基于Matlab平台的EL-AT-II型
基于Matlab平台的EL-AT-II型[20191215184301]
摘 要
由于EL-AT-II型自动控制实验箱的软件系统无法windows XP操作系统上无法运行，严重影响了课程实验。本文利用Matlab软件强大的数据处理功能和开放式的编程环境，开发了一套基于 Matlab GUI界面的EL-AT-II 型实验实验软件平台，设计出与 EL-AT-II 型实验箱相匹配的系统软件，主要应用于对实验箱的操作和使用。
本文主要围绕EL-AT-II 型实验箱功能设计一个GUI上位机界面，包括利用串口通讯收发数据的窗口以及反馈数据的波形动态并绘制在坐标轴上的显示。本文首先对常见的串行通信方式的基本原理和特征进行了简要描述；然后重点介绍了串口通信的基本要素和一般编程方法。针对EL-AT-II型自动控制实验箱的硬件接口要求，论文选择串口通信方式与实验箱进行串口通信；设计并实现了基于Matlab的GUI实验软件系统，完成通讯部分中的数据发送、数据采集和绘制波形的过程，最后本文给出了软件调试分析，得出相关结论和改进方案。
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关键字:字MatlabGUI；EL-AT-II实验箱；串口通信
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景 3
1.3 Matlab的软件介绍 4
1.3.1 在控制系统仿真方面 4
1.3.2 在实时控制方面 5
1.4 研究的目的和意义 5
第2章 串行通讯方式 7
2.1 USB通信 8
2.1.1 USB定义 8
2.1.2 USB基本特性 8
2.1.3 USB的硬件原理图 10
2.2 串口通信 11
2.3 本章小结 12
第3章 串口通信编程 14
3.1 串口概述 14
3.1.1 串口信号与针分配 14
3.1.2 支持的串行接口标准 14
3.1.3 串口设备的连接 15
3.1.4 串口数据的格式 15
3.2 串口对象的属性 15
3.2.1串口的通用属性 16
3.2.2 串口读写操作属性 17
3.2.3 串口回调函数属性 17
3.3 串口的基本操作 18
3.3.1串口操作的步骤 18
3.3.2 串口I/O函数 19
3.4 本章小结 20
第4章 系统软件设计 21
4.1 GUI的介绍 21
4.1.1 GUI的定义 21
4.1.2 GUI的特点 22
4.1.3 GUIDE的应用 22
4.1.4 GUI组件介绍 27
4.1.5 GUI中的函数 28
4.2 GUI主界面设计 30
4.3软件模块化设计 33
4.3.1 数据的采集 35
4.3.2 波形的绘制 36
4.3.3 串口数据的发送 37
4.4 本章小结 38
第5章 调试与分析 39
第6章 结束语 42
6.1 总结 42
6.2 心得体会 43
参考文献 45
致 谢 47
附录、附图 48
附图： 48
附录： 49
ADDA卡通讯协议 49
1. 通讯方式设置 49
2. AD采集初始化命令（只适用于非实时状态） 49
3. DA转换初始化命令（只适用于非实时状态） 50
4. 启动命令 50
5. DA清0命令 50
6. 奇、偶 归0命令 50
7. DA实时转换命令（计控命令） 50
8. 串口测试命令 51
英文原文 54
中文翻译 59
第1章 绪论
1.1 引言
EL-AT-II 型自控教学实验箱是北京精仪达盛科技有限公司出品的一款自动控制原理教学实验系统。它适用于各大中专院校乃至各高校《自动控制原理》课程的实验教学，它简单灵活的搭线方式和其开放式的结构能完全满足与各类院校的教学实验要求，它便捷的操作和完善的实验功能成为许多控制类科研人员和在校师生选择实验的操作对象。
图1.1 EL自控实验箱外观图
