计算机控制第一次实验报告

专业：_自动化__姓名：__张文博专业：_自动化__姓名：__张文博_____学号：__3110103251____日期：__2014.10.______地点：___教二213______课程名称：______计算机控制技术__________指导老师：厉小润成绩：__________________实验名称：开关量转换和消除抖动和滤波实验类型：________同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的1．通过实验了解实验系统的结构与使用方法；2．通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。3．通过实验熟悉开关量输入过程。4．通过实验掌握按键消抖方法。5．通过实验熟悉一阶数字滤波器、防干扰平均值算法的实现方法；6．研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。二、实验设备1．THBDC-2型控制理论·计算机控制技术实验平台2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3．PC机1台(含软件“THBDC-2”)三、实验内容1．输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；2．在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换实验。3．设计一路具有抖动干扰的周期信号，用于模拟按键抖动过程；4．针对按键的抖动过程，通过软件设计消抖方法，输出理想的数字信号；5．设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰信号和正弦信号输入的模拟加法电路；6．设计并调试一阶滞后滤波器和算术平均值滤波法；四、实验原理1．数据采集卡本实验台采用了THBXD数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为±10V、输出量程均为±5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其主要特点有：1)支持USB1.1协议，真正实现即插即用2)400KHz14位A/D转换器，通过率为350K，12位D/A转换器，建立时间10μs3)4通道模拟量输入和2通道模拟量输出4)8K深度的FIFO保证数据的完整性5)8路开关量输入，8路开关量输出2．AD/DA转换原理数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-10～10V对应为0～16383(A/D转换为14位)。其中0V为8192。其主要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入)：输入AD原始码(二进制)AD原始码(十六进制)求补后的码(十进制)正满度011111111111111FFF16383正满度－1LSB011111111111101FFE16382中间值（零点）0000000000000000008192负满度+1LSB1000000000000120011负满度1000000000000020000而DA转换时的数据转换关系为：-5～5V对应为0～4095(D/A转换为12位)，其数据格式(双极性电压输出时)为：输入D/A数据编码正满度111111111111正满度－1LSB111111111110中间值（零点）100000000000负满度+1LSB000000000001负满度0000000000003．编程实现测试信号的产生利用上位机的“脚本编程器”可编程实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。其函数表达式分别为：1)正弦信号，2)方波3)斜坡信号，a为常量4)抛物线信号，a为常量4.独立式按键电路：常用的非编码键盘,每个键都是一个常开开关电路。图lab2.15．按键的抖动干扰按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的,一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按键的抖动,可用硬件或软件两种方法。2.1按键的扰动干扰：Lab2.2按键的抖动干扰6.按键消抖方法3.1硬件消抖参考电路1：Lab2.3按键的硬件消抖方法1图中两个“与非”门构成一个RS触发器。当按键未按下时,输出为1;当键按下时,输出为0。此时即使用按键的机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开（抖动跳开B）,中要按键不返回原始状态A,双稳态电路的状态不改变,输出保持为0,不会产生抖动的波形。也就是说,即使B点的电压波形是抖动的,但经双稳态电路之后,其输出为正规的矩形波。这一点通过分析RS触发器的工作过程很容易得到验证。3.2硬件消抖参考电路2:Lab2.4按键的硬件消抖方法23.3软件消抖：如果按键较多,常用软件方法去抖,即检测出键闭合后执行一个延时程序,产生5ms～10ms的延时,让前沿抖动消失后再一次检测键的状态,如果仍保持闭合状态电平,则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后,也要给5ms～10ms的延时,待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。软件消抖方法比较多，本次实验要求请见第五部分。滤波：1．在许多信息处理过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。数字滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。一般可以用两种方法来实现：一种是用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。软件设计数字滤波器可分为限副滤波、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法、限幅平均滤波法、一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法等。2.一阶数字滤波器，优点是对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合。缺点相位滞后，灵敏度低，不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号。它所表达的运算可用差分方程来表示：一阶数字滤波器及其数字化一阶数字滤波器的传递函数为利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法：其中TS为采样周期，为滤波器的时间常数。TS和应根据信号的频谱来选择。滞后程度取决于值大小。3、本实验要求的平均值滤波法是将连续采样8次得到的数值，通过排列方法得到最大值和最小值后，取中间数据平均值，将此值作为滤波后理想值。4.上述几种滤波器的效果图见图lab3.1,其中蓝线为滤波前输出波形值，红线为滤波后输出波形值。Lab3.1滤波器效果图5．尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图图lab3.2尖脉冲产生电路通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。6．实验电路的信号的产生把图lab3.2产生的尖脉冲信号视为干扰信号，与一低频正弦信号（由上位机的“脚本编辑器”编程输出）输入到图lab3.3所示的两个输入端。图lab3.3测试信号的产生电路图五、实验步骤AD、DA转换实验步骤：1．