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1、#计算机控制系统实验指导书新编xu1附录 . 15实验一 数据输入输出通道实验目的：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。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验内容：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。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，其主要特点是：单电源供电、

2、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。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使用时钟 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、IN0IN7)。实验线路图1-1为：图1-1 A/D转换实验接线图上图中，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间常数。ADC0809 芯片输入选通地址码 A、B、C 为1状

3、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：图1-2 A/D转换参考程序流程实验步骤：（1） 打开联机操作软件，在编辑区编写实验程序。检查无误后编译、链接。（2） 按照图1-1接线(注意：图中画o的线需连接)，检查无误后开启电源。（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直接点击设置起点图标，即可将程序起点设在

4、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”窗口或直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量“AD0AD9”加入变量监视中。在查看菜单项中的工具栏中选中变量区或点击变量区图标，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。具体操作如下：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”，或直接点击“设置断点/删除断点”的图标，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

5、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中的单次阶跃中的电位器，确定好模拟输入电压值。（7） 运行程序，程序将在断点处停下，查看变量“AD0AD9”的值，取平均值记录下来，改变输入电压并记录，最后填写下表。实验结果：模拟输入电压（V）对应的数字量（H）-4.5-3.5-2.5-1.5-0.50+0.5+1.5+2.5+3.5+4.52 D/A转换实验 TLC7528芯片是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。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。实验线路图1-3为：图1-3 D/A转换实验接线图以上电路是

6、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，分别测OUT1和OUT2的输出电压，应在 0mV 左右。参考流程： 图1-4 D/ A转换参考程序流程实验步骤：（1） 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，并画出。实验二 采样和保持实验实验目的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实验设备PC 机一台，TD

7、-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块实验内容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。实验原理1采样和保持香农 (采样) 定理：若对于一个具有有限频谱 (|W|0.5s 时，即 Tk50（32H）时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真。选择采样周期为0.05s、0.1s、0.2s和0.5s，画出输入和输出波形，观察信号的失真情况。每次修改程序或参数后，都要重新编译并下载后再运行。2. 信号的还原(1) 分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。(2

8、) 按照线路图接线，检查无误后，开启设备电源。调节正弦波单元的调幅、调频电位器，使正弦波单元输出幅值为3V，周期1s 的正弦波。(3) 设定相应的Tk值，分别装载并运行程序。用示波器观察数模转换单元的输出，选择采样周期为0.05s、0.1s、0.2s和0.5s，画出输入和输出波形，观察信号的失真情况，并和零阶保持程序在相同采样周期的运行效果进行比较。实验三 数字PID控制实验目的：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。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：图3-1 典型PID闭

9、环控制系统方框图上图是一个典型的PID闭环控制系统方框图。其硬件电路原理及接线图如下：图3-2 实验接线图实验中，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，并使系统有惯性和滞后。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，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。实验步骤：1. 编写实验程序，检查无误后编译、链接。2. 按照实验线路图接线，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3-6s的方波。4. 在程

10、序中将积分分离值设为最大7FH（相当于没有引入积分分离），编译连接并加载运行程序，用示波器分别观测输入端R和输出端C。此时可以观察到输入的方波，系统的输出接近于零，将ST-S短路块拔掉（去掉锁零信号），可以观察到系统的输出信号。要恢复0状态时再将ST-S短路块插回去。5. 如果系统性能不满意，用试凑法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录KP、TI、TD参数，以及响应曲线的超调量和过渡时间。6. 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。7. 汇编语言程序参考example目录中的ACC3-2-1.ASM文件。C语言程序参考ACS-

11、C目录中的ACC3-2-1.C 文件。 8. 在MATLAB 下根据图3-1，按PID调整的结果完成控制输出，跟你实验箱的输出结果作对比，分析有关原因。实验四 直流电机闭环调速控制实验目的：1了解闭环调速控制系统的构成。2熟悉PID 控制规律，并且用算法实现。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：图4-1 是一个典型的直流电机调速实验的系统方框图：图4-1 直流电机调速实验系统方框图根据上述系统方框图，硬件线路图如下，图中画“”的线需要接好。图4-2 硬件线路图上图中，控制机算机的“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P1.4，输出PWM

