多通道ADC使工業(yè)4.0的機器狀態(tài)監測成為可能

Teledyne e2v的多功能產(chǎn)品EV10AQ190A已被證明是評估視頻圖像系統運行狀況的數據采集卡的關(guān)鍵器件。

“使用單個(gè)ADC產(chǎn)品實(shí)現多種配置的能力是無(wú)價(jià)的?！?Marc Stackler, Teledyne e2v.

工廠(chǎng)需要有效的方法和流程保證設備不會(huì )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(fēng)險。這樣，工廠(chǎng)可以保持產(chǎn)能最大化，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了保證。過(guò)去，人們通常采用所謂的保養制度，定期檢查設備，成本高而且耗時(shí)長(cháng)。 如今我們步入了工業(yè)4.0/IoT時(shí)代，關(guān)鍵的運行數據更容易被獲取，也出現了能更有效評估復雜系統健康狀況的的方法。機器狀態(tài)監測(MCM)的出現為工業(yè)生產(chǎn)/制造 的公司提供了極大的便利，它可實(shí)時(shí)提供設備狀態(tài)的連 續數據流。通過(guò)分析數據流而不是采用過(guò)時(shí)的預測估計 的方法，用戶(hù)能更明智地決定何時(shí)何處需進(jìn)行維護工作。

通過(guò)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(zhù)延長(cháng)購買(mǎi)的復雜電子系統的壽命，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(jué)系統生產(chǎn)設備的運行驗證。

如今我們步入了工業(yè)4.0/IoT時(shí)代，關(guān)鍵的運行數據更容易被獲取，也出現了能更有效評估復雜系統健康狀況的的方法。機器狀態(tài)監測(MCM)的出現為工業(yè)生產(chǎn)/制造的公司提供了極大的便利，它可實(shí)時(shí)提供設備狀態(tài)的連續數據流。通過(guò)分析數據流而不是采用過(guò)時(shí)的預測估計的方法，用戶(hù)能更明智地決定何時(shí)何處需進(jìn)行維護工作。

通過(guò)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(zhù)延長(cháng)購買(mǎi)的復雜電子系統的壽命，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(jué)系統生產(chǎn)設備的運行驗證。

坐落在臺北的ZKey科技是一家成功的設計服務(wù)公司，專(zhuān)門(mén)研發(fā)定制的硬件解決方案以滿(mǎn)足不同客戶(hù)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)內領(lǐng)先的系統整合公司請ZKey開(kāi)發(fā)一個(gè)大規模的MCM項目，主要負責所需的數據采集設備的開(kāi)發(fā)和供貨。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，機器視覺(jué)系統中的圖像傳感器的性能和參數會(huì )惡化，影響分辨率、對比度和噪聲級別。如果不及時(shí)處理，可能會(huì )導致產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題（需廢棄整個(gè)批次）或嚴重的工作問(wèn)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(jué)系統的圖像傳感器相關(guān)的串行數字接口(SDI)信號。通過(guò)對比這些數據和預期的數，找出異常的值，從而確定系統的健康狀況。

模擬信號的采集由ZKey工程部定制的數據采集板處理。這些板子上的高采樣率數據轉換IC將接收到的數據轉換為數字流，然后進(jìn)行深入的分析?？紤]到產(chǎn)品使用的工業(yè)環(huán)境，數據采集板（包括其電子元器件）可能長(cháng)時(shí)間處于震動(dòng)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(gè)供應商的模數轉換器(ADC)產(chǎn)品之后，ZKey決定在其MCM數據采集板的核心部分使用Teledyne e2v的EV10AQ190A 5GHz采樣率的器件。

圖 1: Teledyne e2v的EV10AQ190A ADC

2019年春天，Teledyne e2v開(kāi)始參與這個(gè)項目的研發(fā)。首先臺灣地區的代理商和客戶(hù)進(jìn)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)（包括器件和子系統層面），在全球無(wú)數的IS&M應用中扮演著(zhù)重要的角色，其產(chǎn)品 EV10AQ190A ADC 受到了廣泛的歡迎。這個(gè)產(chǎn)品為測試設備和儀器高度優(yōu)化，擁有10位四通道的高性能和業(yè)內領(lǐng)先的信號完整度，在全速運行時(shí)的無(wú)雜散動(dòng)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(guò)60dB，確保串擾不會(huì )降低采集的數據的質(zhì)量。

