CN105469678A - 基于NI myDAQ的综合实验平台及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于NI？myDAQ的综合实验平台及其构建方法，其特征在于该实验平台包括开发板、NI？myDAQ和计算机，计算机内安装有MATLAB、Labview和NI？ELVISmx虚拟仪器软件，所述开发板和NI？my？DAQ均通过USB数据线与计算机进行连接，通过相应的接线将开发板与？NI？myDAQ进行连接；所述开发板采用上下两层板结构设计，上层板包括微控制器、USB通讯接口、通用扩展接口和电源转换电路及接口，下层板为面包扩展板；所述面包扩展板为由四块独立的面包板组成，四块面包板环形拼接在面包扩展板上，拼接后的四块面包板的中心形成正方形；每个面包板在上层板上对应设置一个通用扩展接口，通过通用扩展接口向下引出的插针插入相应的面包板中；所述微控制器的各个引脚与通用扩展接口相连。
Description
技术领域
本发明涉及教学实验平台技术领域，具体涉及一种基于NImyDAQ的综合实验平台及其构建方法。
背景技术
测控仪器与技术学科在电子电路、传感器、微控制器、虚拟仪器和仿真软件这五方面对学生的综合实践能力提出了更高的要求，然而现有的测控仪器学科实验平台没能将这五方面的要求通过一个实验平台来实现。
现有的测控仪器与技术学科综合实验平台，是由多个单独的实验平台组成，对应分别完成电子电路、传感器、微控制器、虚拟仪器和仿真软件各部分实验的设计方法，由于这五个实验平台均是独立的，难以有机的结合起来，有些实验平台虽在一定程度上可以将其中的一两部分实验结合起来，虽然对于前期专业课程的学习有一定帮助，但是不利于学生对各学科知识和实践能力的融会贯通。如专利号为ZL201520361876.9的中国专利公开了一种单片机测控实训平台，其涉及多种传感器与控制器实验，其不足之处在于该实训平台不能与虚拟仪器结合，不能提升学生在虚拟仪器学科的实践能力，另外，该平台未能将所有芯片的引脚引出，限制了学生自己动手设计电路的能力，同时未涉及bode分析仪、示波器、任意波形发生器等电路测试和分析工具，对提高学生电子电路实践能力方面存在不足，不能满足测控仪器与技术学科综合实验平台的需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于NImyDAQ的综合实验平台及其构建方法。该实验平台是一种能将电子电路、传感器、微控制器、虚拟仪器和仿真软件这五方面的内容有机地结合在一起的测控仪器与技术学科综合实验平台，不仅可以用于前期单项实验教学，而且可以更方便学生进行这五方面的综合实验，在学生后期的课程设计或者毕业设计中发挥显著作用，能够较全面地提升学生的综合实践能力，满足当前教学及综合实验研究的需求。
该方法通过将相应的引脚引出形成排针排母，能够有效建立适用于测控仪器与技术等专业的低成本、小体积、灵活度高的综合实验平台，并提高了设计过程中的设计效率，有利于解决各专业课独立设置实验平台以至于影响学生综合能力培养的问题，也解决了传统实验平台构建思路难以形成综合实验平台的问题。
本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是，
一种基于NImyDAQ的综合实验平台，其特征在于该实验平台包括开发板、NImyDAQ和计算机，计算机内安装有MATLAB、Labview和NIELVISmx虚拟仪器软件，所述开发板和NImyDAQ均通过USB数据线与计算机进行连接，通过相应的接线将开发板与NImyDAQ进行连接；
所述开发板采用上下两层板结构设计，上层板包括微控制器、USB通讯接口、通用扩展接口和电源转换电路及接口，下层板为面包扩展板；所述面包扩展板为由四块独立的面包板组成，四块面包板环形拼接在面包扩展板上，拼接后的四块面包板的中心形成正方形；每个面包板在上层板上对应设置一个通用扩展接口，通过通用扩展接口向下引出的插针插入相应的面包板中；所述微控制器的各个引脚与通用扩展接口相连，微控制器的通用异步通讯接口与USB通讯接口连接；电源转换电路及接口与外部电源连接，并为整个开发板供电，通过面包板插接相应的芯片或模块。
