多通道ADC使工業(yè)4.0的機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測成為可能
發(fā)布時間:2020-05-01 來源:Teledyne e2v 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)。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(yùn)行數(shù)據(jù)更容易被獲取,也出現(xiàn)了能更有效評估復(fù)雜系統(tǒng)健康狀況的的方法。機(jī)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(shí)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(yù)測估計(jì)的方法,用戶能更明智地決定何時何處需進(jìn)行維護(hù)工作。
通過MCM可識別出損耗最嚴(yán)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(fù)雜電子系統(tǒng)的壽命,避免計(jì)劃外的維修,從而大大減少每天的運(yùn)行成本,此外也可避免發(fā)生由于器件失效導(dǎo)致的員工受傷的事故。在下面的例子里,MCM的目的是機(jī)器視覺系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行驗(yàn)證。
坐落在臺北的ZKey科技是一家成功的設(shè)計(jì)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(yīng)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(xiàng)目,主要負(fù)責(zé)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(jī)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(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題(需廢棄整個批次)或嚴(yán)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(fù)責(zé)的項(xiàng)目需采集和編譯與機(jī)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(yù)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(jìn)行深入的分析??紤]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(xì)評估了多個供應(yīng)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(xiàng)目的研發(fā)。首先臺灣地區(qū)的代理商和客戶進(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(jiān)控(IS&M)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)。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(yīng)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(yùn)行時的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)高達(dá)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(dá)到53dB,通道隔離度超過60dB,確保串?dāng)_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(diǎn)開關(guān),可交織實(shí)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(yīng)的FPGA連接,以進(jìn)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(yùn)行驗(yàn)證測試是連續(xù)運(yùn)行的,需保證數(shù)據(jù)采集卡可長時間可靠地運(yùn)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(yùn)行。另外,這款器件的最高工作溫度高達(dá)110℃,適合各種嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境。
圖 2: MCM采集板系統(tǒng)框圖
ZKey的工程團(tuán)隊(duì)也考察了其他模擬/混合信號IC供應(yīng)商的方案,他們認(rèn)為EV10AQ190A是適合這個設(shè)計(jì)的最優(yōu)秀的產(chǎn)品。其中一個重要的優(yōu)點(diǎn)是,可通過ADC內(nèi)部集成的交叉點(diǎn)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(jì)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(yīng)不同的性能需要,無需修改系統(tǒng)本身的基本設(shè)計(jì)。”
因此,這個項(xiàng)目的開發(fā)流程被顯著縮短,邏輯設(shè)計(jì)也被大大簡化。同時,ZKey的采集設(shè)備是面向未來設(shè)計(jì)的,有充分的余地適應(yīng)未來新應(yīng)用的需求。
“單個ADC支持不同配置的特點(diǎn)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(yīng)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(fù)雜度,并使設(shè)計(jì)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(jī)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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