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1、第27卷第1期重庆工商大学学报(自然科学版)2010年2月Vol127NO.1JChongqingTechnolBusinessUniv1(NatSciEd)Feb12010文章编号:1672-058X(2010)01-0073-03基于MATLAB的数据采集模块在自动控制原理实验中的应用12张丹,宫蕾(1.南阳理工学院电子系,河南南阳473004;2.平顶山教育学院计科系,河南平顶山467000)摘要:通过实例介绍了基于MATLAB软件和USB接口的数据采集模块的应用,能够将硬件控制系统与MATL
2、AB仿真技术有机结合;通过在MATLAB中所开发的实验模块,可以随机设置硬件系统的激励信号,并通过信号采集系统采集输出信号,同软件仿真结果进行对比,更有利于试验数据的研究和分析,为5自动控制原理6创新性实验的开辟提供了参考和借鉴。关键词:数据采集模块;控制系统;仿真技术;创新性实验中图分类号:TP312文献标志码:A5自动控制原理6是我院自动化专业一门非常重要的专业基础课。该课程具有内容丰富,理论性强,概[1]念抽象,计算繁杂,涉及知识面广、发展快,有一定的深度等特点,因此学生学习起来有一定的难度。
3、如何让学生更好地掌握理论知识,只有借助实践课,如实验、课程设计等。搞好实践教学,不仅可以使学生对所学理论知识有更深刻的理解和把握,有效地提高教学质量,同时也可以提高学生的动手能力和发现问题、分析问题、解决问题的能力。而我院以往的实践课中一般使用的是EL教学实验箱,在实验箱上有各种电阻、电容、电感、放大器等元件,通过这些元件可以连接成相应的控制系统,然后由厂家配备的计算机软件进行观察系统的响应曲线及各项指标。这种方法可以提高学生的动手能力,加深对课堂所学知识的理解,但是学生只是机械地完成实验指导书上的
4、控制电路,不知如何调整参数,而且容易造成硬件的损坏。虽然采集到实际电路的响应曲线,可是无法和理论值进行比较。在此自主研发了一种基于USB的数据采集模块,将实验箱上的实时控制系统与计算机上的MATLAB软件下的SIMULINK仿真控制系统有效地结合起来,学生在设计实时控制系统和对参数进行修改时,更加直观、方便。1MATLAB简介MATLAB是美国MathWorks公司推出的功能非常强大的科学计算软件,具有语言简单、扩充能力高、可[2]开发性强、编程容易、效率高等优点,能解决控制系统中存在的大量的数值计
5、算和矩阵运算。经典控制理论涉及的系统传递函数、系统在阶跃函数作用下的响应、开环控制系统极坐标图和对数相频曲线、对数幅频[3]曲线等用MATLAB语言均可实现。不仅如此,还提供了用户可编程序设计的图形用户界面(GUI)设计工[4,5]具,为课堂教学提供了十分有效的手段。收稿日期:2009-08-25;修回日期:2009-11-12。作者简介:张丹(1980-),女,河南南阳人,硕士研究生,助理实验师,从事软件工程研究。74重庆工商大学学报(自然科学版)第27卷2基于MATLAB软件和USB接口的数据采
6、集模块数据采集模块使MATLAB的算法及仿真和外部实际控制系统有机结合起来,可以激发学生的设计意识,有利于学生把理论和实践结合在一起认识和学习。数据采集模块的工作原理图如图1所示。由图1可以看出单片机是整个设备的核心,一方面单片机控制A/D转换器进行A/D转换,并通过USB设备接口将数据传送给PC机,另一方面单片机接收PC机发送的数字信号进行D/A转换。单片机主要是通过解释和执行主机软件的控制命令和要求来完成对模拟转换开关及A/D和D/A转换器的控制。图1数据采集模块原理图A/D转换和D/A转换器模
7、块主要由4路10位A/D转换器和2路10位D/A转换器组成。仪器的设计采用了USB总线供电,电源变换电路把从USB总线提供的5V/500mA电源变换出仪器各个部件所需要的电压。因为USB总线提供的电源功率有限,所以数据采集模块上的大部分器件和芯片都采用了表面贴装的封装形式。利用ATmega16实现了A/D的数据转换功能,将外部控制系统输出的模拟信号转换成数字信号传输到计算机上进行分析;利用TLV5617芯片实现了D/A的数据转换功能,可以将计算机发出的数字控制信号转换成模拟信号传输给外部控制系统,从
8、而完成了计算机与外部控制系统间的通信。PDIUSBD12微处理器实现USB接口的通信功能。用VC编译USB驱动程序,实现动态链接,使PC机识别此数据采集模块,MAT-LAB通过API直接调用C语言程序实现与外部接口间的数据通信。通过对S函数的封装与编写,使采集模[6]块变成MATLAB下的SIMULINK库中的模块,可以直接调用、方便使用。3应用实例分析3.1系统设计通过一个二阶系统仿真示例来说明基于MATLAB软件和USB接口的数据采集模块的应用。在实验箱上搭建二阶