自动控制教学实验系统是由一块典型环节实验板、计算机控制单元板（AD/DA采集处理卡）、和开关电源组成。开关电源输出（±12V,0.5A;+5V,2.0A;输出功率22W），且每路均有短路保护自动恢复功能，其优势在于防止电路短路时相关数据参数得以自动修复和保存；其次，典型环节实验板可灵活组成七个不同的典型环节，每个典型环节由一个运算放大器和一组电阻、电容组成，可供用户进行多类型的典型环节实验；计算机控制AD/DA卡采用美国Silicon Laboratories公司生产的混合信号单片机做主控芯片，其工作频率高达25MHz，速度单时钟周期；自带最多达24路200K的模数转换器；2路数模转换器。通讯方式分RS232串口和USB两种方式，便于用户选择。同时，其自带零点和满量程误差校正功能，用户可以随时调整模数、数模转换的精度，相关参数可永久保存；该控制卡在实验箱内，可由计算机选择输出阶跃波、速度波、加速度波信号，各种输出波形可随意设置其波形参数方便用户使用；实验箱外部嵌有LED灯和Fuse熔丝开关，防止其短路掉电；数字可调阻容箱，两路1K-999K可调电阻，一路1Uf-9Uf可调电容[1]。
图1.2 EL自控实验箱内部结构图
该自控实验箱包含十四个实验项目，分别是： 典型环节及其阶跃响应实验、二阶系统的阶跃响应实验、控制系统的稳定性分析实验、系统频率特性测量实验、连续系统串联校正实验、数字PID控制实验、状态反馈与状态观测器实验、解藕控制实验、采样定理验证实验、非线性环节实验、相轨迹实验、数据采集、离散系统稳定性分析、系统根轨迹特性测量。
该实验系统具有以下几个方面的特点 该系统采用典型环节模块化结构，所有模块化典型环节均可根据实验要求选择不同的参数与结构；实验系统软件支持WINDOWS操作平台，软件界面友好，参数修改设置方便；实验结果直观且观察方便，可使用软件中的自动游标测量和读数，亦可方便存储和打印，从而提高了实验效率；数字可调电阻电容，直观、准确、修改方便；独立支持“自控原理”的教学实验，还可扩展“计算机控制技术”实验；该系统配有完整的实验指导书，为教学提供了方便。
1.2 课题背景
EL-AT-III 型自控教学实验箱功能完善，典型环节嵌入丰富，实验项目多，能够提供用户进行各自所需的自控实验项目。它与EL-AT-II型自控实验箱的基本区别在于EL-AT-III型实验系统支持串口和USB两种通讯模式，方便用户进行选择，而EL-AT-II型实验箱则只能够支持串口通讯的模式，这是该实验箱的优势所在。可是在软件系统方面，相应于该实验箱的旧的实验软件系统无法在Windows XP操作系统下运行，而且存在数据获取不足或速度跟不上等问题，这将导致数据丢失、运行失效等通讯异常问题，处理过程复杂麻烦，严重的会导致系统瘫痪。因此，需要将软件系统重新设计。本文就这个问题展开以下研究内容，本文主要研究方向是基于Matlab Gui 界面的EL实验箱的软件系统设计。通俗来说，也就是利用Matlab Gui搭建一个软件系统平台，实现一个上位机的功能，对实验箱进行一系列相关的通信操作，包括数据的发送、数据的接收、信号的传输、波形的显示等。
然而，众所周知的是一般的人机交互界面是由Visual C++来完成的，它具有更为丰富的控件和强大的后台处理，可是Matlab Gui的操作便捷性和Matlab 本身所具有的的强大的绘图和计算功能对于本文的研究内容来说已经足够。而且，Matlab制作GUI界面十分简单易学，不需要掌握复杂的编程语言，不需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便的进行操作；而且，用户根据需求可自行设置颜色、字体、字形、尺寸等一系列属性，使界面符合审美，更为美观实用。与实验箱的通讯方式选择串口通讯模式，Matlab内嵌有专门的串口控件，通过一系列串口编程语言可对其进行串口打开、串口关闭、串口读写等相关操作，十分便捷，这便是Matlab的优势所在，不需用户自己建立串口，它自带的串口控件使用户方便对其进行相关的串口操作。一旦串口打开后，便可进行通信，实现数据的收发、信号的传输、波形的绘制，还可以与实验箱上的A/D和D/A模块、典型环节相对应，完成十四种实验项目的实施。
1.3 Matlab的软件介绍
1.3.1 在控制系统仿真方面
仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术、网络技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对真是的或设想的系统进行动态试验研究的一门学科综合性技术。控制系统仿真是系统仿真技术在控制领域里的应用。其重要作用可概括为以下几点[2]：
（1）在系统尚未建立之前利用仿真技术可以论证系统方案的正确性和可 行性，可以避免许多不必要的挫折并为系统设计打下扎实的基础。
（2）在系统设计过程中利用仿真技术可以帮助设计人员建立系统的模 型，进行模型验证与模型简化并进行最优化设计
