【導讀】工廠需要有效的方法和流程保證設(shè)備不會由于關(guān)鍵器件的失效或老化引起性能下降或發(fā)生故障，以減降低停工的風險。這樣，工廠可以保持產(chǎn)能最大化，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了保證。過去，人們通常采用所謂的保養(yǎng)制度，定期檢查設(shè)備，成本高而且耗時長。
如今我們步入了工業(yè)4.0/IoT時代，關(guān)鍵的運行數(shù)據(jù)更容易被獲取，也出現(xiàn)了能更有效評估復雜系統(tǒng)健康狀況的的方法。機器狀態(tài)監(jiān)測(MCM)的出現(xiàn)為工業(yè)生產(chǎn)/制造的公司提供了極大的便利，它可實時提供設(shè)備狀態(tài)的連續(xù)數(shù)據(jù)流。通過分析數(shù)據(jù)流而不是采用過時的預測估計的方法，用戶能更明智地決定何時何處需進行維護工作。
通過MCM可識別出損耗最嚴重的部分，從而在故障發(fā)生之前更換所需的器件。這意味著延長購買的復雜電子系統(tǒng)的壽命，避免計劃外的維修，從而大大減少每天的運行成本，此外也可避免發(fā)生由于器件失效導致的員工受傷的事故。在下面的例子里，MCM的目的是機器視覺系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的運行驗證。
坐落在臺北的ZKey科技是一家成功的設(shè)計服務(wù)公司，專門研發(fā)定制的硬件解決方案以滿足不同客戶應用的需要。這些解決方案主要基于高級可編程邏輯器件和相關(guān)的固件。2018年中期，一家業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的系統(tǒng)整合公司請ZKey開發(fā)一個大規(guī)模的MCM項目，主要負責所需的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的開發(fā)和供貨。
隨著時間的推移，機器視覺系統(tǒng)中的圖像傳感器的性能和參數(shù)會惡化，影響分辨率、對比度和噪聲級別。如果不及時處理，可能會導致產(chǎn)品質(zhì)量問題（需廢棄整個批次）或嚴重的工作問題，增加停工的成本，甚至危及員工的生命安全。
ZKey負責的項目需采集和編譯與機器視覺系統(tǒng)的圖像傳感器相關(guān)的串行數(shù)字接口(SDI)信號。通過對比這些數(shù)據(jù)和預期的參數(shù)，找出異常的值，從而確定系統(tǒng)的健康狀況。
模擬信號的采集由ZKey工程部定制的數(shù)據(jù)采集板處理。這些板子上的高采樣率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換IC將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字流，然后進行深入的分析。考慮到產(chǎn)品使用的工業(yè)環(huán)境，數(shù)據(jù)采集板（包括其電子元器件）可能長時間處于震動和極端溫度的環(huán)境中，因此必須保證足夠的可靠性。在仔細評估了多個供應商的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)產(chǎn)品之后，ZKey決定在其MCM數(shù)據(jù)采集板的核心部分使用Teledyne e2v的EV10AQ190A 5GHz采樣率的器件。
2019年春天，Teledyne e2v開始參與這個項目的研發(fā)。首先臺灣地區(qū)的代理商和客戶進行了初步的交流，然后由技術(shù)人員直接溝通。Teledyne e2v從公司建立至今已有70年，積累了工業(yè)傳感和監(jiān)控(IS&M)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗。它引入最前沿的技術(shù)（包括器件和子系統(tǒng)層面），在全球無數(shù)的IS&M應用中扮演著重要的角色，其產(chǎn)品EV10AQ190A ADC受到了廣泛的歡迎。這個產(chǎn)品為測試設(shè)備和儀器高度優(yōu)化，擁有10位四通道的高性能和業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的信號完整度，在全速運行時的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)高達68dBc，位錯誤率（BER)僅有1x10-16。即使在四通道模式下，其信噪比（SNR）依然可達到53dB，通道隔離度超過60dB，確保串擾不會降低采集的數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
圖 1: Teledyne e2v的EV10AQ190A ADC
EV10AQ190A ADC支持四通道分別工作在1.25 Gsps采樣率。利用SPI接口配置和內(nèi)置的交叉點開關(guān)，可交織實現(xiàn)雙通道2.5Gsps采樣率或單通道5Gsps采樣率。ZKey的板子使用這個器件把接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。每塊板子的ADC都和對應的FPGA連接，以進行初始的數(shù)據(jù)處理。板子上使用的高端FPGA包含700,000個邏輯單元，10M字節(jié)的嵌入式RAM和豐富的數(shù)字信號處理(DSP)資源。
MCM的運行驗證測試是連續(xù)運行的，需保證數(shù)據(jù)采集卡可長時間可靠地運行。EV10AQ190A擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的平均故障間隔時間(MTBF)，保證ZKey的產(chǎn)品長期穩(wěn)定地運行。另外，這款器件的最高工作溫度高達110℃，適合各種嚴苛的工業(yè)環(huán)境。
圖 2: MCM采集板系統(tǒng)框圖
ZKey的工程團隊也考察了其他模擬/混合信號IC供應商的方案，他們認為EV10AQ190A是適合這個設(shè)計的最優(yōu)秀的產(chǎn)品。其中一個重要的優(yōu)點是，可通過ADC內(nèi)部集成的交叉點開關(guān)，動態(tài)切換使用的通道數(shù)。
除了減少板子尺寸和降低材料成本，EV10AQ190A的靈活性（同一種設(shè)計可適用多種不同的產(chǎn)品）可為客戶帶來極大的便利。ZKey的工程師使用EV10AQ190開發(fā)的產(chǎn)品可滿足不同客戶的不同需求，能使用相同的采集卡系統(tǒng)IC，直接從單通道切換到四通道工作。ZKey的首席架構(gòu)師Kevin Chiang說：“這個特性使我們可以在低速四通道和高速單通道兩種模式之間切換。這樣，我們可以適應不同的性能需要，無需修改系統(tǒng)本身的基本設(shè)計。”
因此，這個項目的開發(fā)流程被顯著縮短，邏輯設(shè)計也被大大簡化。同時，ZKey的采集設(shè)備是面向未來設(shè)計的，有充分的余地適應未來新應用的需求。
“單個ADC支持不同配置的特點對ZKey和其他的客戶來說是無價的，”Teledyne e2v的亞太區(qū)銷售和應用工程師Marc Stackler說。“一個子系統(tǒng)可兼容多個通道的需求，從而降低硬件復雜度，并使設(shè)計可以重用。”
ZKey的系統(tǒng)集成客戶已下了大量的訂單，大約每年2000塊數(shù)據(jù)采集板。另外，他們也發(fā)現(xiàn)這種數(shù)據(jù)采集板的衍生產(chǎn)品在其他領(lǐng)域的機會。除了EV10AQ190, Teledynee2v還看到在工業(yè)、電信、飛行電子、宇航和國防領(lǐng)域?qū)ζ湫掳l(fā)布的EV12AQ60x ADC系列的需求。這些器件和EV10AQ190功能類似，但擁有12位的分辨率和更小的封裝尺寸(由于使用了串行I/O)。它們支持單通道6.4Gsps、雙通道3.2Gsps和四通道1.6Gsps的采樣率。
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