數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)

大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都需要校準(zhǔn)，有時(shí)甚至在產(chǎn)品使用壽命期間需要多次校準(zhǔn)。精確校準(zhǔn)可確保設(shè)備始終如一地以可預(yù)測(cè)的方式運(yùn)行，并具有確保目標(biāo)結(jié)果所需的精度水平。在工程規(guī)劃的早期階段，評(píng)估系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程中可能涉及的復(fù)雜程度以及確保設(shè)備必須提供的結(jié)果所需的精確度非常重要。如果這種評(píng)估沒有預(yù)先進(jìn)行，并且沒有足夠勤奮地進(jìn)行，結(jié)果可能是必須在項(xiàng)目的后期階段追溯設(shè)計(jì)它。這可能導(dǎo)致項(xiàng)目范圍和持續(xù)時(shí)間的擴(kuò)大，甚至需要昂貴的重新設(shè)計(jì)。在 Nuvation 工程部，我們?cè)谠缙陧?xiàng)目規(guī)劃階段預(yù)先定義系統(tǒng)校準(zhǔn)要求，確保系統(tǒng)架構(gòu)包括對(duì)校準(zhǔn)的強(qiáng)大支持。

了解基礎(chǔ)物理

大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)傳感器組成，這些傳感器將環(huán)境測(cè)量（例如光、聲音、壓力、溫度等）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)可由模擬前端（AFE）電路調(diào)節(jié)，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣。對(duì)這些系統(tǒng)的基本物理特性有一個(gè)大致的了解非常重要，以便確定可能影響傳感器測(cè)量的精度、準(zhǔn)確度和可重復(fù)性的環(huán)境或電氣條件。雖然很少需要對(duì)物理的適用領(lǐng)域有詳細(xì)的了解，但高層次的理解是非常有益的。一旦了解了基本原理，就可以制定策略來(lái)減輕環(huán)境或電氣對(duì)傳感器測(cè)量和性能的影響。

例如，Nuvation 工程必須了解用于生命科學(xué)應(yīng)用的流式細(xì)胞儀設(shè)備的機(jī)電特性。該系統(tǒng)需要一個(gè)具有低本底噪聲的高速、高精度模擬前端。系統(tǒng)校準(zhǔn)對(duì)于滿足測(cè)量性能要求至關(guān)重要。

校準(zhǔn)程序

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的早期定義校準(zhǔn)程序非常重要。這包括提出高級(jí)問(wèn)題，例如：

是否需要特殊設(shè)備來(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)？

校準(zhǔn)是僅在工廠進(jìn)行，還是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行？

需要多久進(jìn)行一次校準(zhǔn)？

校準(zhǔn)是否需要用戶幫助，還是可以在內(nèi)部執(zhí)行（即沒有用戶交互）？

校準(zhǔn)過(guò)程中需要執(zhí)行哪些測(cè)量，產(chǎn)品架構(gòu)將如何提供對(duì)這些測(cè)量的訪問(wèn)？

如何驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果？

校準(zhǔn)的通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)是什么？

考慮這些問(wèn)題的答案是設(shè)計(jì)校準(zhǔn)程序和確保產(chǎn)品架構(gòu)能夠適應(yīng)校準(zhǔn)的第一步。

在某些情況下，校準(zhǔn)程序需要特殊設(shè)備，需要在生產(chǎn)設(shè)施中執(zhí)行。例如，Nuvation 工程為零售分析應(yīng)用程序設(shè)計(jì)了一個(gè)立體相機(jī)。相機(jī)需要對(duì)準(zhǔn)圖像傳感器和鏡頭，以確保正確的立體成像。Nuvation開發(fā)并向生產(chǎn)設(shè)施提供了校準(zhǔn)測(cè)試夾具，用于在批量生產(chǎn)期間進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理

