近年来,电子行业的发展速度惊人,日新月异的技术测量领域也迎来了新的挑战。测量领域对于高速、高精度、更长时间记录结果有了越来越高的要求。

除此之外,软硬结合是近几年发展的关键词,强大的硬件功能离不开一体化的软件平台。可以说,示波记录仪是硬件的“听诊器”,而软件则是人机交互的一扇“窗户”。

在这样的背景之下,Yokogawa(横河计测株式会社,下文简称“横河”)在2021年3月24日正式发布了高精度数据采集系统DL950示波记录仪和IS8000集成测量软件平台。

创新基因植根横河

所谓示波记录仪就是数据记录仪和示波器的结合,前者以长期、高精度、多通道和多信号种类为特点,后者则以高速采样和丰富的触发为特长。横河所开发的示波记录仪则结合了二者最有价值的专长,以创新型产品称霸这方面市场。

根据介绍,横河早在1984年就开始尝试结合示波器和记录仪的优点,开发全新的高速记录设备。为了追寻更好的机械设备动态记录,横河不断提高采样速度、频率、带宽、分辨率、通道密度、物理测量面积、存储深度,以实现更精准的测量,发布了一个又一个颠覆市场的创新型产品。

1969年,型号为2915的电磁示波仪是横河的多通道经典产品;1984年,横河推出型号为3655的分析记录仪,这是横河首款记录仪产品,并且是一款内存记录的记录仪。彼时两款产品分别作为示波器和记录仪经典产品还没有合并到一起,但“创新基因”已深深植根在横河之中。

2002年,DL750示波记录仪正式面世,兼具示波器和记录仪优点的一体化产品成功被应用在各个行业,同时也标志着模块化结构产品的开端;2010年,DL850和DL850V示波记录仪发布,这是横河的第三代记录仪产品,主打实时分析并成为了十年经久不衰的产品;2013年,DL850E和DL850EV示波记录仪发布,升级了串行总线监测功能。

时间回归2021年,第四代的记录仪DL950示波记录仪正式发布,这款产品凝聚了横河五十多年在高速数采仪器领域的沉淀,以PC数据流为首要创新的一代跨时代产品。

硬核参数功能构筑新产品

DL950示波记录仪即为2010年所发布的DL850和DL850V示波记录仪系列的升级产品,这款产品将采样率升级到了200MS/s并可通过10Gbps以太网高速数据传输至PC,全新搭载12．1英寸大尺寸触摸屏,操控上既可以使用触控也可使用机械按键。

一并被发布的还有两个全新的输入模块,分别是720212和720256,前者能够以200MS/s的采样速度读取数据,后者能够以10MS/s的采样速度从四个输入通道读取数据。

存储上,支持8G点大内存和20秒连续捕获,即使是以200MS/s的速度,也不会错过任何信号变化;也支持512GB内部SSD记录,可以高达2MS/s的速度进行长时间记录,还可以记录双捕获波形,对于车内耐久性测试和罕见自发事件的捕获非常有效。

模块上,支持隔离插拔模块、多单元同步,每台DL950拥有8个插槽。与此同时,DL950可同时连接5台进行同步测量,假设每台DL950均插满720256模块(4输入通道),则可最多拥有高达160CH的多单元同步进行(4CH x 8插槽 x 5台)。从而可同时使用5台160CH测量重量、压力、位移、振动、扭矩和其他参数,以便分析数据之间的相关性。不过,目前来说,DL950仅支持同型号的同步测量。

功能上,拥有车内串行总线分析(CAN、CAN FD、LIN、SENT),可显示电压、温度等各类参数的数据信息波形。除此之外,还搭载实时数学运算、触发时动作和GO/NO-GO判断、高抗噪性、历史异常波形回放功能等。

值得一提的是,“闪存采集”也即将发售,DL950可在任何不能携带PC的场所捕获数据,提供高达20MS/s的速度长时间记录到内部闪存。闪存为非易失性,因此即使在关闭电源后,捕获的数据也会保留在仪器中,测试结束后可将数据传输到PC上。据现场介绍,“闪存采集”是一种全新灵活的方式,高速数据流无需电脑,适用于车载、现场测量。

集成化的软件平台

强大的硬件离不开软件生态环境,许多企业也从纯硬件逐渐“偏软”,这是因为数据自身的“魔力”远超想象。DL950则也是在这一世代,迎来重大的功能升级,即IS8000软件平台。

发布会现场,横河在介绍IS8000软件平台时坦言,实际上工程师在开发过程中需要花费大量时间进行测量、存储、分析,这是因为开发流程中不仅存在大量不同UI的不同软件,还需要利用不同软件、不同数据格式去控制不同仪器。

基于此,开发了IS8000这一软件平台,这是一套能加速工程流程的集成解决方案。IS8000整合了客户的测量流程,整合了时间序列各种物理数据,整合了各类测量数据。值得一提的是,IS8000并不是一款专用软件,而是通过平台上添加可选软件来满足客户各种需求的平台。

