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1.概述


033的血糖仪方案中关于精准测试章节的介绍可知,血糖仪对MCU的内部2V参考电压、12位DAC输出以及OPA的输入失调电压三者的精度范围要求都非常严格。受限于033的出厂量产测试精度,芯片出厂后内部2V参考电压和OPA的输入失调电压均只能控制在±5mV以内。澎湃血糖仪方案第三篇推文 “PT32x033的DAC&ADC&OPA联合应用指南”关于OPA的输入失调电压如何精准调校到±1.5mV以内已经做了比较详细阐述,而本文则将从软硬件层面对033的12位DAC以及内部2V参考电压如何能够精准调校到±1mV以内进行详细说明。

澎湃基于033固化的校准接口(CI接口)提供了一套可实现血糖仪量产的精准化校准方案,该方案无需用户在软件层面干预即可自动完成校准过程,极大地提高血糖仪的量产效率。

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1.校准方案框图

校准装备板级集成一个4通道的16位ADC用于采集033出来的模拟量,本文校准方案使用了两个采集通道,分别采集033的DAC输出电压以及内部2V参考电压。033的校准接口(CI接口)可调整内部2V参考的校准值以及DAC输出对应电压的数字量,最终达到目标期望并且固化(掉电不丢失)实现精确校准的目的,因此整个调校的过程是一个闭环控制。

本校准方案分为两个环节,分别是量产前的目标参数调校设定(考虑到工装本身的差异性误差)以及量产调校(一键式批量校准)。参与调校的目标参数有两个,一个是2V参考电压的目标值,另一个是DAC输出电压的目标值。以此同时,为了提升搜索效率,需要同步设定DAC输出搜索的路径起始值。目标参数调校流程如图2框图所示,而具体的实现参考下文的详细阐述。

 注  目标值是以16位ADC(参考电压:4.096V)采集模拟通道电压转换得到的数字量进行定义;DAC输出搜索路径起始值是以12位DAC(参考电压:2V)要求输出电压值对应的数字量进行定义;


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图2.调校目标参数流程图


2. 校准方案硬件详述


澎湃提供的校准装备包含两部分主体,分别是工装结构件以及板级硬件(校准板+仿真器+转接线缆+顶针装置),基于这套工装即可实现一键式或者自动化校准。


2.1  工装夹具结构件

使用夹具结构件目的在于更可靠和高效率地实现量产校准,结构件主要由显示屏架、按键、指示灯、压杆以及校准顶针等部分组成,校准的时候只需把血糖仪放置到托盘上后压紧夹具压杆,按下校准按钮后开始自动校准,校准过程以及结果可通过校准指示灯以及显示屏观察。

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图3.工装结构件功能示意图

夹具结构件内部安装校准板以及用于调测的自带串口工具的仿真板,这两块单板同夹具通过转接线直接互连,仿真板通过USB同PC互连,具体互连关系可参考图4和图5对应的框图标识。

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图4.夹具内部硬件互连关系图


2.2  校准板硬件详述

澎湃提供整套校准硬件方案,人机交互方面可通过调试接口上的串口使用上位机进行配置,也可以通过按键和OLED屏幕、红绿指示灯以及蜂鸣器进行交互。提供的仿真器自带串口功能,除了可实现固件升级之外还可作为普通的串口工具使用。

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图5.校准板级硬件接口示意图

校准板对外最关键的接口是校准口,该校准接口提供三种信号类型,分别是电源(3V3、GND)、四个模拟采集通道(ANA_CH0~ANA_CH3)、CI接口(PA2、PA3、PA5、PA10、NRST),接口对应的线序如图6所示。

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图6.校准板校准接口线序

基于校准板的校准接口以及血糖仪Demo预留出的校准口的定义,则可以确定血糖仪Demo校准口各个管脚与校准板的互连关系,如图7所示,红色数字对应的是校准板校准接口的线序编号(如果以FC排线对接,则对应的是排线的序号)。

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图7.血糖仪校准接口线序

为了更好的实现精准校准,校准接口的四路模拟采集通道通过四路buffer后再给到16位ADC采集,电路实现如图8所示。

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图8.16位ADC的四路模拟输入通道buffer

16位ADC通过SPI接口与校准板上的逻辑控制单元通讯进而获取到对应通道的ADC转换结果,根据对应校准通道转换的数字量结果和目标参数进行误差对比并做补偿调校,实现闭合校准控制过程。为了更好的控制校准精度,这边使用了一颗高性能的外部基准电压源,可提供稳定低漂移的4.096V基准电压给到16位ADC,电路实现如图9所示。

