基于NIMyDAQ智能仪表

“基于NIMyDAQ智能仪表”项目设计方案组号：030李强5090309568，王海洋5090309560，谢辅强5090309567摘要：本设计采用以MyDAQ为控制核心，给出了电子负载与自动测量系统的设计方案，实现开关电源并联均流系统的智能化自动指标测量。电子负载以MOSFET作为开关器件，通过驱动电路可以实现MyDAQ的数字输出直接控制。MyDAQ的模拟输入端读入电流信号，通过AD采样，显示电流值和波形。同时本设计对系统校准给出了初步方案。关键词：MyDAQ,电子负载，MOSFET功率开关，系统校准1电子负载方案设计1.1负载电阻的选型与阻值确定方案一：采用水泥电阻。水泥电阻具有耐震、耐湿、耐热及良好散热，低价格等特性；并且水泥电阻完全绝缘，适用于印刷电路板，可耐短时间超负载，低杂音，阻值经年无变化。另外水泥电阻寄生电感小。方案二：采用绕线电阻。绕线电阻的特点是阻值精度极高，工作时噪声小、稳定可靠，能承受高温，在环境温度170℃下仍能正常工作。但绕线电阻分布电容和电感系数都比较大，不适用与动态变化的要求。并且相对于水泥电阻价格较贵。考虑到此处电阻做负载的用途，对阻值的要求不是非常高，水泥电阻性价比较高，故选用水泥电阻作为负载电阻。因为并联系统额定功率为10W，故选用20W的水泥电阻作为负载电阻。额定状态下，负载流过电流为2A，同时测试电阻要满足测量轻载和重载的要求，能过测试过流保护的功能，因此我们选用3Ω、10Ω、15Ω作为三路负载。8种组合情况见表1。表1电子负载选择（0：断开开关，1：闭合开关）负载1（3Ω）负载2（10Ω）负载3（15Ω）均流输出的单路电流（A）流过负载的总电流（A）000000010.1670.3340100.2500.5000110.4170.8341000.8331.6661011.0002.0001101.0832.1661111.2502.5001.2开关元件选型与驱动开关元件选型方案一：采用继电器作为开关元件。继电器作为开关元件有着控制相对简单，导通电阻为0，关断完全的优点，但继电器开通和关断时间有几十个ms，在模拟动态变化的负载时很难满足要求。开关元件选型方案二：采用功率开关MOSFET作为开关元件。IRF3205作为开关管，具有快速的转换速率和极低的导通阻抗，开关时间在几个us左右，导通阻抗也在mΩ级别，相比继电器更能满足比系统的要求。考虑到动态变化的负载要求，我们采用MOSFET作为开关器件。但MyDAQ的数字输出为3.3V可能会存在导通不彻底，充放电时间较长的问题，因此需要设计驱动电路驱动开关管。MOSFET驱动方案一：采用专用的MOSFET驱动芯片驱动，如IR2110。这种方案实现容易，外围电路简单，而且开通关断时间更短，但驱动芯片价格相对较贵，使成本增加。MOSFET驱动方案二：利用三极管，设计如下的驱动电路。图1的驱动电路利用MyDAQ自带的15V电源，保证开关管导通彻底，另外三级管的使用也可以关断时间。而且成本比起IR2110要便宜的多。综合考虑，我们使用图1所示的第二种驱动方案。图1MOSFET驱动电路1.3控制信号工作模式静态模式：静态模式主要用于测试DC-DC静态均流指标。静态模式的控制信号由MyDAQ的数字输出给出，其控制由用户操作Labview完成，实现较为容易。三种开关组合对应的情况在图标1中已经给出。动态模式：动态模式是为了模拟实际供电系统中负载的变化情况，并且测试此时的均流情况。出于这样的考虑我们将三路电阻作为实际供电系统负载的简化，将三路电阻等效为三个负载（实际系统中可能有很多个负载），每个负载的开通和关断是不受其他负载的开通关断强狂所影响的，因此8种情况在样本空间中是一种均匀分布。这样我们用LABVIEW生成0-7的伪随机码，分别对应三路开关的七种状态，完成控制信号的动态模式控制。动态模式变化频率可以根据需要自主选择，这样可以测试均流系统完成对应指标的极限频率。Labview生成0-7的伪随机码的策略见图2。图20-7伪随机码生成器2.自动测量系统功能方案设计2.1MyDAQ输入输出信号分配对系统的输入输出分析可知，自动测量系统主要有两路模拟电压输入，用于测量两路DC-DC电源的输出电流；三路数字输出，分别用于控制电子负载的三路开关。对于模拟输入，使用AI0+、AI0-差分输入通道测量主回路的电流信号值；使用AI1+、AI1-差分输入通道测量从回路的电流信号值。因为MyDAQ模拟输入范围可达±10V,因此在进行电流取样时可根据取样电阻的大小利用仪表放大器放大合适的倍数。由于取样电阻较小，因此取样的二端网络等效内阻较小，并且MyDAQ的供电系统与二路电源的供电系统相互隔离。因此连接方式采用如图3所示电路。图3模拟通道的输入连接方式数字通道输出相对容易，我们使用DIO0，DIO1，DIO2分别控制上述负载1，负载2，负载3的开通和关断。另外，由于系统中模拟地和数字地会相互影响，因此在系统设计时我们充分考虑了将模拟电路和数字电路分别设计，最后单点接地的方案，尽量减小数字电路对模拟电路的影响。2.2LABVIEW界面设计方案2.3测量系统校准方案电流校准方案：电流的校准主要依靠四位半的直流电流表。校准思路如下：在假定电流Isensor模拟信号输入与AD数字量输出成线性的前提下得到待校准的显示结果，也就得到了一张表格。表格有四栏，即Isensor电压，AD数字量，待校准显示量，以及四位半电表的读数，这四个量有着一一对应的关系，因为待校准显示量有AD数字量得到，因此校准的过程就是根据四位半电表的读数改变待校准量的值。修改后将表格存放在ROM或者Labview的资源文件中，这样显示结果就可以直接根据所得数字量查表可得，同时也避免了每次开机重复校准的负担。由于电流表的精度为四位半，因此这样所得的电流读数的精度不可能超过四位半。各态实际阻值的测定：方案一：理想情况下DC-DC模块的输出电压为5V,因此可直接根据将所测得的二路电流相加，与电压作除法运算即可得到各态的阻值。缺点显而易见，由于系统差异，输出电压不可能标准5V,因此这样测得的结果误差偏大。方案二：利用MyDAQ的DMM直接测量电阻，这样做貌似简单，但带电情况下不能直接测量电阻，因此适用性不强。方案三：在方案一的基础上设计一个输入窗口，先利用电压表或者MyDAQ的DMM测量输出电压，然后再进行计算。因为MyDAQ只有两路模拟输入且都已被占用，所以必须利用DMM先测得输出电压后才能计算电阻。