使用NI Multisim和NI myRIO完成学生设计项目

更新 Nov 13, 2023

环境

软件

  • Multisim
  • LabVIEW myRIO Toolkit

随着学生完成工程和科学教育,将其知识应用到高级设计项目中至关重要,这些项目代表了将作为工程师工作的复杂系统。在本应用笔记中,我们将讨论NI工具(NI Multisim和myRIO)在为高级设计项目提供全面方法时所起的作用。本文档包括学生设计流程,设计信息链接和myRIO简介。


介绍

NI myRIO是专门为学生设计的嵌入式硬件设备,可用于设计高校中真实,复杂的工程系统。学生使用NI LabVIEW图形化编程语言对NI myRIO上的现场可编程门阵列(FPGA)进行编程,以执行控制,机器人和机电一体化任务。在许多项目中,NI myRIO只是整个系统的一部分,需要模拟电路来发出信号,或者需要算法在其上运行的物理设备。各种附件通过以下端口连接到NI myRIO:

 

在开发这些完整的系统中,NI Multisim发挥了不可或缺的作用,使学生能够设计电路并在物理上对定制接口进行原型设计,从而扩展了I / O功能,从而创建了集成解决方案。

使用Multisim,学生可以在实验室时间之前表征电路行为。然后可以将该设计转换为NI Ultiboard,以快速开发第一个印刷电路板(PCB)微型系统。

本教程通过实例说明了使用NI myRIO和Multisim为学生提供工程难题的完整解决方案的功能。

要了解有关NI myRIO的更多信息,请单击此处

要了解有关Multisim的更多信息,请单击此处

 


为什么使用NI Multisim为NI myRIO设计?

Multisim包含的关键功能使学生可以更轻松地为NI myRIO设计。在高级设计过程中,学生们第一次遇到PCB开发,因此要成功定义电路行为,放置连接器,定义布局以及制作物理PCB原型所需的各种文件,存在重大障碍。

为了帮助学生完成此过程,Multisim包括2个关键功能以加快原型开发时间。

1. Multisim库和社区包含特殊的符号,代表与NI myRIO的配对连接器

2.专门定义的模板,其中包含各种焊盘图案,连接器布局和电路板轮廓,可帮助学生快速将其电路放入设计中。

在Multisim中查找NI myRIO连接器

在Multisim中,学生可以放下NI myRIO连接器,以说明如何将电路连接到NI myRIO。查找并放置连接器:

  1. 从菜单栏中选择放置»组件。这将打开组件浏览器。

  2. 选择以下参数,如图3所示。

数据库:主数据库
:NI_Components
家庭:myRIO
组件:myRIO_MXP

 

这样可以访问NI myRIO连接器。

图3 – NI myRIO组件数据库

 

  1. 选择NI myRIO_MXP后,单击确定

  1. NI myRIO连接器是一个多部分组件,允许学生将IO部分放置在他们将使用的原理图中。选择计划使用的部分:

AI –模拟输入通道
AO –模拟输出通道
DIO –数字输入和输出通道
UART –串行通信通道
电源–电源通道

备注– NI myRIO具有两个MXP连接器,因此最多可将多个多部分组件中的两个放置在原理图上,以与单个NI myRIO一起使用。

图4显示了部分选择器窗格以及放置在原理图上的部分。

图4 – NI myRIO MXP连接器的多部分组件

 

NI myRIO还具有一个微型系统端口(MSP),该端口与NI myDAQ上使用的端口相同,因此学生可以使用NI myDAQ连接器访问该IO。

数据库:主数据库
:NI_Components
家庭:myDAQ
组件:NI-myDAQ

NI myDAQ连接器组件如图5所示。

图5-选择和放置myDAQ连接器以使用NI myRIO上的微型系统(MSP)端口

 

查找要为NI myRIO设计的模板

NI myRIO模板允许提供包含可用输入和输出的全面Multisim示意图,以及带有连接器和轮廓的Ultiboard布局。

Multisim随NI myRIO单MXP和双MXP模板一起安装。使用它们的过程概述如下:

  1. 在Multisim中,选择:文件»新建…

  2. 这将打开New Design窗口,如图6所示。在该对话框中,选择已安装的模板,然后我们可以选择NI myRIO Dual MXPNI myRIO Single MXP 。我们还将获得模板设计的描述和预览。

图6 – Multisim新设计窗口

 

  1. 单击创建,Multisim将同时打开原理图和Ultiboard布局,这将构成我们设计的模板。在这里,您可以在Multisim中放置将要使用的组件,而在Ultiboard中,可以围绕内置连接器和轮廓创建这些组件的布局。图7显示了Multisim NI myRIO Single MXP模板的示意图和布局图。

图7-单个MXP子板的Multisim模板,包括带有可用IO的Multisim示意图和带有连接器和板轮廓的Ultiboard布局。

 

仅板载NI myRIO的模板随Multisim一起安装。如果使用随附的NI myRIO,则可在NI Labs上找到该模板,其详细信息可在此处找到。

下面附有两个模板,可以在此链接找到另一个模板。

 

如何帮助学生完成高级设计项目

通过Multisim学习理论

使用Multisim原理图捕获和仿真,学生可以全面了解模拟,数字和功率理论。该理论将成为项目设计的基础,因此对核心知识的理解至关重要。借助旨在与实验室中的虚拟仪器匹配的虚拟仪器以及内置的SPICE分析模型,学生可以全面了解其电路行为。