12、 脉冲经驱动后控制直流电机，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的7号中断，用作测速中断。实验中，用系统的数字量输出端口“DOUT0”来模拟产生 PWM 脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。在参数给定情况下，经PID 运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。系统定时器定时1ms，作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。实验步骤：1编写实验程序，编译、链接。2按图4-2接线，检查无误后开启设备电源，将编译链接好的程序装载到控制机中。3打开专用图形界面，运行程序，观察电机转速，分析其响应特性。4若

13、不满意，改变参数：积分分离值IBAND、比例系数KP、积分时间常数TI、微分时间常数 TD 的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。5注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0 的状态应保持上次的状态。当DOUT0 为1 时，直流电机将停止转动；当DOUT0 为0 时，直流电机将全速转动，如果长时间让直流电机全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0 的排线拔掉或按系统复位键。6. 汇编语言程序参考example目录中的ACC6-1-1.ASM文件。C语言程序参考 ACS-C目录中的ACC6-1-1.C 文件。实验五

14、温度闭环数字控制实验目的：1了解温度闭环控制系统的构成。2熟悉PID 控制规律，并且用算法实现。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：温度闭环控制系统实验的系统方框图如下：图5-1 温度闭环控制实验系统方框图根据上述系统方框图，硬件线路图如下，图中画“”的线需接好。图5-2 硬件线路图上图中，控制机算机的“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P1.4，输出PWM 脉冲经驱动后控制烤箱或温度单元，“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 (采样

15、中断)。实验中，使用了10K 热敏电阻作为测温元件，温度变化，电阻值变换，经转换电路变换成电压信号，由模数转换器进行转换，转换完成产生采样中断，在中断程序中读取数字量，构成反馈量，在参数给定的情况下，经PID 运算产生相应的控制量，最后由系统的“DOUT0”端输出PWM 脉冲信号，经驱动电路驱动烤箱 (温度范围室温200) 或温度单元 (温度范围室温70) 加热或关断，使温度稳定在给定值。其中系统定时器定时10ms，一方面作为A/D 的定时启动信号，另一方面作为系统的采样基准时钟。实验程序：汇编语言程序参考随机软件中的example 目录中的ACC6-2-1.ASM。C语言程序参考 ACS-C

16、目录中的ACC6-2-1.C 文件。实验步骤：1编写程序，再编译，链接。2按图接线，检查无误后开启设备电源。3装载程序，打开专用图形界面，运行程序并观察波形，分析其响应特性。4若不满意，改变参数积分分离值IBAND、比例系数KP、积分时间常数TI、微分时间常数TD 的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。5注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0 的状态应保持上次的状态。当DOUT0 为1 时，烤箱或温度单元将停止加热；当DOUT0 为0 时，烤箱或温度单元将满功率加热，如果长时间让烤箱或温度单元处于全功率加热状态，可能会导致烤箱或温度单元损坏，所以在停

17、止程序运行时，要将连接DOUT0 的排线拔掉或按系统复位键。实验六 最少拍控制器的设计和实现实验目的：1. 掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。2. 掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：图6-1最小拍控制系统方框图1. 最小拍有纹波控制系统设计针对阶跃输入，设计有纹波系统控制算法，写出控制输出量的递推公式，并编程实现。2. 最小拍无纹波控制系统设计针对单位斜波输入，设计最小拍无纹波系统控制算法，写出控制输出量的递推公式，并编程实现。其硬件电路接线图如下：图6-2最小拍控制系统方框图实验步骤：1. 编写实验程

