计算机控制技术实验报告

实验一过程通道和数据采集处理

为了实现计算机对生产过程或现场对象的控制，需要将对象的各种测量参数按要求转换成数字信号送入计算机；经计算机运算、处理后，再转换成适合于对生产过程进行控制的量。所以在微机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换的连接通道，该通道称为过程通道。它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。

模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模拟输入信号变换成数

字信号送入计算机，主要有多路转化器、采样保持器和A/D 转换器等组成。

模拟量输出通道：它将计算机输出的数字信号转换为连续的电压或电流信号，主要有D/A 转换器和输出保持器组成。

数字量输入通道：控制系统中，以电平高低和开关通断等两位状态表示的

信号称为数字量，这些数据可以作为设备的状态送往计算机。

数字量输出通道：有的执行机构需要开关量控制信号 (如步进电机)，计算机可以通过I/O 接口电路或者继电器的断开和闭合来控制。

输入与输出通道

本实验教程主要介绍以A/D 和D/A 为主的模拟量输入输出通道，A/D 和D/A 的芯片非常多，这里主要介绍人们最常用的ADC0809 和TLC7528。

一、实验目的

1．学习A/D 转换器原理及接口方法，并掌握ADC0809 芯片的使用

2．学习D/A 转换器原理及接口方法，并掌握TLC7528 芯片的使用

二、实验内容

1．编写实验程序，将－5V ~ +5V 的电压作为ADC0809 的模拟量输入，将

转换所得的8 位数字量保存于变量中。

2．编写实验程序，实现D/A 转换产生周期性三角波，并用示波器观察波形。

三、实验设备

PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块

四、实验原理与步骤

1．A/D 转换实验

ADC0809 芯片主要包括多路模拟开关和A/D 转换器两部分，其主要特点为：单电源供电、工作时钟CLOCK 最高可达到1200KHz 、8 位分辨率，8 个单端模拟输入端，TTL 电平兼容等，可以很方便地和微处理器接口。TD-ACC+教学系统中的ADC0809 芯片，其输出八位数据线以及CLOCK 线已连到控制计算机的数据线及系统应用时钟1MCLK (1MHz) 上。其它控制线根据实验要求可另外连接 (A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0～IN7)。根据实验内容的第一项要求，可以设计出如图1.1-1 所示的实验线路图。

单次阶跃模数转换单元控制计算机

图1.1-1

上图中，AD0809 的启动信号“STR”是由控制计算机定时输出方波来实现的。“OUT1”表示386EX 内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常。

图中ADC0809 芯片输入选通地址码A、B、C 为“1”状态，选通输入通道IN7；通过单次阶跃单元的电位器可以给A/D 转换器输入－5V ~ +5V 的模拟电压；系统定时器定时1ms 输出方波信号启动A/D 转换器，并将A/D 转换完后的数据量读入到控制计算机中，最后保存到变量中。参考流程：

主程序

图1.1-2

参考程序：请参照随机软件中的example 目录中ACC1-1-1.ASM 文件

实验步骤与结果：

(1) 打开联机操作软件，参照流程图，在编辑区编写实验程序。检查无误后编译、链接。

(2) 按图1.1-1 接线 (注意：图中画“o”的线需用户自行连接)，连接好后，请仔细检查，无错误后方可开启设备电源。

(3) 装载完程序后，系统默认程序的起点在主程序的开始语句。用户可以自行设置程序起点，可先将光标放在起点处，再通过调试菜单项中设置起点或者直接点击设置起点图标，即可将程序起点设在光标处。

(4) 加入变量监视，具体步骤为：打开“设置”菜单项中的“变量监视”窗口或者直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量“AD0～AD9”加入到变量监视中。

在查看菜单项中的工具栏中选中变量区或者点击变量区图标，系统软件默认选中寄存器区，点击“变量区”可查看或修改要监视的变量。

(5) 在主程序JMP AGAIN 语句处设置断点。具体操作为：先将光标置于要设断点的语句，然后在调试菜单项中选择“设置断点/删除断点(B)”或者直接点击“设置断点/删除断点”图标，即可在本语句设置或删除断点。

(6) 打开虚拟仪器菜单项中的万用表选项或者直接点击万用表图标，选择“电压档”用示波器单元中的“CH1”表笔测量图1.1-1 中的模拟输入电压“Y”端，点击虚拟仪器中的“运行”按钮，调节图1.1-1 中的单次阶跃中的电位器，确定好模拟输入电压值。-5V

