基于​NI myDAQ​的​传感器​实验​原型​卡​设计​与​实现

"myDAQ​传感器​实验​原型​卡​(以下​简称​mySensor)​即是​满足​以上​需求​的,​是​专门​为​NI myDAQ​设计​的​mini system。​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。" ​

- Gan Tang, East China Jiaotong University

挑战:

针对​传感器​在​课程​设计、​电子​竞赛、​课外​实验​中的​大量​应用,​在​便​携​式​DAQ​硬件​上,​开发​一套​具备​无限​传感器​扩展​支持​能力​的​传感器​原型​实验​板​卡,​具备​原型​原理​图​虚拟​与​现实​对比​设计​的​能力,​为​院校/​教育​领域​提供​传感器​测试​测量​电路​原型​支持。 ​

解决​方案:

采用​NI Multisim​电路​原理​图​仿真​设计​软件​和​NI Ultiboard​印刷​电路​板​设计​软件​实现​传感器​原型​板​卡​的​原理​图​和​PCB​设计,​并​借助​myDAQ​的​软​面板​仪器​以及​LabVIEW​综合​编写​测试​测量​原型​程序。 ​

随着​传感器​测试​测量​项目​及其​相关​应用​在​课程​设计、​毕业​论文、​电子​竞赛​中​大量​的​体现,​对​完成​题目​的​周期、​效率​有着​严格​的​限定,​且​要求​项目​作品​日益​小型化。myDAQ传感器​实验​原型​卡​(以下​简称​mySensor)​即是​满足​以上​需求​的,​是​专门​为​NI myDAQ设计​的​mini system。​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。

 

myDAQ传感器​原型​实验​卡​设计​思路

mySensor​是​基于​NI myDAQ虚拟​仪器​平台​的​mini system。​依据​通用​的​传感器​测试​测量​流程​进行,​如​图​1​所​示。

 

 

众所周知,​大​多数​的​传感器​在​感受​物理​信号​(声音、​光照、​磁场、​温度​等)​后​输出​的​电信​号​是​非常​微弱​的,​此类​信号​需​经过​信号​调理​模​块​放大、​滤波​或​整形​等​调理​步骤。​调理​至​适合​采集​卡通​道​最佳​的​电压​范围,​再送至myDAQ采集,​最后由LabVIEW编写​程序​读​取​相应​的​数据​并​进行​数据​处理。

 


​根据​以上​设计​思路,​并且​为了​适应myDAQ的​使用​场合​的​需求。​(即;​学生​课外、​除​实验​室​以外​的​开展​创新​应用​的​任何​场地)​由此​确定​mySensor​板​卡​的​尺寸​不能​过​大,​规定​PCB​最大​尺寸​为​5950mil×3075mil。​在​mySensor​设计​过程​中,​将​各​传感器​模​块、​调理​模​块​尽量​做到​优​化​配置,​模​块​确定​的​基本​原则​是​多​重复​用​原则。​各​独立​模​块​的​尺寸​规定​为​1425mil×1025mil,​模​块​支持​通过​叠​插​的​方式​扩展、​更换。

 

由于​mySensor​包含​需​供电​的​调理​模​块,​mySensor​增加​了一​组​由​USB +5V​至​DC-​DC​转换​而来​的​调理​模​块​所需​的​+15v、-15v​电源,​无​需​使用​大型​的​稳​压​电源​为​其​供电,​便于​从​PC​机​的​USB​处​取​电​进行​实验。

 

mySensor​原理​图​和​PCB​设计

mySensor​的​原理​图​设计​是​采用​NI Multisim 11.0​实现​的,​利用​该​工具​与​NI Ultiboard 11.0​无缝​整合,​完成​从​原理​图​到​印刷​电路​板​的​全​流程​衔接。​在​Multisim 11​中​设计​mySensor​的​原理​图,​可​详细​分为​如​图​3​所​示​的​7​个​步骤,​在​Ultiboard 11​中​设计​mySensor​印刷​电路​板,​可​详细​展开​为​如​图​4​所​示​的​7​个​步骤。