18、序，检查无误后编译、链接。2. 按照实验线路图接线，检查无误后开启设备电源。3. 对象的输入信号选择：当为有纹波设计时，选择方波。调节电位器使方波信号的幅值为2.5V，周期为3-6s，当为无纹波设计时，选择单位斜波信号，斜波幅值为6V，上升时间为6s。4. 分别将有纹波和无纹波设计方法得到的参数写入程序，分别编译链接并装载运行程序，用示波器观察对象的测量点“C”和数模转换单元的“OUT1”端，观察系统的输出以及控制量输出序列，并记录波形进行分析。要观察输出的阶跃响应时将ST-S短路块拔掉（去掉锁零信号），要恢复0状态时再将ST-S短路块插回去。观察斜波信号作用下的输出时也一样操作。注意：实验中

19、有纹波是针对阶越输入设计，而无纹波是针对斜波输入信号设计，所以实验时要注意正确的选择信号源。5. 实验中观察到的输出、控制量输出序列的波形和理论设计的输出序列有什么区别，观察是经过几个采样周期误差达到零的，和理论上一样吗？试解释原因。6. 实验程序：汇编语言程序参考随机软件中的example 目录中的ACC4-1-1.ASM和ACC4-1-2.ASM。C语言程序参考 ACS-C目录中的ACC4-1-1.C 和ACC4-1-2.C文件。7. 在MATLAB 下根据图6-1，按设计的最少拍控制器的结果完成控制输出，跟你实验箱的输出结果作对比，分析有关原因。 实验7 综合设计实验（考核用）要求根据实

20、验现有的条件，根据课程所学的内容，自行设计实验目的、实验设备及实验原理和相关内容，独立完成实验的结果，并写出详细的实验报告。附录1：ADC0809简介ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。1主要特性1）8路输入通道，8位AD转换器，输出带锁存器，逻辑电平和TTL兼容。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） 4）单个5V电源供电。5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 2内部结

21、构ADC0809内部结构如图1所示，它由8路模拟开关、地址锁存和译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近比较器和三态输出锁存缓冲器组成。 图1 ADC809的内部结构3外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。 VIN0VIN7：8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。 DO0DO7：8位数字量输出端，DO0为最低位，DO7为最高位。由于有三态输出锁存，可和主机数据总线直接相连。 A、B、C：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效，上升沿时锁存3位通道选择信号

22、。START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量到数据总线上。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 VREF+、VREF-：基准电压。取决于被转换的模拟电压范围，通常VREF+= 5V，VREF-= 0V。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。4ADC0809的工作过程首先输入3位

23、地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给计算机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的。例如ADC0809

24、转换时间为128s，可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，进行数据传送。 （2）查询方式 A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确知转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 附录2：TLC7528简介TLC7528包含两个相同的8位乘法D/A转换器DACA和DACB，是电压型输出数模转换器,每路DAC均具有单独的片内数据锁存器，能方便地和大多数通用微处理器总线和输出端口相接口。数据通过公共输入口传送至

25、两个DAC数据锁存器的任一个，控制输入端/决定哪一个DAC被装载。1其主要参数如下：转换时间100ns，满量程误差1/2LSB，参考电压10V10V，供电电压5V15V，输入逻辑电平和TTL兼容。2内部结构TLC7528内部结构如图2所示，它由8位输入缓冲器、两个相同的8位乘法D/A转换器DACA和DACB，每路DAC均具有单独的数据锁存器。图2 TLC7528内部结构 图3 TLC7528的引脚排列 图4 TLC7528的时序图3TLC7528的工作过程TLC7528的引脚排列如图3所示，工作的时序图如图4所示。TLC7528通过数据总线，、控制信号和微处理器接口。当和均为低电平时，TLC7528模拟输出（由/控制线指定）对DB0-DB7数据总线输入端的信号做出响应。在此方式下，输入锁存器是透明的，输入数据直接影响模拟输出。当或信号变为高电平时，DB0-DB7输入端上的数据被锁存，直至或信号再次变低为止。当为高电平时，不管信号的状态如何，DB0DB7数据总线将为高阻状态，禁止输入数据。REFA和REFB是输出通道相应的参考输出电压。RFBA和OUTA是选择输出极性引脚，不同的接法对应单极性输出或双极性输出。