基于NI myDAQ设计和实现传感器原型验证解决方案

为了开发基于传感器的测试和测量系统，学生需要一个具有良好兼容性、开放性以及无限传感器可扩展性的传感器原型设计平台。由于传感器在课程设计、电子设计竞赛、课外测试测量实验中应用广泛，因此传感器原型设计系统应高效易用，帮助学生节省时间。

NI myDAQ传感器原型卡（以下简称mySensor）可满足上述所有需求，是专门为NI myDAQ设计的一款NI miniSystem。它基于NI的虚拟仪器技术，同时也支持用于传感器器原型测试测量电路的SPICE电路仿真技术。

NI myDAQ传感器原型卡设计

mySensor遵循常规的传感器测试测量流程，如图1所示。

在测量物理信号（声音、光照、磁场或温度）时，大多数电子传感器输出信号都很弱，需要通过信号调理模块进行放大、滤波和整形。模块将信号调理到适合数据采集设备输入通道的最佳范围后，使用NI myDAQ采集信号，然后使用LabVIEW读取和处理数据。

此外，由于NI myDAQ的使用场合是在实验室之外，因此mySensor板卡的尺寸不能太大。印刷电路板(PCB)的最大尺寸为5950 mm x 3075 mm。在mySensor设计过程中，我们将各传感器模块和调理模块进行优化，以便进行复用。各独立模块的尺寸为1425 mm × 1025 mm。模块支持通过叠插的方式扩展和更换。

由于内含需要供电的调理模块，mySensor增加了一组由USB +5V至DC-DC转换而来的+15 V/-15 V电源，可轻松地通过USB供电。

mySensor原理图和PCB设计

我们利用Multisim 11.0和Ultiboard 11.0的无缝集成来完成mySensor从原理图到印刷电路板的全流程衔接。在Multisim 11.0中设计的mySensor原理图可细分为如图3所示的7个步骤；在Ultiboard 11.0中设计的mySensor PCB可详细展开为如图4所示的7个步骤。

图5所示为在Multisim中搭建的差分放大器模块原理图，其中加载了函数信号发生器和双通道示波器。利用Multisim交互式仿真特性，在运行电路仿真的同时，我们可实时调整增益电位器滑块，交互式地观察输出信号、失真情况和电路放大系数。另外，我们可以加载波特测试系统来测试放大器模块的幅频特性。利用NI ELVISmx的仿真数据和实际数据，可以对比仿真原理图和真实电路原理图的电路运行差别，以改善电路设计，获得理想电路设计参数。

如图6所示，我们使用Ultiboard设计了mySensor PCB布局。首先我们确定了合适的板卡尺寸。然后确保板卡模块的布局应方便传感器连接。我们将六个独立的可插叠模块放在板卡右侧，以便于扩展，左侧是NI myDAQ的连接器，USB电源接口则置于上侧。利用Ultiboard的3D场景功能，我们可以真实再现mySensor安装元件后的效果，如图7所示。

在Multisim原理图设计和Ultiboard PCB设计完成后，将生成的Gerber文件交付给PCB制造商加工生产即完成印刷电路板的设计。

mySensor实验程序

mySensor的所有传感器测试测量应用都可以使用NI ELVISmx软面板仪器，包括DMM(数字万用表)、Scope(示波器)、FGEN(函数发生器)、Bode(波特仪)、DSA(动态信号分析仪)、ARB(任意波形发生器)、DigIn(数字输入)和DigOut(数字输出)，如图8所示。

除了使用NI ELVISmx软面板仪器外，我们还可以使用LabVIEW对其进行编程，并为每个传感器执行专门的测试程序，如图9所示。

风险最小化，结果最大化

经过为期3天的设计，7天工厂的生产、组装和调试，mySensor的测试数据符合预期的设计要求。由此，我们确信NI提供的原理图和PCB设计方案有助于降低开发风险。

结合NI myDAQ和LabVIEW，我们快速实现了基于NI myDAQ的mySensor测试测量项目的原型开发，从而大大优化了院校和教育领域中传感器测试测量电路原型验证解决方案。

作者信息：

Gan Tang
华东交通大学
中国
gan_tang@ecjtu.edu.cn