(7) 做好以上准备工作后，运行程序(打开“调试”菜单项中的“运行到断点/运行”或者点击“运行到断点/运行”图标)，程序将在断点处停下，查看变量“AD0～AD9”的值，取平均值记录下来，改变输入电压并记录，最后填入表1.1-1 中。表中“( )”中的数字量供参考。

见本实验教程的“第1 部分第4 章联机软件说明”。

2．D/A 转换实验

本实验采用TLC7528 芯片，它是8 位、并行、两路、电压型输出数模转换器。其主要参数如下：转换时间100ns ，满量程误差1/2 LSB ，参考电压－10V ~ +10V ，供电电压+5V~ +15V，输入逻辑电平与TTL 兼容。实验平台中的TLC7528 的八位数据线、写线和通道选择控制线已接至控制计算机的总线上。片选线预留出待实验中连接到相应的I/O 片选上，具体如图1.1-3。

实验步骤及结果：

(1) 参照流程图 1.1-4 编写实验程序，检查无误后编译、链接并装载到控制计算机中。

(2) 运行程序，用示波器观测输出波形。

图1.1-5

以上电路是TLC7528 双极性输出电路，输出范围－5V ~ +5V 。“W101”和“W102”分别为A 路和B 路的调零电位器，实验前先调零，往TLC7528 的A 口和B 口中送入数字量80H，分别调节“W101”和“W102”电位器，用万用表分别测“OUT1 ”和“OUT2 ”的输出电压，应在0mV 左右。参考流程：

主程序

图1.1-4

参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-1-2.ASM 文件。

实际测量的波形图：

模拟量的输出确实随着数字量的增大而增大

信号的采样与保持

一、实验目的

1．熟悉信号的采样和保持过程

2．学习和掌握香农 (采样) 定理

3．学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号

二、实验内容

1．编写程序，实现信号通过A/D 转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到D/A 转换器输出。

2．编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。

三、实验设备

PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块

四、实验原理与步骤

零阶保持

香农 (采样) 定理：若对于一个具有有限频谱 (|W|

实验线路图：本实验中，我们将具体来验证香农定理。可设计如下的实验线路图，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的“7”号中断，用作采样中断。

这里，正弦波单元的“OUT”端输出周期性的正弦波信号，通过模数转换单元的“IN7”端输入,系统用定时器作为基准时钟 (初始化为10ms) ，定时采集“IN7”端的信号，转换结束产生采样中断，在中断服务程序中读入转换完的数字量，送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号。由于数模转换器有输出锁存能力，所以它具有零阶保持器的作用。采样周期T= TK ×10ms，TK 的范围为01~ FFH，通过修改TK 就可以灵活地改变采样周期，后面实验的采样周

期设置也是如此。参考程序流程：基于上面的实验线路，可以设计如下的参考程序流程。

实验参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-2-1.ASM 文件。

* 信号的还原原理

(1) 实验原理

从香农定理可知，对于信号的采集，只要选择恰当的采样周期，就不会失去信号的主要特征。在实际应用中，一般总是取实际采样频率Ws 比2Wmax 大，如：Ws ≥10Wmax 。但是如果采用插值法恢复信号，就可以降低对采样频率的要求，香农定理给出了采样频率的下限，但是用不同的插值方法恢复信号需要的采样频率也不相同。

直线插值法(取Ws>5Wmax)

利用式1.2 -1 在点 (X0,Y0) 和 (X1,Y1) 之间插入点 (X,Y)

Y=Y0+K(X ?X0) 式1.2-1

其中：K = 010

1X X Y Y --

X1―X0 为采样间隔，Y1―Y0 分别为X1 和X0 采样时刻的AD 采样值。 二次曲线插值法(取Ws>3Wmax)：

Y=Y0+(X ?X0)[K1+K2(X ?X1)] 式1.2-2

其中K1 = 0101X X Y Y --，K2 = 1

2)

10

10202(

X X X X Y Y X X Y Y ------ (2) 实验线路图设计

为了验证上面的原理，可以设计如下的实验线路图，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

上图中，控制计算机“OUT1”表示386EX 内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的7 号中断，用作采样中断。

这里，正弦波单元的“OUT ”端输出周期性正弦波信号，通过模数单元的“IN7”端输入，系统用定时器作为基准时钟 (初始化为10ms) ，定时采集

“IN7”端的信号，并通过控制机算计读取转换完后的数字量，再送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号。采样周期T= TK ×10ms，TK 的范围为01 ~ FFH。

(3) 参考程序流程图设计

实验参考程序：直线插值法参照随机软件中的example 目录中的ACC1-2-2.ASM 文件，二次曲线插值法请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-2-3.ASM 文件。

