修改 郭秀丽微机控制实验指导书.docx
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修改郭秀丽微机控制实验指导书
《微机控制与接口技术》
实验指导书
适用专业:
测控、电气自动化
课程代码:
8416300
总学时:
6总学分:
编写单位:
电气信息学院
编写人:
郭秀丽、陈立功
审核人:
审批人:
批准时间:
年月日
目录
实验一数／模转换与模／数转换…………………………………………………………………2
实验二信号的采样………………………………………………………….………………………9
实验三积分分离PID控制实验……………………………………………………………………12
实验一数／模转换与模／数转换
一、实验目的和任务
1.熟悉实验系统软硬件的使用方法
2.熟悉模／数、数／模信号转换的基本原理
3.掌握ADC0809、TLC7528芯片的使用方法
4.掌握模／数转化的量化特性
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、实验仪器、设备及材料
PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块
四、实验原理
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。
i386EXCPU
OUT1
短路块
+5V
X
Y
IN7
STR
/OE
CLOCK
/IOY0
分
频
1MHZ
TMROUT1
CS0#
TMRCLK1
短路块
Z
-5V
+5V
A
B
C
D0
D7
24MHZ
CLK2
XD0
XD7
单次阶跃
模数转换单元
图1.1-1
控制计算机
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
初始化系统定时器（1ms）
延时
取A/D值，送至变量中
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
PUBLICAD0,AD1,AD2,AD3,AD4,AD5,AD6,AD7,AD8,AD9;声明全局变量
STACK1SEGMENTSTACK
DW256DUP（?
）
STACK1ENDS
DATASEGMENT
AD0DB?
;存储A/D采集的数值，共十个值
AD1DB?
AD2DB?
AD3DB?
AD4DB?
AD5DB?
AD6DB?
AD7DB?
AD8DB?
AD9DB?
DATAENDS
CODESEGMENT
ASSUMECS:
CODE
START:
MOVAX,DATA;将当前的DATA赋给数据段DS
MOVDS,AX
CALLSYSINTI;调用系统初始化子程序
MOVDX,0F043H
MOVAL,076H;初始化1#定时器定时1ms
OUTDX,AL
MOVDX,0F041H
MOVAL,0E8H;写1#定时器定时常数的低字节
OUTDX,AL
MOVDX,0F041H
MOVAL,03H
OUTDX,AL
MOVCX,000AH
;写1#定时器定时常数的高字节,同时启动AD转换
;赋AD采样值个数初值为0AH
MOVSI,OFFSETAD0;将存放AD采样值的首地址赋给SI寄存器
AGAIN:
CALLDELAY;调延时子程序
MOVDX,0300H
INAL,DX;读AD采样值
MOV[SI],AL;将AD采样值存放于SI中
INCSI;SI指向下一个采样值对应的单元
LOOPAGAIN;10个采样值存放完否？
没有存完，则继续存
MOVCX,000AH;存放完成后，将CX和SI还原，赋初值
MOVSI,OFFSETAD0
JMPAGAIN;继续
ELAY:
PUSHCX;延时子程序
MOVCX,3000H
DEL1:
PUSHAX
POPAX
LOOPDEL1
POPCX
RET
SYSINTI:
MOVAX,8000H;系统初始化子程序
OUT23H,AL;扩展IO使能
XCHGAL,AH
OUT22H,AL
OUT22H,AX
MOVDX,0F402H;初始化系统片选CS0#的范围为：
300H～30FH
MOVAX,000CH
OUTDX,AX
MOVDX,0F400H
MOVAX,0401H
OUTDX,AX
MOVDX,0F406H
MOVAX,0000H
OUTDX,AX
MOVDX,0F404H
MOVAX,3C01H
OUTDX,AX
MOVDX,0F822H
MOVAL,7FH
OUTDX,AL
MOVDX,0F824H
MOVAL,0B2H
OUTDX,AL
MOVDX,0F832H
MOVAL,0AH
OUTDX,AL
MOVDX,0F834H
MOVAL,15H
OUTDX,AL
RET
CODEENDS
ENDSTART
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1/2LSB，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。
i386EXCPU
CS0#
WR#
/IOY1
/IOW
/CS
/WR
OUTA
RFBA
+
-
1K
TL084
1K
+
TL084
-
OUT1
M/IO#
A0
CLK2
XD0
XD7
24MHZ
A0
A0
D0
D7
OUTB
RFBB
VCC
VCC
W101（1K）1.5K
1K
+1K
TL084
-
W102（1K）1.5K
+
-
2K
TL084
2K
OUT2
控制计算机
数模转换单元
图1.1-3
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
变量初始化
延时
变量递加，送D/A输出
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
五、主要技术重点、难点
1.了解系统工作原理；
2.按照原理图进行正确接线；
3.正确测量数据，观察数据并与原理结合进行深刻理解。
六、实验步骤
1．A/D转换实验
（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JMPAGAIN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。
（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。
表1.1-1
模拟输入电压（V）
对应的数字量（H）
-4.951
02
-4.002
1B
-2.998
34
-1.992
4E
-1.003
67
0.000
80
1.005
99
2.007
B4
2.991
CD
4.018
E7
4.950
FF
2．D/A转换实验
（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
七、实验报告要求
1.要求认真填写相关内容；
2.要求实验数据准确，真实。
3.实验结果包括：
表1A/D转换过程实验数据
模拟输入电压（V）
A/D转换后数字量（H）
以及D/A转换实验中的输出波形图理论量化误差及其量化特性图：
八、实验注意事项
1.连线一定要正确，并经检查无误后方可接通电源；
2.实验过程中及时记录实验数据并进行分析。
九、思考题
欲将第1个通道上的模拟量转换成数字量，硬件电路应如何修改？
程序应如何编写？
实验二信号的采样
一、实验目的和任务
1、熟悉信号的采样过程；
2、掌握采样周期对输出波形的影响；
二、实验内容
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。
三、实验仪器、设备及材料
PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块
四、实验原理
1．采样与保持
香农（采样）定理：
