数据采集系统设计中的常见盲点

大多数数据采集系统都需要校准，有时甚至在产品的生命周期内需要多次校准。

数据采集系统校准

大多数数据采集系统都需要校准，有时甚至在产品的生命周期内需要多次校准。精确校准可确保设备始终具有可预测性的行为，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度非常重要。如果没有预先执行此评估并充分努力，则结果可能是必须在项目的后期阶段对其进行追溯设计。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 Engineering，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。

了解底层物理原理

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值（例如光、声音、压力、温度等）转换为电信号，该信号可由模拟前端（AFE）电路调节，然后由模数转换器（ADC）采样。重要的是要对这些系统的基本物理原理有一个大致的了解，以便确定可能影响传感器测量精度、准确度和可重复性的环境或电气条件。虽然很少需要对适用的物理领域有详细的了解，但高水平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 Engineering必须了解生命科学应用中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？

校准是只在工厂进行，还是在现场进行？

需要多久进行一次校准？

校准是否需要用户协助，还是可以在内部执行（即无需用户交互）？

在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并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，并且需要在生产设施中执行。例如，Nuvation Engineering为零售分析应用程序设计了一个立体摄像头。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校准。

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，获得测量值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设备配置阶段开始。在此阶段，从非易失性存储器中检索参数并用于配置系统。需要错误检查和参数范围检查来确认内存中的参数未损坏。

在数据采集系统的运行时运行期间，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）？应在什么温度阈值下发出用户警告或错误消息？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？

培育在为卫星设计数据采集系统时，工程必须实施关键的预防措施。尽管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我诊断功能，以确保系统在设计的操作条件下持续运行。如果出现可能导致硬件损坏的情况，Nuvation的设计师会让设备启动预防措施来保护系统，例如关闭敏感的电子设备，直到安全操作条件恢复。

除了数据采集硬件的校准数据使用外，还需要考虑外部数据处理。校准结果是否会存储在外部数据库中？将对校准数据库执行什么样的数据分析？这些数据是否可以用于预测维护问题或安排工厂重新校准？

校准数据在保修索赔中也可以发挥重要作用。数据采集系统可以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运行。超出这些范围的操作可能会影响性能或损坏硬件。校准和运行状况监控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起着重要作用。需要考虑的关键因素包括：

了解推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

在电子设计项目的早期设计阶段考虑这些因素，可确保数据采集系统开发工作的校准部分不会对整体项目进度和预算产生负面影响。凭借20多年的电子设计经验，Nuvation Engineering遇到了工程项目的所有常见陷阱，并开发了流程

审核编辑：郭婷