[NI技术]基于NI myDAQ的传感器 实验原型卡设计与实 现.doc

NI技术基于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 UniversityThe Challenge: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。热式红外线传感器The Solution: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。Author (s):Gan Tang - East China Jiaotong University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。图 1 mySensor 工作流程众所周知，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 5950mil3075mil。 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 1425mil1025mil， 模块支持通过叠插的 方式扩展、更换。图 2 mySensor 尺寸与独立模块布局由于 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。1/6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。图5 差分放大器 模块原理图如图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。2/6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。图8 myDAQ的 8种软面板仪器除了使用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。3/64/6图9 程序主界面、 热式红外线传感器、 PT100、语音采 集DEMO程序结论经过为期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 my