数据采集系统设计中的常见盲点

数据采集系统校准

大多数数据采集系统都需要校准，有时甚至在产品使用寿命期间需要多次校准。精确校准可确保设备始终如一地以可预测的方式运行，并具有确保目标结果所需的精度水平。在工程规划的早期阶段，评估系统校准过程中可能涉及的复杂程度以及确保设备必须提供的结果所需的精确度非常重要。如果这种评估没有预先进行，并且没有足够勤奋地进行，结果可能是必须在项目的后期阶段追溯设计它。这可能导致项目范围和持续时间的扩大，甚至需要昂贵的重新设计。在 Nuvation 工程部，我们在早期项目规划阶段预先定义系统校准要求，确保系统架构包括对校准的强大支持。

了解基础物理

大多数数据采集系统由一个或多个传感器组成，这些传感器将环境测量（例如光、声音、压力、温度等）转换为电信号，该电信号可由模拟前端（AFE）电路调节，然后由模数转换器（ADC）采样。对这些系统的基本物理特性有一个大致的了解非常重要，以便确定可能影响传感器测量的精度、准确度和可重复性的环境或电气条件。虽然很少需要对物理的适用领域有详细的了解，但高层次的理解是非常有益的。一旦了解了基本原理，就可以制定策略来减轻环境或电气对传感器测量和性能的影响。

例如，Nuvation 工程必须了解用于生命科学应用的流式细胞仪设备的机电特性。该系统需要一个具有低本底噪声的高速、高精度模拟前端。系统校准对于满足测量性能要求至关重要。

校准程序

在产品设计阶段的早期定义校准程序非常重要。这包括提出高级问题，例如：

是否需要特殊设备来执行校准？

校准是仅在工厂进行，还是在现场进行？

需要多久进行一次校准？

校准是否需要用户帮助，还是可以在内部执行（即没有用户交互）？

校准过程中需要执行哪些测量，产品架构将如何提供对这些测量的访问？

如何验证校准结果？

校准的通过/失败标准是什么？

考虑这些问题的答案是设计校准程序和确保产品架构能够适应校准的第一步。

在某些情况下，校准程序需要特殊设备，需要在生产设施中执行。例如，Nuvation 工程为零售分析应用程序设计了一个立体相机。相机需要对准图像传感器和镜头，以确保正确的立体成像。Nuvation开发并向生产设施提供了校准测试夹具，用于在批量生产期间进行对准。

校准数据处理

除了定义校准程序外，还需要解决校准数据处理问题。这包括校准过程、启动配置、运行时操作、校准后跟踪和数据分析。在校准过程中，获得测量结果并进行计算，以获得数据采集系统的运行时参数。电子设计团队必须分析这些校准计算的复杂性，并确定它们是否可以由设备本身执行，或者是否需要由外部计算机执行。如果计算将在外部执行，则设计必须考虑数据带宽、处理延迟以及数据加密和安全性。

数据采集系统的正常运行通常从器件配置阶段开始。在此阶段，从非易失性存储器中检索参数并用于配置系统。需要进行错误检查和参数范围检查，以确认内存中的参数未损坏。

在数据采集系统的运行时操作期间，需要进行运行状况监视以确认系统是否在预期范围内运行。必须定义警告和错误处理程序，以处理内部参数或环境条件超出其预期范围的情况。例如，如果内部器件温度发生变化（相对于校准温度），系统能否补偿这种变化（例如，在模拟前端或模数转换后的数据处理中）？用户警告或错误消息应在什么温度阈值下发出？如果超过某些环境或内部参数阈值，系统是否应采取预防措施来尝试防止潜在的硬件损坏？

营养在为卫星设计数据采集系统时，工程部门必须实施关键的预防措施。虽然卫星内部的条件与外层空间的恶劣条件不同，但环境仍然被认为是恶劣的，高可靠性设计是关键任务的要求。Nuvation的工程师包括广泛的自诊断功能，以确保系统在设计的运行条件下持续运行。如果出现可能导致硬件损坏的情况，Nuvation的设计人员会让设备采取预防措施来保护系统，例如关闭敏感电子设备，直到恢复安全工作条件。

除了数据采集硬件使用校准数据外，还需要考虑外部数据处理。校准结果会存储在外部数据库中吗？将在校准数据库上进行何种数据分析？这些数据是否可用于预测维护问题，或安排工厂重新校准？

校准数据也可以在保修索赔中发挥重要作用。数据采集系统可能具有精密的传感器和其他组件，需要在定义的环境或电气范围内操作。超出这些范围的操作可能会影响性能或导致硬件损坏。校准和健康监测数据可用于确定设备是否在指定的操作范围之外运行，因此不符合保修索赔的条件。

结论

校准在数据采集系统中发挥着重要作用。要考虑的关键因素包括：

了解驱动校准需求的基础物理场

定义校准程序

设计系统架构以适应校准

探索校准数据的用例场景

将这些考虑因素纳入电子设计项目的早期设计阶段，可确保数据采集系统开发工作的校准部分不会对整个项目进度和预算产生负面影响。Nuvation Engineering在电子设计方面拥有20多年的经验，他们遇到了工程项目的所有常见陷阱，并制定了确保避免这些陷阱的流程。这种学习造就了令人印象深刻的“首次成功”电子设计记录。