案例研究:以多通道ADC實現工業4.0機器狀態監測

作者 : Teledyne e2v

工廠需要有效的方法和流程,保證設備不會由於關鍵元件的失效或老化引起性能下降或發生故障,以減降低停工的風險。這樣,工廠可以保持產能最大化,產品品質也得到了保證。過去人們通常採用所謂的保養制度定期檢查設備,成本高而且耗時長。

Teledyne e2v的多功能產品EV10AQ190A已被證明是評估視訊影像系統運作狀況之資料擷取卡的關鍵元件。Teledyne e2v亞太區銷售及應用工程師施達科表示:「使用單個ADC產品實現多種配置的能力是無價的。」

工廠需要有效的方法和流程,保證設備不會由於關鍵元件的失效或老化引起性能下降或發生故障,以減降低停工的風險。這樣,工廠可以保持產能最大化,產品品質也得到了保證。過去人們通常採用所謂的保養制度定期檢查設備,成本高而且耗時長。

 

 

如今我們步入了工業4.0/IoT時代,關鍵的運作數據更容易被獲取,也出現了能更有效評估複雜系統健康情況的的方法。機器狀態監測(MCM)的出現為工業生產/製造的公司提供了極大的便利,它可即時提供設備狀態的連續數據流。透過分析數據流而不是採用過時的預測估計方法,使用者能更明智地決定何時何處需進行維護工作。

透過MCM可識別出損耗最嚴重的部分,從而在故障發生之前更換所需的元件。這意味著延長購買的複雜電子系統的壽命,避免計劃外的維修,從而大大減少每天的運作成本,此外也可避免發生由於元件失效導致的員工受傷事故。在下面的例子里,MCM的目的是機器視覺系統生產設備的運作驗證。

座落台北的ZKey科技是一家成功的設計服務公司,專門研發客製化硬體解決方案以滿足不同客戶應用需求。這些解決方案主要基於先進可程化邏輯元件和相關的韌體。2018年中期,一家業界領先的系統整合公司請ZKey開發一個大規模的MCM專案,主要負責所需的資料擷取設備之開發和供貨。

隨著時間推移,機器視覺系統中的影像感測器性能和參數會惡化,影響解析度、對比度和雜訊水準。如果不及時處理,可能會導致產品品質問題(需廢棄整個批次)或嚴重的工作問題,增加停工的成本,甚至危及員工的生命安全。

ZKey負責的專案需採集和編譯與機器視覺系統的影像感測器相關的串列數位介面(SDI)訊號。 透過對比這些數據和預期的參數找出異常值,從而確定系統的健康情況。

類比訊號的採集由ZKey工程部訂製的資料擷取卡處理。這些板卡上的高採樣率資料轉換IC將接收到的資料轉換為數位流,然後進行深入的分析。考量到產品使用的工業環境,資料擷取卡(包括其電子元元件)可能長時間處於震動和極端溫度的環境中,因此必須保證足夠的可靠性。在仔細評估了多個供應商的類比數位轉換器(ADC)產品之後,ZKey決定在其MCM資料擷取卡的核心部分使用Teledyne e2v的EV10AQ190A 5GHz採樣率元件。

2019年春天,Teledyne e2v開始參與這個專案的研發。首先與台灣地區的代理商和客戶進行了初步的交流,然後由技術人員直接溝通。Teledyne e2v從公司建立至今已有70年,累積了工業感測和監控(IS&M)領域的豐富經驗。它導入最尖端的技術(包括元件和子系統層面),在全球無數的IS&M應用中扮演著重要的角色,其產品EV10AQ190A ADC受到了廣泛的歡迎。這個產品為測試設備和儀器高度優化,擁有10位元四通道的高性能和業界領先的訊號完整度,在全速執行時的無雜散動態範圍(SFDR)高68dBc,位元錯誤率(BER)僅有1×10-16。 即使在四通道模式下,其訊號雜訊比(SNR)依然可達到53dB,通道隔離度超過60dB,確保串擾不會降低所擷取的資料品質。

 

Teledyne e2v的EV10AQ190A ADC

EV10AQ190A ADC支援四通道分別運作於1.25Gsps採樣率。利用SPI介面配置和內建的交叉點開關,可交織實現雙通道2.5Gsps採樣率或單通道5Gsps採樣率。ZKey的板子使用這個元件會將接收的資料轉換成數位訊號。每塊板子的ADC都和對應的FPGA連接,以進行初始的資料處理。板子上使用的高端FPGA包含700,000個邏輯單元,10M位元組的嵌入式RAM和豐富的數位訊號處理(DSP)資源。

MCM的運作驗證測試是連續運作的,需保證資料擷取卡可長時間可靠運作。EV10AQ190A擁有業界領先的平均故障間隔時間(MTBF),保證ZKey的產品長期穩定地運作。另外,這款元件的最高工作溫度高達110°C,適合各種嚴苛的工業環境。

 

 

ZKey的工程團隊也考察了其他類比/混合訊號IC供應商的方案,他們認為EV10AQ190A是適合這個設計的最優秀的產品。 其中一個重要的優點是,可透過ADC內部整合的交叉點開關,動態切換使用的通道數。

除了減少板子尺寸和降低材料成本,EV10AQ190A的靈活性(同一種設計可適用多種不同的產品)可為客戶帶來極大的便利。ZKey的工程師使用EV10AQ190開發的產品可滿足不同客戶的不同需求,能使用相同的採集卡系統IC,直接從單通道切換到四通道工作。ZKey首席架構師Kevin Chiang表示:「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,我們可以適應不同的性能需要,無需修改系統本身的基本設計。」

因此,這個項目的開發流程被顯著縮短,邏輯設計也被大大簡化。同時,ZKey的資料擷取設備是面向未來設計的,有充分的餘地適應未來新應用的需求。

「單個ADC支援不同配置的特點對ZKey和其他的客戶來說是無價的,」Teledyne e2v亞太區銷售和應用工程師Marc Stackler表示:「一個子系統可相容多個通道的需求,從而降低硬體複雜度,並使設計可以重用。」

ZKey的系統整合客戶已下了大量的訂單,大約每年2,000片資料擷取卡。另外,他們也發現這種資料擷取卡的衍生產品在其他領域的機會。除了EV10AQ190, Teledyne e2v還看到在工業、電信、飛行電子、航太和國防領域對其新發佈的EV12AQ60x ADC系列需求。這些元件與EV10AQ190功能類似,但擁有12位元解析度和更小的封裝尺寸(由於使用了串列I/O)。它們支援單通道6.4Gsps、雙通道3.2Gsps和四通道1.6Gsps的採樣率。

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