结合本次发布的DL950和IS8000上的10GbE选件,最多可以以10M点/秒的采样率在PC上实时存储多达8个通道的数据。对于高速、多通道输入(如门信号和多相变频器的开关波形),现在可以实现更长的记录时间。

IS8000支持DL950示波分析仪和WT5000高精度功率分析仪的在线数据采集,旗下产品的远程控制和设置、采集数据下载、数据文件导入,以及高速摄像头和RAM监视器等统一。

需要注意的是,DL950的高速数据实时传输PC是其主打亮点之一,而通过IS8000一体化软件平台的支持下,所有相关数据都被以统一格式保存在同一平台之下,数据的作用能够被充分释放。

DL950要解决的技术课题

市场的需求无疑是驱动研发的重要力量。据横河介绍,市场对示波记录仪的需求升级主要在测量能力和生产力两方面。

1、测量能力:主要包括带宽和通道。电子控制技术不断进步进程下,需要更加快速的开关功率器件,也需要更复杂的电机与执行器控制,诸如近两年的SiC功率器件和大规模FPGA的部署。采样快速变化的波形需要快速采样,实现这项要求必须有更高的带宽。

另一方面,电气化目前的进展之下需要多点测量,具体表现在电动汽车中的电机和逆变器的数量不断增加,备用系统的后备系统的冗余设计和综合评价需求明显。由此引发测量多个信号的需求,利用更多通道进行综合测试和评价。

2、生产力:高速数据实时传输PC、同步测量和易用性是增强生产力的必备功能,也是主流厂商逐渐布局的领域。

越来越完善的软件系统,推动行业将测量数据保存在电脑上,供进一步分析或存储。由于更高的通道数、采样率和分辨率推动了数据量的增加,强烈要求缩短PC数据传输时间。当然,为了实现精确的分析,需要其他工具之间的时间同步。

不过,随着功能越来越来丰富,也带来设计菜单复杂的缺点,触摸屏是实现直观操作的一种方式,但它的弱点是在电机、变频器测量等恶劣条件下不一定稳定。

那么,DL950又是如何从技术方面,解决上述所说的挑战?根据横河介绍,主要集中在以下四点:

1、模拟前端性能提升,可更好地观察信号:实际上,信号质量并不单单由A/D转换器的性能决定,将信号引导到A/D转换器的模拟电路必不可少,但空间非常有限。

DL950优秀的模拟技术是克服这一技术难题的关键,表现在参数上则是更高的带宽和卓越的共模噪声抑制。2通道40MHz带宽比以往带宽提高2倍、4通道3MHz带宽比以往提高10倍,而新模块的模拟前端电路设计实现了最佳的共模噪声抑制性能。

2、弹性化的同步功能:在同步功能上,横河分别可在用于同步的数字PLL和IEEE 1588精准时间协议实现±(30ns+1 sample)和±150ns的精度。

时钟同步是实现多单元同步测量的关键,横河的数字技术则可实现5个单元之间的PLL功能,除此之外,光纤的连接方式,实现了使用方便和良好的抗噪声性能。

“IEEE精确时间协议”则主要用于计算机网络,横河将此技术运用到测量仪器之中,通过以太网实现了不同工具之间的精确同步操作。

3、提高生产率的性能(数据优化和快速数据流):据介绍,通道之间的传输速度不同,模拟电压和逻辑电压属于快信号,电流、应变、加速度为中信号,温度则为慢信号。因此,DL950则实现了每个输入通道的单独采样率设计,即使在同时测量高速信号和许多慢信号时,数据大小也可以优化。

另一方面,为了避免CPU瓶颈,DL950中实现了数据流的特殊路径,通过10G以太网实现“高速公路”,初步计划数据流速度被限制在160MB/s,但它还有更高的潜力。

4、可用性强,稳定可靠:交互操作是示波分析仪的重要性能之一,DL950则采用了“触屏操作”与“常规机械按键操作”的组合。据介绍,由于触屏操作在很多情况下会变得不稳定,用按键/旋钮操作比触屏更直观和精确。因此,经过横河的慎重考虑,决定即使在触摸屏关闭的情况下,按键和旋钮也能保持稳定运行。

散热性能则是示波分析仪稳定工作的重要基础之一,但恰好相反的是提高性能依赖于高级的处理器,但它们的高能耗会产生大量热量。DL950的冷却系统为稳定可靠的测量性能提供了理想的环境,通过精确的模拟和样机的实际测试,控制了各种情况下的气流。

总结

“无需模仿,更不跟风”是横河在新品发布的邀请函上所注,实际上,原创设计出示波记录仪的这家公司正是以创新产品独立于市场。

通过在硬件上的硬核升级和一体化软件平台的支持下,使得汽车和工业领域、电力/能源行业、产品研发领域能够快速评估所有电器和机械测试。而丰富的插拔模块、探头和附件,则可为测试带来更多的选择。

来源:21ic