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图9.16位ADC电路实现


3. 校准软件详述

基于上文的校准装备硬件,澎湃提供了一套可支持“SHELL”脚本的校准软件,通过特定的命令脚本可以便捷地实现如下测试动作:

▪  LIST:列出所有支持的命令脚本

▪  Entry_TestMode:进入测试模式,该模式可以用来确认血糖仪和校准板的CI接口之间的互联关系是否正确;

▪  Write_Parame parameter1 parameter2 parameter3:设定目标值和DAC输出搜索的起始值(parameter1=内部2V参考的目标值,parameter2=DAC输出的目标值,parameter3=DAC输出搜索的起始值)

▪  Read_Parame:读取目标值,调用该脚本返回配置好的目标值以及DAC输出搜索的起始值;

▪ Get_AnalogValue parameter:获取16位ADC的四个模拟输入通道的转换结果,parameter1为需要获取的模拟通道号;

▪  Test_Start:开始启动自动化校准,此脚本等同于按下校准按钮;

本套校准方式使用仿真器拓展出的串口直接跟PC互联,以IPOP终端为例,串口参数的配置如图10所示。

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图10.校准软件脚本命令列表

IPOP终端连接上校准板串口后即可键入支持的命令脚本实现校准调测,比如需要打印出所有可支持的脚本命令,那么在串口终端键入“LIST”后回车,终端回显内容如图11所示。

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图11.校准软件脚本命令列表

3.1  基于串口终端调校固化目标参数

 3.1.1    基础目标参数理论计算  

从上文的校准流程(图2)可以看出校准过程是逐渐逼近目标值的闭环控制过程,涉及到的目标值有两个,分别是内部2V参考的目标值以及12位DAC输出的目标值。该目标值的对比对象则是校准板上16位ADC采集到对应模拟通道上电压对应的数字量。

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本文以12位DAC输出电压VDAC = 300mV内部2V参考VIREF = 2000mV为例,先计算并设定一个基础目标值,以该基础目标值结合自动化校准进行微调最终确定固化一组目标值,基于公式1,可得到内部2V参考的基础目标值为32000,12位DAC输出的基础目标值为4800,计算过程如下公式2和公式3。

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除了计算基础目标值之外,为了更好的提升自动校准的收敛效率,还需设置对12位DAC调校过程的搜索起始位置,即为12位DAC最终模拟量输出值对应的数字量。

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该校准最终的需求是12位DAC的输出逼近300mV,并且这边12位DAC使用的是033的内部2V参考,因此基于公式4可计算出最快逼近效率的搜索起始路径为614,计算过程如下公式5。

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 3.1.2    串口终端调测校准环境  

血糖仪和校准板需要按上文校准方案硬件详述提及的内容正确互联,校准串口终端提供了两条命令脚本(Entry_TestMode和Get_AnalogValue parameter)分别用来验证CI接口和模拟输入通道电压采集是否正常。

串口终端键入“Entry_TestMode”后,如果终端回显“进入测试模式成功”,那么可以判断CI接口已经正确互连通信,可以通过CI接口对033内部的模拟校准参数进行调整。

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图12.通过串口终端进入测试模式

在校准接口对应的四个校准模拟通道灌入电压,串口终端键入“Get_AnalogValue 通道号(0/1/2/3)”即可获取对应通道号模拟量输入对应的数字量值。本例通道0灌入的电压为300mV,通道1通道灌入的电压为2000mV

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图13.通过串口终端测试模拟通道

 3.1.3    调整固化目标参数  

基于上述基础理论目标值的计算结果,还需要对两个目标值进行细微的修正,修正过程最终也是基于自动化校准后的结果以及外部高精度仪表(本文使用的是六位半万用表)实际在用户模式下实测结果进行对比,根据最终差异对目标值做微调,微调过程请参考图2.调校目标参数流程图。

 注  使用自动化校准进行目标参数的微调必须保证校准过程中仿真器同校准板断开,详见下文的微调步骤;使用六位半万用表实际测量内部2V参考输出和DAC输出必须是血糖仪与校准装备完全断开的情况下在用户模式下测量,下文会针对用户模式下的软件配置流程进行详细说明。