启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“数据采集接口单元”的“AD1”通道，同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；2．将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V；3．启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-2”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；4．点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始”按钮，观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为1V(可以使用面板上的直流数字电压表进行测量)时应为00001100011101(共14位，其中后几位将处于实时刷新状态)。调节阶跃信号的大小，然后继续观察AD转换器的转换结果，并与理论值(详见本实验附录)进行比较；5．根据DA转换器的转换规律(详见本实验附录)，在DA部分的编辑框中输入一个十进制数据（如2457，其范围为0～4095），然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小；6．实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。消抖：1．启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将采集接口单元的“DA1”输出端连接到“数据采集接口单元”的“AD1”通道，同时将采集接口单元的“DA2”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；2．启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-2”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；4．点击软件“系统”菜单下的“脚本编程”，在脚本编程界面上点击语言菜单，选中Jscript（由于该编程环境更接近C语言，若熟悉VB的同学也可选择默认状态）；5．根据第三章第九部分的脚本编程流程图，开始编写程序，可参考第三章第八部分JScript函数说明和THBDC-2文件夹下例程。6．按实验要求软件模拟按键抖动信号，如图lab2.5中蓝线部分:Lab2.5软件模拟按键抖动信号7．针对上述抖动干扰，设计软件消抖程序。实验效果如上图红线部分所示。8．实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。滤波：1．实验接线及准备1.1启动计算机，在桌面双击图标THBDC-2，运行实验软件；1.2启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将低频函数信号发生器单元输出端连接到采集卡的“AD1”通道，并选择方波输出。在虚拟示波器观测方波信号的频率和幅值，然后调节信号发生器中的“频率调节”和“幅度调节”电位器，使方波信号的频率和幅值分别为4Hz，2V。然后断开与采集卡的连接，将低频函数信号发生器单元输出端连接到“脉冲产生电路”单元输入端，产生一个尖脉冲信号Uo；1.3按图2-2连接电路，其中正弦信号来自数据采集卡的“DA1”输出端，尖脉冲信号来自U1单元的输出端。图2-2的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连，同时将数据采集卡的“DA2”输出端与“AD2”输入端相连。1.4用同样电路通过设计连续采样8个点，将最大值和最小值排除后取平均值的滤波方法设计平均值滤波器，对比两者实验效果。2．脚本程序运行2.1点击软件工具栏上的“”按钮(脚本编程器)，打开脚本编辑器窗口；2.2在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法JS\计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“数字滤波”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为10ms；2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”，用双踪示波器分别观察图2-2的输出端和数据采集卡输出端“DA2”的波形。调节信号发生器中的“频率调节”电位器，改变方波信号的频率(即尖脉冲干扰信号的频率)。观察数据滤波器的滤波效果；2.4点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，在一阶惯性滤波器中修改算法程序中的参数Ts(注：修改Ts时要同步修改算法的运行步长)、Ti两个参数，然后再运行该程序，在示波器上再次观察参数变化对滤波效果的影响；2.5对于平均值滤波器的算法编程实验中，可参考一阶惯性数字滤波器脚本程序。2.6实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验源程序正弦波程序：functionInitialize(arg){WriteData(0,1);x=0;op=0;}functionTakeOneStep(arg){op=2*jsin(x);x=x+0.1;//0.01为0.1HZ，0.02为0.2HZ其余类推WriteData(op,1);}functionFinalize(arg){WriteData(0,1);}方波源程序：functionInitialize(arg){WriteData(0,1);k=0;op=0;}functionTakeOneStep(arg){k=k+1;//采样时间100msop=1;if(k>=36&&k<=70)op=0;if(k>70)k=0;WriteData(op,1);}functionFinalize(arg){WriteData(0,1);}消抖源程序：functionInitialize(arg){WriteData(0,1);k=0;op=0;i=0;a=1;s=1;oo=1;}functionTakeOneStep(arg){k=k+1;//采样时间1msop=5;if(k>=50&&k<70){op=5*Math.random();}if(k>=70&&k<=120){op=0;}if(k>=120&&k<140){op=5*Math.random();}if(k%5==0){if(a==op){s=s+1;}if(a!=op){s=1;a=op;}if(s==3){oo=op;s=1;}}if(k>140){k=0;}WriteData(op,1);WriteData(oo,2);}functionFinalize(arg){WriteData(0,1);}一阶数字滤波：functionInitialize(arg){WriteData(0,1);WriteData(0,2);Ts=0.01;Ti=0.02;x=0;op2=0;}functionTakeOneStep(arg){op1=2*jsin(x);x=x+0.1;pv=ReadData(1);op2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*op2;WriteData(op1,1);WriteData(op2,2);}functionFinalize(arg){WriteData(0,1);WriteData(0,2);}均值滤波：functionInitialize(arg){WriteData(0,1);WriteData(0,2);x=0;}functionTakeOneStep(arg){op1=2*jsin(x