若对于一个具有有限频谱（|W|Wmax为信号的最高频率，Ws为采样频率。
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。
图1.2-1
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
五、主要技术重点、难点
1.了解系统工作原理；
2.按照原理图进行正确接线；
3.正确使用系统自带示波器。
六、实验步骤
（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。
（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。
图1.2-5
（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。
七、实验报告要求
1.要求认真填写相关内容；
2.要求实验数据、所得波形图准确，真实。
表1模拟输入信号与采样信号的波形图：
1.Tk＝04H
2.Tk＝10H
3.Tk＝16H
4.Tk＝32H
八、实验注意事项
1.连线一定要正确，并经检查无误后方可接通电源；
2.实验过程中及时记录实验数据、波形图并进行分析。
九、思考题
1、通过以上实验，大家可明显地观察到，当Tk=01H~26H时，U10单元的OUT端的输出波形为IN7的采样波形，但当Tk再增大时，U10单位的OUT端的输出波形将采样失真。
为什么？
2、有人又问，既然A/D采样本身具有保持功能，那是不是不管模拟量在A/D转换时变化多大，都可不加保持器呢？
为什么？
实验三积分分离PID控制实验
一、实验目的和任务
1．了解PID参数对系统性能的影响。
2．学习凑试法整定PID参数。
3．掌握积分分离法PID控制规律
二、实验内容
根据实验原理进行正确接线，用凑试法可以整定出控制参数，然后选择这一组控制参数进行控制，观察控制效果。
改变积分分离值，重新观察控制效果。
三、实验仪器、设备及材料
PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块
四、实验原理
１、系统原理
图3.2-1是一个典型的PID闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，
图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。
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，
“DIN0”表示386EX的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。
这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制机的定时器作为基准时
钟（初始化为10ms），定时采集“IN7”端的信号，并通过采样中断读入信号E的数字量，并
进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相
应的模拟信号，来控制对象系统。
本实验中，采用位置式PID算式。
在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变
给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系
统超调变大、过渡时间变长。
为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：
当误差e（k）较
大时，取消积分作用；当误差e（k）较小时才将积分作用加入。
图10.2-3是积分分离法PID
控制实验的参考程序流程图。
实验参考程序：
请参照随机软件中的example目录中的ACC3-2-1.ASM。
为了便于实验参数的调整，下面讨论PID参数对系统性能的影响：
（1）增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。
但过
大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。
（2）增大积分时间参数TI有利于消除静差、减小超调、减小振荡，使系统更加稳定，但
系统静差的消除将随之减慢。
（3）增大微分时间参数TD有利于加快系统响应，使超调量减小，系统稳定性增加，但系
统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
在调整参数时，可以使用凑试法。
参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行“先
比例，后积分，再微分”的步骤。
（1）首先整定比例部分。
将比例系数KP由小变大，并观察相应的系统响应，直到响应曲
线超调小、反应快。
如果系统没有静差，或者静差小到允许的范围内，那么只需比例调节器即可
（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足要求，则须加入积分作用。
整定时首
先置积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数KP缩小（如80％），然后减小
积分时间，使静差得到消除。
如果动态性能（过渡时间短）也满意，则需PI调节器即可。
（3）若动态性能不好，则需加入微分作用。
整定时，使微分时间TD从0变大，并相应的
改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意结果。
由于PID三个参数有互补作用，减小一个往往可由几个增大来补偿，因此参数的整定值
不唯一，不同的参数组合完全有可能得到同样的效果。
五、主要技术重点、难点
1.掌握实验原理；
2.实验中被控对象的接线一定要正确；
3.进行参数整定时基准参数的获得；
六、实验步骤
1．参考流程图3.2-3编写实验程序，检查无误后编译、链接。
2．按照实验线路图3.2-2接线，检查无误后开启设备电源。
3．调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为2V，周期6S的方波。
确
定系统的采样周期以及积分分离值。
4．装载程序，将全局变量TK（采样周期）、EI（积分分离值）、KP（比例系数）、TI（积分系数）
和TD（微分系数）加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。
5．运行程序，将积分分离值设为最大值7FH（相当于没有引入积分分离），用示波器分别
观测输入端R和输出端C。
6．如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录响应曲
线的超调量和过渡时间。
7．修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分
分离值时的响应曲线进行比较。
8．将6和7中的较满意的响应曲线分别保存，在画板、PHOTOSHOP中处理后粘贴到
WORD中，方便形成实验报告。
七、实验报告要求
1.使用凑试法参数整定的结果
1整定结果：
P=，I=，D=
表1实验结果：
EI
P
I
D
MP
ts
系统响应曲线
7F
20
注：
空白处可填写作实验时控制效果好的参数数据以及结果
2.实验结果及分析
从上图中可以看出，引入积分分离法后，降低了系统输出的超调量，并缩短了调节时间。
八、实验注意事项
1.连线一定要正确，并经检查无误后方可接通电源；
2.实验过程中及时记录实验数据并进行分析。
九、思考题
1.改变所得到的控制参数是否有可能得到更好的控制效果？
2.分析积分分离值Ei对控制效果的影响？
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