一种上述基于NImyDAQ的综合实验平台的构建方法，该方法的具体步骤是：
第一步，构建实验开发板
1)微控制器选择嵌入式控制器，对微控制器进行最小系统设计，经过最小电路设计、下载接口设计和电源设计，形成电路板，然后将晶振与电路板的连接方式设计为通用排母连接；
2)采用分立元件加面包扩展板的扩展方法搭建开发板，该方法搭建的开发板采用上下两层板结构设计，将四块独立的面包板环形拼接在面包扩展板上，形成下层板；在步骤1)中形成的电路板上，按照面包扩展板的尺寸设计向下引出插针，形成上层板；然后对上层板和下层板拼接构建完成开发板；
第二步，构建实验平台
3)将步骤2)构建完成的开发板与NImyDAQ安置在同一实验箱内，并将NImyDAQ的各接口引出为排针排母，以便于与步骤2)中的面包扩展板进行连接；
4)在计算机内预装MATLA软件以及NI软件，NI软件包括labview和ELVISms软件，将NImyDAQ和开发板分别通过USB数据线与计算机连接，NImyDAQ和开发板之间通过相应的接线连接；
5)对步骤4)连接好的实验平台进行调试，并进行相应的电路修改，调试成功后，即构建完成实验平台。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
第一，本发明的实验平台是基于NI公司一种新型仪器设备NImyDAQ而搭建的综合实验平台，基于NImyDAQ的设计方法优点在于，NImyDAQ本身兼容虚拟仪器，而且有丰富的电子电路测试和分析功能如bode分析仪、示波器、任意波形发生器等，这样可以进一步提升学生对虚拟仪器和电子电路的实践能力。
第二，本发明的实验平台的开发板采用上下两层板结构设计，通过将四块独立的面包板，环形拼接在面包扩展板上，形成下层板，再通过相应的插针与上层板连接，将各功能芯片或模块插接在面包板上，显著缩小了实验平台的体积，有效降低成本。
第三，本发明的实验平台构建方法采用将引脚引出形成排母排针的方式进行连接，能够显著缩短测控实验平台的设计时间，并且采用该方法构建的实验平台，大幅缩小了实验平台的体积，并且有效降低成本。
第四，本发明的实验平台的构建方法能够将现有技术中五个独立的实验平台有机结合，使得学生可以在一个实验平台完成多门专业课程的综合实验。
第五，在本发明的实验平台的构建方法方法步骤中，第一步用通用排母连接晶振，使得有在不同场合可以选择不同频率需求的晶振得以方便更换，并提供了上下两层板搭建实验平台的方法，借助这种构建方法提高了实验平台兼容性，使得平台可以与多种电路元件结合，同时有效减小了体积。第二步，将NImyDAQ与开发板结合，从而使得NImyDAQ成为综合实验平台的一部分，取代了传统平台中示波器、电压表、频谱分析器等实验仪器，进而解决了传统独立实验平台体积大，难以有机结合的问题。
附图说明
图1为本发明基于NImyDAQ的综合实验平台一种实施例的整体结构框图；
图2为本发明基于NImyDAQ的综合实验平台一种实施例开发板1的结构示意图；
在图中，1.开发板，2.NImyDAQ(便携式测量和仪器仪表设备)，3.计算机，4.外部电源，11.微控制器，12.USB通讯接口，13.通用扩展接口，14.面包扩展板，15.电源转换电路及接口。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步详细描述本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
