基于​NI myDAQ​设计​和​实现​传感器​原型​验证​解决​方案

“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。”

- Gan Tang,​华东​交通​大学​(East China Jiaotong University)

挑战:

基于​便​携​式​数据​采集​硬件,​开发​一套​具有​无限​传感器​扩展​能力​的​传感器​原型​卡,​可​比较​虚拟​和​实际​的​原理​图​设计,​为​院校​和​教育​应用​的​测量​电路​原型​提供​支持。 ​

解决​方案:

采用​NI Multisim​电路​设计​软件​和​NI Ultiboard PCB​设计​软件,​设计​传感器​原型​卡​的​原理​图​和​PCB,​并​借助​NI myDAQ​硬件​和​LabVIEW​系统​设计​软件​对​测试​软件​进行​编​程。 ​

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

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. ​ ​使用​Ultiboard​设计​的​mySensor​布局​与​PCB​实物 ​
图​7. ​ ​3D​再现​mySensor​与​实物​对比 ​
图​8. ​ ​NI ELVISmx​软​面板​仪器 ​
图​9. ​ ​程序​主​界面、​热​式​红外​线​传感器、​PT100​和​语音​采集​程序 ​