 

 

 

如​图​5​所​示​为​差分​放大器​模​块​在​Multisim​中​搭建​的​原理​图,​加​载​了​函数​信号​发生​器、​双​通道​示波器。​利用​Multisim​交互​式​仿真​的​特性,​运行​电路​仿真​并​实​时​调整​增益​电位​器​滑​竿,​交互​式​的​观察​电路​的​输出​信号、​失真​情况、​放大​倍数​范围。​此外,​还​可加​载​波特​仪,​测试​该​放大器​模​块​的​幅​频​特性。​利用ELVISmx仪器​中的​simulate data​和​real data​可以​对比​仿真​原理​图​和​真实​电路​原理​图​的​电路​运行​差别,​用于​改善​电路​设计,​获得​最佳​电路​设计​参数。

 

如​图​6​所​示,​在​Ultiboard​中​设计​mySensor​的​PCB​布局。​首先​需​满足​板​卡​尺寸​要求,​其次​需​满足​模​块​布局​的​合理​性,​传感器​驳​接​方便。​我们​将​6​个​可​叠​插​的​独立​模​块​放置​在​板​卡​右侧,​便于​扩展;​板​卡​左侧​为与myDAQ插接​的​连接​器;​上​侧​为​USB​接口,​用于​取​电。​利用​Ultiboard​的​3D​场景​功能,​可以​真实​再现​mySensor​安装​元件​后​的​效果,​如​图​7​所​示。

经过​Multisim​原理​图​设计​和​Ultiboard PCB​设计​阶段​后,​根据​生成​的​Gerber​交付​PCB​工厂​加工​生产​即可​完成​mySensor​的​印刷​电路​板​设计。

 

 

 

mySensor​配套​实验​程序

mySensor​的​所有​传感器​测试​测量​应用​都可以​使用myDAQ提供的ELVISmx软​面板​仪器,DMM(数字​万​用​表)、​Scope(示波器)、FGEN(函数​信号​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​读​取)、​DigOut(数字​输出),​如​图​8​所​示。

 

除了​使用ELVISmx软​面板​的​仪器​外,​还​可以​利用LabVIEW对​其​编​程,​对​每​个​传感器​测试​测量​应用​做​专门​的​测试​程序,​如​图​9​所​示。


 

结论

经过​为期​3​天​的​设计,​7​天​工厂​的​生产​周期​后​进行​装配​调​试,​mySensor​的​测试​数据​符合​预期​设计​要求。​由此,​我们​完全​相信​使用​NI​提供​的​原理​图​与​PCB​设计​解决​方案,​能够​实现​从​原理​图​到​印刷​电路​板​的​设计,​并​能​最大​程度​的​降低​开发​风险。

 

配合​NI myDAQ和​NI LabVIEW​可以​快速​的​实现​基于myDAQ的​mini System​——​mySensor​测试​测量​项目​的​原型​开发,​从而​最大​程度​的​加强​院校/​教育​领域中 传感器​测试​测量​电路​原型​支持。

 

作者​信息:

Gan Tang
East China Jiaotong University
​China
gan_tang@ecjtu.edu.cn

图​1 ​ ​mySensor​工作​流程 ​
图​2 ​ ​mySensor​尺寸​与​独立​模​块​布局 ​
图​3 ​ ​使用​Multisim​设计​mySensor​原理​图​的​工作​流程 ​
图​4 ​ ​使用​Ultiboard​设计​mySensor PCB​的​工作​流程 ​
图​5 ​ 差分​放大器​模​块​原理​图 ​
图​6 ​ Ultiboard​设计​mySensor​的​布局​与​PCB​实物 ​
图​7 ​ ​Ultiboard 3D​再现​mySensor​与​实物​对比 ​
图​8 ​ ​myDAQ​的​8​种​软​面板​仪器 ​
图​9. ​ 程序​主​界面、​热​式​红外​线​传感器、​PT100、​语音​采集​DEMO​程序 ​