本发明基于NImyDAQ的综合实验平台(简称实验平台，参见图1-2)包括开发板1、NImyDAQ2和计算机3，计算机3内安装有MATLAB、Labview和NIELVISmx虚拟仪器软件，所述开发板1和NImyDAQ2均通过USB数据线与计算机3进行连接，在实验时学生通过自行设计的接线将开发板1与NImyDAQ2进行连接，在不进行实验时开发板1与NImyDAQ2无需接线，不同的实验有不同的接线方法，这样可以充分提高学生对实验设备的理解，提高学生实践能力；
所述开发板1采用上下两层板结构设计，上层板包括微控制器11、USB通讯接口12、通用扩展接口13和电源转换电路及接口15，下层板为面包扩展板14；所述面包扩展板14(参见图2)为由四块独立的面包板组成，四块面包板环形拼接在面包扩展板14上，拼接后的四块面包板的中心形成正方形；每个面包板在上层板上对应设置一个通用扩展接口13，通过通用扩展接口13向下引出的插针插入相应的面包板中；所述微控制器11的各个引脚与通用扩展接口13相连，微控制器11的通用异步通讯接口(UART)与USB通讯接口12连接；电源转换电路及接口15与外部电源4连接，并为整个开发板1供电，通过面包板插接相应的芯片或模块。
本发明实验平台的进一步特征在于所述微控制器11为STC或者ATMEL的89C51系列单片机，其中晶振部分不直接在电路上焊接晶振，而是以排母作为晶振底座焊接在PCB电路上，再将晶振插在上面。
所述USB通讯接口12包括UART转USB电路、隔离电路以及USB接口，其中隔离电路位于UART转USB电路与微控制器之间，目的在于防止UART转USB电路为微控制器供电，以实现STC单片机在线系统编程(ISP)功能。
所述电源转换电路及接口15，支持5-24V供电，并能将电源转换为5V为电路元件供电。
本发明基于NImyDAQ的综合实验平台的构建方法(简称方法)，该方法的具体步骤是：
第一步，构建实验开发板
1)微控制器11选择嵌入式控制器，对微控制器11进行最小系统设计，经过最小电路设计、下载接口设计和电源设计，形成电路板，然后将晶振与电路板的连接方式设计为通用排母连接，这样可以便于晶振更换；
2)采用分立元件加面包扩展板的扩展方法搭建开发板，该方法搭建的开发板采用上下两层板结构设计，将四块独立的面包板环形拼接在面包扩展板14上，形成下层板；在步骤1)中形成的电路板上，按照面包扩展板的尺寸设计向下引出插针，形成上层板；然后对上层板和下层板拼接构建完成开发板1；
第二步，构建实验平台
3)将步骤2)构建完成的开发板1与NImyDAQ2安置在同一实验箱内，并将NImyDAQ2的各接口引出为排针排母，以便于与步骤2)中引出的排母排针转接口或者面包扩展板进行连接；
4)在计算机3内预装MATLA软件以及NI软件，NI软件包括labview和ELVISms软件，将NImyDAQ2和开发板1分别通过USB数据线与计算机连接，NImyDAQ2和开发板1之间通过相应的接线连接；
5)对步骤4)连接好的实验平台进行调试，并进行相应的电路修改，调试成功后，即构建完成实验平台。
本发明基于NImyDAQ的综合实验平台还可以通过采用硬件电路板的方法来搭建，其构建步骤与上述采用分立元件加面包扩展板的方法类似，不同之处在于将步骤2)变为：对步骤1)中形成的电路板进行实验电路设计即输入通道、输出通道及扩展设备进行设计，其中输入通道包括传感器、按键、放大器、比较器和转换电路，输出通道包括继电器、驱动器、LED、LCD、电机和舵机；扩展设备包括I/O扩展、总线扩展和锁存器；将设计好输入通道、输出通道及扩展设备的各个芯片或各个模块的引脚引出，将引出的引脚设计成排母排针转接口，然后进行各功能调试，调试成功后，构建完成开发板1。
本发明基于NImyDAQ的综合实验平台的构建方法的构建原则是：(1)传感器选择的原则，尽可能降低使用风险，如尽可能不使用火焰传感器、一氧化碳传感器等，同时也是为了便于实验，保证学生实验安全；(2)功能实现原则，MATLAB可以读出开发板通过USB通讯接口12发送的数据，NImyDAQ与开发板联合测试各功能下输入输出正常。
