數據采集系統校準

大多數數據采集系統都需要校準，有時甚至在產品使用壽命期間需要多次校準。精確校準可確保設備始終如一地以可預測的方式運行，并具有確保目標結果所需的精度水平。在工程規劃的早期階段，評估系統校準過程中可能涉及的復雜程度以及確保設備必須提供的結果所需的精確度非常重要。如果這種評估沒有預先進行，并且沒有足夠勤奮地進行，結果可能是必須在項目的后期階段追溯設計它。這可能導致項目范圍和持續時間的擴大，甚至需要昂貴的重新設計。在 Nuvation 工程部，我們在早期項目規劃階段預先定義系統校準要求，確保系統架構包括對校準的強大支持。

了解基礎物理

大多數數據采集系統由一個或多個傳感器組成，這些傳感器將環境測量（例如光、聲音、壓力、溫度等）轉換為電信號，該電信號可由模擬前端（AFE）電路調節，然后由模數轉換器（ADC）采樣。對這些系統的基本物理特性有一個大致的了解非常重要，以便確定可能影響傳感器測量的精度、準確度和可重復性的環境或電氣條件。雖然很少需要對物理的適用領域有詳細的了解，但高層次的理解是非常有益的。一旦了解了基本原理，就可以制定策略來減輕環境或電氣對傳感器測量和性能的影響。

例如，Nuvation 工程必須了解用于生命科學應用的流式細胞儀設備的機電特性。該系統需要一個具有低本底噪聲的高速、高精度模擬前端。系統校準對于滿足測量性能要求至關重要。

校準程序

在產品設計階段的早期定義校準程序非常重要。這包括提出高級問題，例如：

是否需要特殊設備來執行校準？

校準是僅在工廠進行，還是在現場進行？

需要多久進行一次校準？

校準是否需要用戶幫助，還是可以在內部執行（即沒有用戶交互）？

校準過程中需要執行哪些測量，產品架構將如何提供對這些測量的訪問？

如何驗證校準結果？

校準的通過/失敗標準是什么？

考慮這些問題的答案是設計校準程序和確保產品架構能夠適應校準的第一步。

在某些情況下，校準程序需要特殊設備，需要在生產設施中執行。例如，Nuvation 工程為零售分析應用程序設計了一個立體相機。相機需要對準圖像傳感器和鏡頭，以確保正確的立體成像。Nuvation開發并向生產設施提供了校準測試夾具，用于在批量生產期間進行對準。

校準數據處理

除了定義校準程序外，還需要解決校準數據處理問題。這包括校準過程、啟動配置、運行時操作、校準后跟蹤和數據分析。在校準過程中，獲得測量結果并進行計算，以獲得數據采集系統的運行時參數。電子設計團隊必須分析這些校準計算的復雜性，并確定它們是否可以由設備本身執行，或者是否需要由外部計算機執行。如果計算將在外部執行，則設計必須考慮數據帶寬、處理延遲以及數據加密和安全性。

數據采集系統的正常運行通常從器件配置階段開始。在此階段，從非易失性存儲器中檢索參數并用于配置系統。需要進行錯誤檢查和參數范圍檢查，以確認內存中的參數未損壞。

在數據采集系統的運行時操作期間，需要進行運行狀況監視以確認系統是否在預期范圍內運行。必須定義警告和錯誤處理程序，以處理內部參數或環境條件超出其預期范圍的情況。例如，如果內部器件溫度發生變化（相對于校準溫度），系統能否補償這種變化（例如，在模擬前端或模數轉換后的數據處理中）？用戶警告或錯誤消息應在什么溫度閾值下發出？如果超過某些環境或內部參數閾值，系統是否應采取預防措施來嘗試防止潛在的硬件損壞？

營養在為衛星設計數據采集系統時，工程部門必須實施關鍵的預防措施。雖然衛星內部的條件與外層空間的惡劣條件不同，但環境仍然被認為是惡劣的，高可靠性設計是關鍵任務的要求。Nuvation的工程師包括廣泛的自診斷功能，以確保系統在設計的運行條件下持續運行。如果出現可能導致硬件損壞的情況，Nuvation的設計人員會讓設備采取預防措施來保護系統，例如關閉敏感電子設備，直到恢復安全工作條件。

除了數據采集硬件使用校準數據外，還需要考慮外部數據處理。校準結果會存儲在外部數據庫中嗎？將在校準數據庫上進行何種數據分析？這些數據是否可用于預測維護問題，或安排工廠重新校準？

校準數據也可以在保修索賠中發揮重要作用。數據采集系統可能具有精密的傳感器和其他組件，需要在定義的環境或電氣范圍內操作。超出這些范圍的操作可能會影響性能或導致硬件損壞。校準和健康監測數據可用于確定設備是否在指定的操作范圍之外運行，因此不符合保修索賠的條件。

結論

校準在數據采集系統中發揮著重要作用。要考慮的關鍵因素包括：

了解驅動校準需求的基礎物理場

定義校準程序

設計系統架構以適應校準

探索校準數據的用例場景

將這些考慮因素納入電子設計項目的早期設計階段，可確保數據采集系統開發工作的校準部分不會對整個項目進度和預算產生負面影響。Nuvation Engineering在電子設計方面擁有20多年的經驗，他們遇到了工程項目的所有常見陷阱，并制定了確保避免這些陷阱的流程。這種學習造就了令人印象深刻的“首次成功”電子設計記錄。