在这里,我们可以看到一个学生在学习为麦克风创建带通滤波器的理论的例子。 Multisim提供与外部硬件的连接以及电路响应的可视化。学生可以在实验室中对设计进行物理原型设计之前,使用它来选择最合适的组件。

 

图8 –模拟了麦克风的带通滤波器,该麦克风连接到外部硬件并使用虚拟仪器测量响应。

 

以下资源提供了一些示例,说明学生如何在模拟入门课程,数字逻辑和功率课程等课程中使用NI Multisim学习理论。

 

请访问ni.com/multisim/courseware获取可用课件的完整列表。

 

在实验室中应用理论

在此中学阶段,学生将获取其原理图并将其转换为面包板上的物理设计,以将其连接至NI myRIO。使用电路的面包板版本以及NI myRIO,学生可通过其NI可视化原型的性能myRIO算法,并查看电路(在这种情况下为带通滤波器)如何作为整体设计的一部分进行交互。

建议的步骤包括:

a。)在Multisim中使用可在实验室购买或使用的物理设备设计原理图。在模拟时,学生经常会使用虚拟版本的设备。在此阶段,学生必须能够使用可订购的设备来转换这些部件(例如运算放大器)。

b)在面包板上构建电路并进行布线,如下图所示。根据所需的I / O,可以通过NI myRIO扩展端口(MXP)连接器或miniSystem端口(MSP)连接NI myRIO连接器。

c) NI myRIO扩展端口(MXP)原型板附件提供了一个现有的面包板附件,该附件可连接到34针MXP端口,如图10所示,以连接并可视化设计的性能。

图9 –面包板设计的示意图,以及连接到NI myRIO扩展端口(MXP)的物理面包板。

 

图10 – NI myRIO扩展板附件可轻松对电路进行原型制作。

 

使用NI LabVIEW的学生将对定制软件进行编程,以获取数据并分析其电路的响应。有关如何使用LabVIEW编程NI myRIO的更多详细信息,请参见此处

 

对于刚接触面包板的学生来说,这项任务可能令人生畏。以下资源为学生提供了有关如何使用Multisim和NI工具学习面包板的指南:

 

 

从面包板到高级设计

对于学生来说,自然的进步是完成完整的印刷电路板(PCB)。学生将完成原理图,并已使用试验板来确认模拟设计的性能。了解如何完成PCB设计并不容易,因此有许多可供学生使用的资源,包括:

有了这些资源,学生就可以为将要安装到NI myRIO的定制PCB Mini系统进行高级设计奠定基础。

 

此时,Multisim和Ultiboard中用户可定义的模板可以提供宝贵的时间节省和设计支持功能。模板很重要,因为它们:

让学生无需设计连接器或外形就可以专注于自己的设计。

  • 为学生提供同步的原理图和布局方法,以为NI myRIO设计微型系统。

  • 原理图上的NI myRIO连接器使学生可以充分利用NI myRIO上可用的IO。

  • 在Ultiboard设计中,模板为学生提供了电路板的轮廓和连接器的位置,确保可以建立与NI myRIO的连接。

  • 教育者可以创建自定义模板,为学生提供设计的起点,并确保可以在大学课程的限制范围内实现这一目标。

有关可用模板的更多详细信息,请参见此处

可以在此处找到有关随附的仅限木板的myRIO模板的更多详细信息。

 

为了使用这些模板并设计NI myRIO项目,学生将:

(a)使用上述过程打开一个新的NI myRIO模板。将Multisim原理图和Ultiboard布局都保存到单个文件位置。

(b)在NI myRIO原理图布局上创建原理图。使用NI myRIO原理图组件,您可以为电路创建所有物理网络,然后在Ultiboard中创建布局时将对其进行检查。

图11 –带有NI myRIO连接器的NI myRIO原理图模板

 

(C)将组件放置在原理图上并使用NI myRIO输入和输出建立的连接后,网表可以传输到Ultiboard。为此,请选择:转移»向前注释到Ultiboard ,如图12所示。

图12 –将组件批注转发到Ultiboard。

 

(d)然后将要求您将网表保存到文件,并将其保存在与Ultiboard布局模板相同的目录中。

(e)这会将组件导入到预定义的布局。从这一点上,您可以安排您的组件并创建PCB布线。有关此过程的更多详细信息,请参见此处。图13显示了前向注释和路由后的上述滤波器电路。

图13 –使用Single MXP子板模板的Ultiboard布局

 

Ultiboard为学生提供了获得宝贵的PCB制作经验的机会。直观的环境和自动放置功能简化了创建过程。

 

适用于本科生直至研究项目的可扩展平台

在本教程中,我们看到了一个评估简单模拟基带滤波器并将其内置到Minisystem PCB中的示例。但是,NI myRIO系统与Multisim结合使用,是一个真正可扩展的平台,可通过针对复杂的高级设计项目开发定制解决方案来快速解决简单的工程难题。

在这里,我们可以看到一个涉及评估,设计和生产三相功率逆变器微型系统的示例。这演示了电力电子学的复杂高级设计或硕士学位项目,并展示了使用Multisim和NI myRIO的灵活性。

图14 –在Multisim中评估了三相功率倒相,并在Ultiboard中创建了布局。