本发明中的NImyDAQ2是指NI公司一种新型仪器设备，NImyDAQ2包括接口资源和软件资源，其中接口资源有USB接口、模拟输入、模拟输出、数字I/O、电源输出接口及万用表接口，软件资源有示波器、动态信号分析仪、bode分析仪、任意波形发生器及函数发生器，通过使用该设备，可以完成波形分析、电路特性分析、电路参数测量等测量与分析实验，另外该设备还可以作为波形发生器、函数发生器、数字I/O使用。通过引入该设备具有减小实验平台体积，降低造价，同时保证学生综合能力得以提升。
本发明实验平台的使用方法是：学生根据开发板1上的芯片和模块，自行接线，接通电源，微控制器11根据自身型号通过计算机3为微控制器下载程序，进行实验，调试电路。实验内容可以为：结合NImyDAQ进行bode分析等实验，结合matlab进行数据采集实验，结合labview进行人机交互界面设计等等。这样可以充分锻炼学生的学习兴趣，同时有效提高学生综合实践能力。当然，也可根据课程要求，由老师安排具体实验内容。
本发明涉及的最小电路设计、下载接口设计和电源设计、输入通道、输出通道及扩展设备设计、最小系统设计均为本领域的公知技术。
经过学生使用测试，本发明实验平台能够实现预期的效果，即能将电子电路、传感器、微控制器、虚拟仪器和仿真软件这五方面的内容有机地结合在一起，能够满足教学研究需要。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (3)
1.一种基于NImyDAQ的综合实验平台，其特征在于该实验平台包括开发板、NImyDAQ和计算机，计算机内安装有MATLAB、Labview和NIELVISmx虚拟仪器软件，所述开发板和NImyDAQ均通过USB数据线与计算机进行连接，通过相应的接线将开发板与NImyDAQ进行连接；
所述开发板采用上下两层板结构设计，上层板包括微控制器、USB通讯接口、通用扩展接口和电源转换电路及接口，下层板为面包扩展板；所述面包扩展板为由四块独立的面包板组成，四块面包板环形拼接在面包扩展板上，拼接后的四块面包板的中心形成正方形；每个面包板在上层板上对应设置一个通用扩展接口，通过通用扩展接口向下引出的插针插入相应的面包板中；所述微控制器的各个引脚与通用扩展接口相连，微控制器的通用异步通讯接口与USB通讯接口连接；电源转换电路及接口与外部电源连接，并为整个开发板供电，通过面包板插接相应的芯片或模块。
2.根据权利要求1所述的基于NImyDAQ的综合实验平台，其特征在于所述微控制器为STC或者ATMEL的89C51系列单片机。
3.一种权利要求1所述的基于NImyDAQ的综合实验平台的构建方法，该方法的具体步骤是：
第一步，构建实验开发板
1）微控制器选择嵌入式控制器，对微控制器进行最小系统设计，经过最小电路设计、下载接口设计和电源设计，形成电路板，然后将晶振与电路板的连接方式设计为通用排母连接；
2）采用分立元件加面包扩展板的扩展方法搭建开发板，该方法搭建的开发板采用上下两层板结构设计，将四块独立的面包板环形拼接在面包扩展板上，形成下层板；在步骤1）中形成的电路板上，按照面包扩展板的尺寸设计向下引出插针，形成上层板；然后对上层板和下层板拼接构建完成开发板；
第二步，构建实验平台
3）将步骤2）构建完成的开发板与NImyDAQ安置在同一实验箱内，并将NImyDAQ的各接口引出为排针排母，以便于与步骤2）中的面包扩展板进行连接；
4）在计算机内预装MATLA软件以及NI软件，NI软件包括labview和ELVISms软件，将NImyDAQ和开发板分别通过USB数据线与计算机连接，NImyDAQ和开发板之间通过相应的接线连接；
5）对步骤4）连接好的实验平台进行调试，并进行相应的电路修改，调试成功后，即构建完成实验平台。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180327 |