实验步骤及结果

1. 采样与保持

(1) 参考流程图1.2-2 编写零阶保持程序，编译、链接。

(2) 按照实验线路图1.2-1 接线，检查无误后开启设备电源。

(3) 用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT”端，调节正弦波单元的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT”端输出幅值为3V，周期1S 的正弦波。

实际测量的波形图：

(4) 加载程序到控制机中，将采样周期变量“Tk”加入到变量监视中，运行程序，用示波器的另一路表笔观察数模转换单元的输出端“OUT1”。“OUT1”端的参考波形如图1.2-5 所示。

实际测量的波形图：

由图可知，信号的采样效果和预期的差不多。

(5) 增大采样周期，当采样周期>0.5S 时，即Tk>32H 时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真，记录此时的采样周期，验证香农定理。

Tk=34H

实际测量的波形图：

数字滤波

一、实验目的

1. 学习和掌握一阶惯性滤波

2. 学习和掌握四点加权滤波

二、实验内容

分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。

三、实验设备

PC 机一台，TD-ACC +

实验系统一套，i386EX 系统板一块

四、实验原理与步骤

一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应用，下面是一个典型数字滤波的方框图：

1．滤波器算法设计

一阶惯性滤波：

相当于传函11

+S τ的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式

YK =(1?a)XK +(a)YK ?1

XK ： 当前采样时刻的输入 YK ： 当前采样时刻的输出 YK-1：前一采样时刻的输出

T ：采样周期，1-a = τ

T

四点加权滤波算法为：

YK=A1XK+A2XK-1+A3XK-2+A4XK-3(式中∑=4

1i A1 =1)

XK ： 当前采样时刻的输入 XK-1：前一采样时刻的输入 YK ： 当前采样时刻的输出

2．参考流程图：

控制 计算机

模数转换 IN7

数模转换

OUT

实验中的参数：

1－a、a、A1、A2、A3、A4 为十进制2 位小数（BCD 码），取值范围：0.00 ～0.99，只须对应存入00～99。程序中将其转换成二进制小数，再按算式进行定点小数运算。

实验参考程序：一阶惯性请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-3-1.ASM，四点加权参照ACC1-3-2.ASM。

3．实验线路图：

图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行搭接。

上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的7 号中断，用作采样中断。

电路中用RC 电路将S 端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。注意R 点波形不要超过±5V，以免数字化溢出。计算机对有干扰的正弦信号R 通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C 输出。

实验步骤及结果

1. 参照流程图分别编写一阶惯性和四点加权程序，检查无误后编译、链接。

2. 按图1.3-3 接线，检查无误后开启设备电源。调节正弦波使其周期约为2S，调信号源单元使其产生周期为100ms 的干扰信号(从“NC”端引出)，调节接线图中的两个47K 电位器使正弦波幅值为3V，干扰波的幅值为0.5V。

实际测量的波形图：

3. 分别装载并运行程序，运行前可将“TK”加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察R 点和C 点，比较滤波前和滤波后的波形。

一阶惯性:

Tk=01

实际测量的波形图：

Tk=08

实际测量的波形图：

由图可知，T越大，信号的噪声偏离也就越大。

实验二开环系统的数字程序控制

数字PWM 发生器和直流电机调速控制

一、实验目的

掌握脉宽调制 (PWM) 的方法。

二、实验内容

用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制。

三、实验设备

PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块

四、实验原理与步骤

1．PWM (Pulse Width Modulation) 简称脉宽调制 (见图2.1-1) 。即，通过改变输出脉冲的占空比，实现对直流电机进行调速控制。

VH VL

图2.1-1

2．实验线路图：图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

图2.1-2

图中，“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P1.4，输出PWM 脉冲经驱动后控制直流电机。

本实验中，由系统产生1ms 的定时中断。在中断处理程序中完成PWM 脉冲输出。最后通过控制计算机的数字量输出端DOUT0 引脚来模拟PWM 输出，并经达林顿管输出驱动直流电机，实现脉宽调制。

3．参考流程图

实验参考程序：请参照随机软件中的example

目录中的ACC2-2-1.ASM。

实验步骤

1．参考实验线路图的说明及流程图2.1-3，编写相应的主程序及PWM 子程序，检查无误后编译、链接。

2．按图2.1-2 接线，检查无误后开启设备的电源。

3．装载程序，将全局变量TK (PWM 周期) 和PWM_T ( 占空比)加入监视，以便实验过程中修改。

4．运行程序，观察电机运行情况。

实际测量波形图：

5．终止程序运行，加大脉冲宽度，即将占空比PWM_T 变大，重复第3 步，再观察电机的运行情况，此时电机转速应加快。电机每转动一圈，“HR”端(霍

图2.1-3