除了定義校準(zhǔn)程序外，還需要解決校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。這包括校準(zhǔn)過(guò)程、啟動(dòng)配置、運(yùn)行時(shí)操作、校準(zhǔn)后跟蹤和數(shù)據(jù)分析。在校準(zhǔn)過(guò)程中，獲得測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行計(jì)算，以獲得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)參數(shù)。電子設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須分析這些校準(zhǔn)計(jì)算的復(fù)雜性，并確定它們是否可以由設(shè)備本身執(zhí)行，或者是否需要由外部計(jì)算機(jī)執(zhí)行。如果計(jì)算將在外部執(zhí)行，則設(shè)計(jì)必須考慮數(shù)據(jù)帶寬、處理延遲以及數(shù)據(jù)加密和安全性。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常運(yùn)行通常從器件配置階段開始。在此階段，從非易失性存儲(chǔ)器中檢索參數(shù)并用于配置系統(tǒng)。需要進(jìn)行錯(cuò)誤檢查和參數(shù)范圍檢查，以確認(rèn)內(nèi)存中的參數(shù)未損壞。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)操作期間，需要進(jìn)行運(yùn)行狀況監(jiān)視以確認(rèn)系統(tǒng)是否在預(yù)期范圍內(nèi)運(yùn)行。必須定義警告和錯(cuò)誤處理程序，以處理內(nèi)部參數(shù)或環(huán)境條件超出其預(yù)期范圍的情況。例如，如果內(nèi)部器件溫度發(fā)生變化（相對(duì)于校準(zhǔn)溫度），系統(tǒng)能否補(bǔ)償這種變化（例如，在模擬前端或模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理中）？用戶警告或錯(cuò)誤消息應(yīng)在什么溫度閾值下發(fā)出？如果超過(guò)某些環(huán)境或內(nèi)部參數(shù)閾值，系統(tǒng)是否應(yīng)采取預(yù)防措施來(lái)嘗試防止?jié)撛诘挠布p壞？

營(yíng)養(yǎng)在為衛(wèi)星設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，工程部門必須實(shí)施關(guān)鍵的預(yù)防措施。雖然衛(wèi)星內(nèi)部的條件與外層空間的惡劣條件不同，但環(huán)境仍然被認(rèn)為是惡劣的，高可靠性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵任務(wù)的要求。Nuvation的工程師包括廣泛的自診斷功能，以確保系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的運(yùn)行條件下持續(xù)運(yùn)行。如果出現(xiàn)可能導(dǎo)致硬件損壞的情況，Nuvation的設(shè)計(jì)人員會(huì)讓設(shè)備采取預(yù)防措施來(lái)保護(hù)系統(tǒng)，例如關(guān)閉敏感電子設(shè)備，直到恢復(fù)安全工作條件。

除了數(shù)據(jù)采集硬件使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)外，還需要考慮外部數(shù)據(jù)處理。校準(zhǔn)結(jié)果會(huì)存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)庫(kù)中嗎？將在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)上進(jìn)行何種數(shù)據(jù)分析？這些數(shù)據(jù)是否可用于預(yù)測(cè)維護(hù)問(wèn)題，或安排工廠重新校準(zhǔn)？

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)也可以在保修索賠中發(fā)揮重要作用。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可能具有精密的傳感器和其他組件，需要在定義的環(huán)境或電氣范圍內(nèi)操作。超出這些范圍的操作可能會(huì)影響性能或?qū)е掠布p壞。校準(zhǔn)和健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可用于確定設(shè)備是否在指定的操作范圍之外運(yùn)行，因此不符合保修索賠的條件。

結(jié)論

校準(zhǔn)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。要考慮的關(guān)鍵因素包括：

了解驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)需求的基礎(chǔ)物理場(chǎng)

定義校準(zhǔn)程序

設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)以適應(yīng)校準(zhǔn)

探索校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的用例場(chǎng)景

將這些考慮因素納入電子設(shè)計(jì)項(xiàng)目的早期設(shè)計(jì)階段，可確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)工作的校準(zhǔn)部分不會(huì)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)度和預(yù)算產(chǎn)生負(fù)面影響。Nuvation Engineering在電子設(shè)計(jì)方面擁有20多年的經(jīng)驗(yàn)，他們遇到了工程項(xiàng)目的所有常見陷阱，并制定了確保避免這些陷阱的流程。這種學(xué)習(xí)造就了令人印象深刻的“首次成功”電子設(shè)計(jì)記錄。