EV10AQ190A ADC支持四通道分別工作在1.25 Gsps采樣率。利用SPI接口配置和內置的交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)，可交織實(shí)現雙通道2.5Gsps采樣率或單通道5Gsps采樣率。ZKey的板子使用這個(gè)器件把接收的數據轉換成數字信號。每塊板子的ADC都和對應的FPGA連接，以進(jìn)行初始的數據處理。板子上使用的高端FPGA包含700,000個(gè)邏輯單元，10M字節的嵌入式RAM和豐富的數字信號處理(DSP)資源。

MCM的運行驗證測試是連續運行的，需保證數據采集卡可長(cháng)時(shí)間可靠地運行。EV10AQ190A擁有業(yè)內領(lǐng)先的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)，保證ZKey的產(chǎn)品長(cháng)期穩定地運行。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(gè)設計的最優(yōu)秀的產(chǎn)品。其中一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是，可通過(guò)ADC內部集成的交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)，動(dòng)態(tài)切換使用的通道數。

除了減少板子尺寸和降低材料成本，EV10AQ190A的靈活性（同一種設計可適用多種不同的產(chǎn)品）可為客戶(hù)帶來(lái)極大的便利。ZKey的工程師使用EV10AQ190開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品可滿(mǎn)足不同客戶(hù)的不同需求，能使用相同的采集卡系統IC，直接從單通道切換到四通道工作。ZKey的首席架構師Kevin Chiang說(shuō)：“這個(gè)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(wú)需修改系統本身的基本設計?！?/strong>

因此，這個(gè)項目的開(kāi)發(fā)流程被顯著(zhù)縮短，邏輯設計也被大大簡(jiǎn)化。同時(shí)，ZKey的采集設備是面向未來(lái)設計的，有充分的余地適應未來(lái)新應用的需求。

“單個(gè)ADC支持不同配置的特點(diǎn)對ZKey和其他的客戶(hù)來(lái)說(shuō)是無(wú)價(jià)的，”Teledyne e2v的亞太區銷(xiāo)售和應用工程師Marc Stackler說(shuō)?！耙粋€(gè)子系統可兼容多個(gè)通道的需求，從而降低硬件復雜度，并使設計可以重用?！?/p>

ZKey的系統集成客戶(hù)已下了大量的訂單，大約每年2000塊數據采集板。另外，他們也發(fā)現這種數據采集板的衍生產(chǎn)品在其他領(lǐng)域的機會(huì )。除了EV10AQ190, Teledynee2v還看到在工業(yè)、電信、飛行電子、宇航和國防領(lǐng)域對其新發(fā)布的EV12AQ60x ADC系列的需求。這些器件和EV10AQ190功能類(lèi)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。

案例研究摘要：

工廠(chǎng)需要有效的方法和流程保證設備不會(huì )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(fēng)險。這樣，工廠(chǎng)可以保持產(chǎn)能最大化，產(chǎn)品質(zhì)量也得到了保證。過(guò)去，人們通常采用所謂的保養制度，定期檢查設備，成本高而且耗時(shí)長(cháng)。

如今我們步入了工業(yè)4.0/IoT時(shí)代，關(guān)鍵的運行數據更容易被獲取，也出現了能更有效評估復雜系統健康狀況的的方法。機器狀態(tài)監測(MCM)的出現為工業(yè)生產(chǎn)/制造的公司提供了極大的便利，它可實(shí)時(shí)提供設備狀態(tài)的連續數據流。通過(guò)分析數據流而不是采用過(guò)時(shí)的預測估計的方法，用戶(hù)能更明智地決定何時(shí)何處需進(jìn)行維護工作。

通過(guò)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(zhù)延長(cháng)購買(mǎi)的復雜電子系統的壽命，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(jué)系統生產(chǎn)設備的運行驗證。

坐落在臺北的ZKey科技是一家成功的設計服務(wù)公司，專(zhuān)門(mén)研發(fā)定制的硬件解決方案以滿(mǎn)足不同客戶(hù)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)內領(lǐng)先的系統整合公司請ZKey開(kāi)發(fā)一個(gè)大規模的MCM項目，主要負責所需的數據采集設備的開(kāi)發(fā)和供貨。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，機器視覺(jué)系統中的圖像傳感器的性能和參數會(huì )惡化，影響分辨率、對比度和噪聲級別。如果不及時(shí)處理，可能會(huì )導致產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題（需廢棄整個(gè)批次）或嚴重的工作問(wèn)題，增加停工的成本，甚至危及員工的生命安全。

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