※  步骤一:

配置基础理论参数;确保血糖仪和校准装备正确互连后,使用串口终端键入“Write_Parame 32000 4800 614”用于配置三个基础目标参数;

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图14.通过串口配置基础目标参数

※  步骤二:

回读配置参数,确认已经正确写入;使用串口终端键入“Read_Parame”即可回显已经配置进去的基础目标参数;

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图15.通过串口终端回读基础目标参数

※  步骤三:

断开校准板同仿真器之间的互连关系,单击“校准按键”执行自动化校准,校准过程绿灯闪烁同时OLED显示校准过程。校准结束,蜂鸣器短鸣,绿灯常亮同时OLED显示“Trim OK!!!”。

※  步骤四:

断开校准板同血糖仪之间的互连关系,此步骤血糖仪烧录用户模式下的测试程序(软件工程可通过澎湃官方渠道获取)。基于血糖仪Demo的硬件设计以及测试软件配置,血糖仪上电后通过血糖仪上预留的校准口PD6可输出内部2V参考电压,通过PB13可输出12位DAC的输出电压;

※  步骤五:

使用六位半万用表测量步骤4出来的两个电压,比如此时测到的PD6(内部2V参考输出)管脚电压为2004.59mv,PB13(12位DAC输出)管脚测到的电压为300.68mv,如图16测试结果。

16.png图16.高精度万用表实测模拟量输出

※  步骤六:

此时DAC输出已经能满足±1mv精度,而内部2V参考超出4mv,因此往下调整内部2V参考的目标值到31940(这个目标值也可以做一些估算和测试尝试步进逼近,比如10个数字量为一档)

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图17.通过串口配置微调目标参数

※  步骤七:

重复步骤4和步骤5的内容,从实测结果看,内部2V参考输出以及DAC输出以及都能满足误差范围±1mv以内,如图18所示。因此内部2V参考的最终目标参数为31940,12位DAC输出300mv的最终目标参数为4800。

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图18.高精度万用表实测模拟量输出

 注  
1.  本示例中因为DAC输出已经能满足精度要求,仅涉及到了内部2V参考的目标参数微调,一般情况下如果DAC输出也存在比较大的误差,那么可以同时两个目标参数一起联合微调。

2.  12位DAC的基准是来自于内部2V参考,调整内部2V参考的目标参数其实同步会影响到DAC的最终输出,因此在微调过程中需要考虑到二者目标参数直接的关联性,原则上可先调整内部2V参考的目标使内部2V参考输出先满足输出精度后再对12位DAC的目标参数进行微调。

 3.1.4    用户模式测试软件配置  

上文关于目标参数微调步骤4中提到血糖仪需要在用户测试模式下使用高精度仪表进行测量调校,本节针对用户模式下的软件配置做一些阐述,详细的测试工程亦可从澎湃官方渠道获取。本次配置涉及到的寄存器详述请参考前序血糖仪推文第三篇“PT32x033的DAC&ADC&OPA联合应用指南”

本测试例程配置12位DAC作为OPA的正相输入。血糖仪在没有插入试纸的情况下,OPA的反相输入通过跨阻连接到OPA的输出管脚,此时OPA作为跟随器使用,OPA_OUT(PB13)的输出电压完全跟随DAC的输出。

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图19.DAC输出到外部引脚监测框图

DAC的参考源选择为内部2V参考,ADC的参考源同时选择为内部2V参考以及来自于PD6管脚的外部参考(仅作为外部监测功能)

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图20.内部2V参考输出到外部引脚监测框图

ADC初始化关键配置两个参数,基准参考源(基准源选择内部2V以及外部参考)以及转换率,而转换率由两个配置参数决定,分别是ADC的工作时钟以及采样时间

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DAC的初始化关键配置两个参数,基准参考源以及速率,同时在这边把内部参考基准源使能,DAC和ADC共用一个内部2V的参考基准源,初始化完成之后获取固化的校准参数实现300mV精准输出。

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OPA的初始化关键配置三个参数,正相输入源的选择,高速模式以及功能模式(OPA功能)

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OPA的反相输入以及输出需要到引脚,因此对应的引脚必须配置为模拟复用功能

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来源: 芯师爷 作者: