検知ソリューションが構成されます。この EVAL-CHAMBER は 、 EVAL-ADPD188BIZ-S2 の注文時に購入できます。

本アプリケーション・ノートでは、オンチップの不揮発メモリ（NVM）にプログラムされたキャリブレーション係数を使用してデバイスごとの差異を±10%未満に抑える、ADPD188BI のキャリブレーション方法について説明します。

ADPD188BIでは、特定のLED駆動設定とテスト／アプリケーション環境に対する LED の応答が、デバイスごとに異なります。LED の応答の傾き（ゲイン）およびインターセプト（オフセット）はデバイスによって異なるため、同じ環境に対する応答がデバイス間で異なるという結果が生じますが、これはゲインとオフセットのキャリブレーション係数を用いて補正することができます。このキャリブレーションは主に、エンド・アプリケーションで複数のデバイスの出力が生じている場合に、それらをより効率的に比較するために利用されます。このキャリブレーションによって、デバイスごとの光学的な差異が著しく減少し、アプリケーション環境に固有の差異を容易に調べることができるようになります。

ADPD188BI のキャリブレーション

テスト方法

各 LED／ドライバ・ペアは、複数の LED 電流値で反射器に向けて動作し、反射器の応答が ADPD188BIモジュール内のフォトダイオードによって測定されます。応答の傾きが LED／ドライバ・ペアごとに計算され、インターセプトが線形回帰から求められます。次にキャリブレーション係数が計算されてオンチップ NVM（別名 eFuse レジスタ）に保存され、後の最終アプリケーションで使用されます。キャリブレーション係数は、特定デバイスのパルスごとの測定に基づいて計算され、様々なデバイスから収集され幅広く分布したデータの平均値に正規化されます。この正規化によって、デバイスの母集団の中でデバイスごとの差異が最小になるようにできます。

eFuse レジスタからの読出し

オフセットとゲインのキャリブレーション係数は、オンチップのeFuseレジスタに保存されます。ゲインのキャリブレーション係数、 LED1_GAIN_COEFF はレジスタ 0x71 に 、LED3_GAIN_COEFFはレジスタ 0x72に保存されます。オフセットのキャリブレーション係数、LED1_INT_COEFF はレジスタ0x73 に、LED3_INT_COEFF はレジスタ 0x74 に保存されます。

eFuse レジスタにアクセスするには、以下の手順を実行します。

1. レジスタ 0x4B のビット 7 を 1 に設定して 32kHz 発振器をイネーブルします。
2. レジスタ 0x10 に 0x1 を書き込み、デバイスを強制的にプログラム（アイドル）モードに移行させます。
3. レジスタ 0x5F に 0x1 を書き込み、32MHz の先入れ先出し（FIFO）クロックをイネーブルします。
4. レジスタ 0x57 に 0x7 を書き込み、eFuse レジスタにアクセスできるようにします。
5. レジスタ 0x67 を読み出します。レジスタ 0x67 が 0x04 の場合、eFuse レジスタの更新が完了し、読出しアクセスが可能になっています。
6. 誤り訂正符号（ECC）機能を eFuse データに適用してからキャリブレーション係数を適用します（ECC を使用したeFuse 値の誤りの検出・訂正のセクションを参照してください）。
7. レジスタ 0x70 の内容がモジュール ID 30 では 0x1E、モジュール ID 31 では 0x1F、モジュール ID 33 では 0x21、それ以降のモジュール ID に対してはそれ以降の対応する値であることを確認してください。
8. 目的の LED／ドライバ・ペアについて、ゲインとオフセットのキャリブレーション係数を読み出します。最終的なゲイン・キャリブレーション係数は、eFuse レジスタのデータを使用して、キャリブレーション係数の計算のセクションの定義に従って計算する必要があります。最終的なゲイン・キャリブレーション係数を計算した後、それらをユーザ・アクセス可能なメモリに保存し、今後の使用に備えます。
9. eFuse レジスタの読出しが完了したら、以下の手順で eFuseレジスタをディスエーブルします。
    
1. レジスタ 0x57 に 0x0 を書き込み、eFuse レジスタにアクセスできないようにします。
2. レジスタ 0x5F に 0x0 を書き込み、32MHz の FIFO クロックをディスエーブルします。

モジュール ID 30 とモジュール ID 31 のキャリブレーション係数の計算

最終的なキャリブレーション係数は、次式のとおり、レジスタ0x71～0x74 のデータを使用して算出します。

GAIN_CAL_X = DEVICE_SCALAR/NOMINAL_SCALAR

ここで、
DEVICE_SCALAR = x_GAIN × LEDx + x_INTERCEPT、
x_GAIN は、青色 LED チャンネルの場合は BLUE_GAIN、IR LED チャンネルの場合は IR_GAIN、
BLUE_GAIN = (17/256)(LED1_GAIN_COEFF - 112) + 17、
IR_GAIN = (34/256)(LED3_GAIN_COEFF – 112) + 34、
LEDx は、ミリアンペアを単位とする LED 駆動電流で、例えば駆動電流が 200mA の場合 200 と入力、LEDx は、青色 LED の場合は LED1、IR・LED の場合は LED3、
x_INTERCEPT は、青色 LED チャンネルの場合はBLUE_INTERCEPT、IR LED チャンネルの場合は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、
x_MEAN_GAIN は、青色 LED チャンネルの場合は 17、IR LEDチャンネルの場合は 34、
x_MEAN_INTERCEPT は、青色 LED チャンネルの場合は 622 、IR LED チャンネルの場合は 128。

モジュール ID 33 のキャリブレーション係数の計算

最終的なキャリブレーション係数を計算するために、以下の式のとおり、レジスタ 0x71～0x74 のデータを使用します。

GAIN_CAL_X = DEVICE_SCALAR/NOMINAL_SCALAR

ここで、
DEVICE_SCALAR = x_GAIN × LEDx + x_INTERCEPT、
x_GAIN は、青色 LED チャンネルの場合は BLUE_GAIN、IR LED チャンネルの場合は IR_GAIN、
BLUE_GAIN = (21/256)(LED1_GAIN_COEFF - 112) + 21、
IR_GAIN = (42/256)(LED3_GAIN_COEFF – 112) + 42、
LEDx は、ミリアンペアを単位とする LED 駆動電流で、例えば駆動電流が 200mA の場合 200 と入力、LEDx は、青色 LED の場合は LED1、IR・LED の場合は LED3、
x_INTERCEPT は、青色 LED チャンネルの場合はBLUE_INTERCEPT、IR LED チャンネルの場合は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、
x_MEAN_GAIN は、青色 LED チャンネルの場合は 21、IR LEDチャンネルの場合は 42、
x_MEAN_INTERCEPT は、青色 LED チャンネルの場合は 753 、IR LED チャンネルの場合は 156。

システム性能を最適化するための 32kHz 発振器と 32MHz 発振器のキャリブレーション

最高性能を発揮させるために、32kHz と 32MHz のオンチップ発振器をキャリブレーションします。32kHz 発振器は ADPD188BIの全体的なサンプリング・レートを決定し、32MHz 発振器はADPD188BIの全体的なゲインに影響を与えます。モジュール ID 33 のデバイスの eFuse レジスタ（レジスタ 0x77 およびレジスタ0x78）を読出し、これらの値をデバイス・レジスタ（それぞれレジスタ 0x4B およびレジスタ 0x4D）に書き込みます。あるいは、ADPD188BI データシートに記載されている 32kHz クロックおよび 32MHz クロックのキャリブレーション手順に従って最適な設定値を手動で定めることもできます。

モジュール ID に基づく補正式の適用

最適動作を実現するため、eFuse レジスタ 0x70 を読み込んでモジュール ID を判定し、適切な式を適用します。ユーザのソフトウェアの一部となる Case 文の例を以下に示します。

// モジュール ID の確認
Case (Module ID):

// ID 30 および ID 31 の場合
Case 30, 31:

GAIN_CAL_BLUE = (モジュール ID 30 とモジュール ID 31 のキャリブレーション係数の計算のセクションで示した式を使用)
GAIN_CAL_IR = (モジュール ID 30 とモジュール ID 31 のキャリブレーション係数の計算のセクションで示した式を使用)

// ID 33 の場合
Case 33:

GAIN_CAL_BLUE = (モジュール ID 33 のキャリブレーション係数の計算のセクションで示した式を使用)
GAIN_CAL_IR = (モジュール ID 33 のキャリブレーション係数の計算のセクションで示した式を使用)

Case TBD1: 将来の拡張のために保持
Case TBD2: 将来の拡張のために保持
Default: エラーを表示

キャリブレーション係数の適用

キャリブレーション係数を最終的なアプリケーションに適用するには、以下の手順を実行します。

1. 目的に応じて ADPD188BI デバイスを設定します。
2. アドレス 0x10 に 0x2 を書き込み、通常のサンプリング動作を開始します。
3. 目的の LED レベルで測定を行い、以下の計算を実行します。

正規化出力（LSB） = AFE_OUT/GAIN_CAL_x

ここで、
AFE_OUT は、LED がオン状態での未加工の出力測定値、
GAIN_CAL_x は、青色 LED チャンネルの場合はGAIN_CAL_BLUE、IR LED チャンネルの場合はGAIN_CAL_IR。

キャリブレーション係数を適用すると、デバイスごとの差異が大幅に減少します。青色 LED と IR LED のキャリブレーション前後のヒストグラムを図 1 および図 2 に示します。図 1 および図2 より、どちらの場合もデバイスごとの差異の分布が+10%未満に縮小していることがわかります。

eFuse のデータが通常のデバイス動作に及ぼす影響

ADPD188BI の eFuse レジスタにキャリブレーション係数が書き込まれても、デバイスの性能や仕様に変更は全く生じません。本質的にデータシートの仕様やデバイスの性能はすべて、eFuseレジスタのプログラミングには影響されません。

キャリブレーション係数は、サンプリングしたデータに後処理を行いデバイスごとの光学特性の差異を補正するために使用することを目的としています。eFuse レジスタがプログラムされているか否かによって、ADPD188BI の性能に違いが生じることはありません。eFuse レジスタにキャリブレーション係数がプログラムされている状況で、eFuse レジスタに保存されているデータが影響する可能性があるのは、ソフトウェアがサンプリング・データに後処理のキャリブレーション・ルーチンを実施する場合のみです。

ECC を使用した eFuse 値の誤りの検出・訂正

ECC用C言語プログラムのセクションに示したCプログラムには、保存されたeFuseレジスタ値の誤りをハミング符号を使用して検出し補正するルーチンが含まれています。この機能では、伝統的な127,120ハミング符号を119,112に切り詰めて使用します。グローバル・パリティ・ビットを追加することで、1ビットの訂正と2ビットの誤り検出ができます。最終的に120,112の形となり、これは、8ビットのパリティ・コードが各112ビット（14バイト）ブロックに追加されたものです。

この符号により、各データ・ブロックの1ビットの誤りはすべて検出／訂正され、2ビットの誤りはすべて検出されます。

手順の最初は、eFuseのデータとパリティのバイトをローカル・メモリに読み出すことです。レジスタ0x70～0x7Eを読み出す必要があります。レジスタ0x70～0x7Dは入力ポインタであるデータに関連するもので、データ配列に読み出します。レジスタ0x7Eは入力ポインタであるパリティに関連するもので、パリティ値として読み出します。fix_hamm_parityコマンドを使用してブロックを検証します。この機能により、1つの破損ビットが適切に訂正されますfix_hamm_parityコマンドでエラーが返された場合、デバイスに問題があることを示すフラグを立てます。

この手順によって、すべての 1 ビット誤りを訂正でき、すべての 2 ビット誤りと 6%の 3 ビット誤りを検出できます。また、ほとんどの偶数誤りが検出できます。

キャリブレーション係数へのハンダ・リフローの影響

リフロー・オーブンでハンダ・リフローを行うと、残存酸素濃度が制御されていない場合、青色 LED に対するフォトダイオードの応答性を低下させる可能性があります。青色 LED に対するフォトダイオード応答のリフローごとの変化は、平均約 7%です。キャリブレーション係数は、ADPD188BI のリフローを行う前の最終テストでプログラムされているため、ハンダ・リフローを酸素濃度が制御されていないオーブンで行った場合、青色 LEDの係数は正確ではなくなります。

図 3 に、酸素濃度不制御のオーブンでリフロー処理した後の青色 LED 応答の未加工データとキャリブレーション済みデータを示します。このグループのデバイスには 3 回のリフローを行いました。データには、チェックポイントでの各リフロー後の値も含まれます。データが示すように、各リフロー後には青色LED 応答が約 7%変化しています。

応答の変化を防止するためには、窒素によってオーブン中の酸素濃度を減少させるリフロー・オーブンを使用します。窒素制御のリフロー・オーブンを使用して酸素濃度を 1000ppm 未満にした場合、青色 LED 応答の変化は生じません。

図 4 は、窒素パージによって酸素濃度を 1000ppm 未満に減少させたオーブンで 3 回のリフローを行ったデバイスの青色 LED 応答について、未加工データとキャリブレーション済みデータを示したものです。データには、チェックポイントでの各リフロー後の値も含まれます。図 4 に示すように、このような条件下ではリフローによる変化がありません。

IR の応答については、オーブンの酸素濃度制御の有無にかかわらず、リフローによる影響はありません。

ECC 用 C 言語プログラム

int generate_hamm_block_parity( data )

int data[];

{
// 従来の 127,120 を 120,112 に切り詰めたハミング符号を生成／検査するパリティ・バイトと
// SECDED 用に 120,112 符号を作成する追加パリティ・ビット
// のためのパリティ・マッピングを定義。
//
// この表は各データ・ビットに含まれるパリティ・ビットを定めるものです。
// MSB はグローバルな「全データのパリティ」です。
// この関数にはグローバル・ビットのパリティ・ビットは含まれません。
// そのため、必要に応じて、generate_hamm_parity 関数と
// generate_hamm_syndrome 関数に別個に追加することができます。

const int paritymap[112]={

131, 133, 134, 135, 137, 138, 139, 140, 141, 142,
143, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153,
154, 155, 156, 157, 158, 159, 161, 162, 163, 164,
165, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174,
175, 176, 177, 178, 179, 180, 181, 182, 183, 184,
185, 186, 187, 188, 189, 190, 191, 193, 194, 195,
196, 197, 198, 199, 200, 201, 202, 203, 204, 205,
206, 207, 208, 209, 210, 211, 212, 213, 214, 215,
216, 217, 218, 219, 220, 221, 222, 223, 224, 225,
226, 227, 228, 229, 230, 231, 232, 233, 234, 235,
236, 237, 238, 239, 240, 241, 242, 243, 244, 245,
246, 247 };

//
int bit,byte; // ポインタ
int h; // パリティ・バイト

h=0; // 初期パリティ・バイト
// マップに従って 112 個のデータ・ビットのパリティを計算
for(byte=0; byte < 14; byte++) {

for(bit=0x0; bit < 8 ; bit++) {

if( (data[byte] & (1<<bit) )!=0){ h ^= paritymap[(byte<<3)+bit];

}

}

  }
  return(h); // 112 ビットのブロックのパリティ・バイトのみを返します
}
//
//
int generate_hamm_syndrome( data, parity_in )

int data[],*parity_in;

{
  //
// 次の 2 ステップを使用して最終のハミング・パリティを生成
// - 112 ビットのデータ・ブロックのパリティを生成
// - 入力パリティをグローバル・パリティ・ビットに含める
//
int bit; // ポインタ
int h; // パリティ・バイト

h=generate_hamm_block_parity(data); // 112 ビットのパリティ・バイトを取得

// 7 個の入力パリティ・ビットのパリティをグローバルに追加
for(bit=0;bit<6;bit++) {

if ((*parity_in&(1<<bit))==(1<<bit)) h^=0x80;

}
return(h); // 最終パリティを返します
}
//
// この関数はデータとパリティ・バイトの整合性を確認し
// 1 ビット問題を訂正します。
// 戻り値：
// - 0：データ／パリティが正しい場合（訂正なし）
// - 1：データ領域に 1 ビット誤りがある場合（訂正）
// - 2：パリティ・バイトに 1 ビット誤りがある場合（訂正）
// - 3：複数の誤りがある場合（訂正なし）
//
int fix_hamm_parity (data, parity)

int data[]; int *parity;

int calculated_parity;
int syn, glob;
int bit, byte;

calculated_parity=generate_hamm_syndrome(data,parity);
syn=(*parity^calculated_parity)&0x7f;
glob=(*parity^calculated_parity)&0x80;
if(glob==0) {

if (syn==0) return(0); // 誤りなし（訂正不要）

else return(3); // 2 か所の誤り（訂正不能）

}
else {

if (syn>=120) return(3); // 同じく 2 か所の誤り
switch (syn) { // 偶数パリティの誤り（ビットを訂正）
case 0: *parity=*parity ^ 0x80; return(2);
case 1: *parity=*parity ^ 0x01; return(2);
case 2: *parity=*parity ^ 0x02; return(2);
case 4: *parity=*parity ^ 0x04; return(2);
case 8: *parity=*parity ^ 0x08; return(2);
case 16: *parity=*parity ^ 0x10; return(2);
case 32: *parity=*parity ^ 0x20; return(2);
case 64: *parity=*parity ^ 0x40; return(2);
default: // データ・ブロックの誤り（それを訂正）

// この状態になった場合 1 ビットのデータ誤りがあります。
// まず、アドレスを調整し、パリティ・ビットが範囲外となっている
// 原因となったアドレスを調整します。 

syn =
(syn>64) ? syn - 8 :
(syn>32) ? syn - 7 :
(syn>16) ? syn - 6 :
(syn>8) ? syn - 5 :
(syn>4) ? syn - 4 : 0;

byte = syn >> 3;
bit = syn & 0x7;
data[byte]=data[byte]^(1<<bit); // データ・ビットを修正
return(1); // 単一のデータ誤り（訂正済み）

}

}