（3）在系统建成后，利用仿真技术可以分析系统的工作状况，寻求系统改 进的途径，以及找出最佳运行参数，尤其对于复杂的控制系统， 要采用智能的高级控制算法，而每一种算法在建立前是不成 熟的，这就需要使用仿真技术改进算法，并进行优化设计。
在“自动控制原理”的课程中，会遇到许多原理抽象、计算复杂且繁琐以及绘图困难的问题，对这个方面的学习十分盲目和无助。但是Matlab工具的出现，解决了此类难题，那些繁琐的计算和抽象的数学问题变得简单明了，而且可以方便的绘制出图像，利用图像将抽象的控制原理文字形象化、生动化，变得一目了然，让学生用户很容易理解、明白。
基于Matlab的控制系统仿真实验与传统的控制系统模拟机实验相比，具有以下特点[3]：
（1）系统结构及参数改变灵活；
（2）建模及模型转换方便；
（3）图像显示直观、快速、准确；
（4）系统分析与设计更快速、便捷、结果更为准确
由此可见，Matlab更适合进行自动控制原理的实现。Matlab可以进行各种科学与工程技术计算，应用范围也越来越广。而且Matlab的函数命令简单高效，特别容易学习和方便的使用，绘制图像也是丰富多彩[4]。
1.3.2 在实时控制方面
实时控制，是指在系统规定的时间间隔内，调节或强制被控制对象完成预定的动作或响应的过程控制。通俗说来，即是以直接监督的工作方式，在工作进行的过程中便执行控制操作，同时修正行动，改正问题偏差，比如说飞机的订位系统，即是以一种实时监控的方式确定所订机位，第一时间得到订位数据，以便于对之后的数据进行变动操作[5]。
摘 要
由于EL-AT-II型自动控制实验箱的软件系统无法windows XP操作系统上无法运行，严重影响了课程实验。本文利用Matlab软件强大的数据处理功能和开放式的编程环境，开发了一套基于 Matlab GUI界面的EL-AT-II 型实验实验软件平台，设计出与 EL-AT-II 型实验箱相匹配的系统软件，主要应用于对实验箱的操作和使用。
本文主要围绕EL-AT-II 型实验箱功能设计一个GUI上位机界面，包括利用串口通讯收发数据的窗口以及反馈数据的波形动态并绘制在坐标轴上的显示。本文首先对常见的串行通信方式的基本原理和特征进行了简要描述；然后重点介绍了串口通信的基本要素和一般编程方法。针对EL-AT-II型自动控制实验箱的硬件接口要求，论文选择串口通信方式与实验箱进行串口通信；设计并实现了基于Matlab的GUI实验软件系统，完成通讯部分中的数据发送、数据采集和绘制波形的过程，最后本文给出了软件调试分析，得出相关结论和改进方案。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字MatlabGUI；EL-AT-II实验箱；串口通信
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景 3
1.3 Matlab的软件介绍 4
1.3.1 在控制系统仿真方面 4
1.3.2 在实时控制方面 5
1.4 研究的目的和意义 5
第2章 串行通讯方式 7
2.1 USB通信 8
2.1.1 USB定义 8
2.1.2 USB基本特性 8
2.1.3 USB的硬件原理图 10
2.2 串口通信 11
2.3 本章小结 12
第3章 串口通信编程 14
3.1 串口概述 14
3.1.1 串口信号与针分配 14
3.1.2 支持的串行接口标准 14
3.1.3 串口设备的连接 15
3.1.4 串口数据的格式 15
3.2 串口对象的属性 15
3.2.1串口的通用属性 16
3.2.2 串口读写操作属性 17
3.2.3 串口回调函数属性 17
3.3 串口的基本操作 18
3.3.1串口操作的步骤 18
3.3.2 串口I/O函数 19
3.4 本章小结 20
第4章 系统软件设计 21
4.1 GUI的介绍 21
4.1.1 GUI的定义 21
4.1.2 GUI的特点 22
4.1.3 GUIDE的应用 22
4.1.4 GUI组件介绍 27
4.1.5 GUI中的函数 28
4.2 GUI主界面设计 30
4.3软件模块化设计 33
4.3.1 数据的采集 35
4.3.2 波形的绘制 36
4.3.3 串口数据的发送 37
4.4 本章小结 38
第5章 调试与分析 39
第6章 结束语 42
6.1 总结 42
6.2 心得体会 43
参考文献 45
致 谢 47
附录、附图 48
附图： 48
附录： 49
ADDA卡通讯协议 49
1. 通讯方式设置 49
2. AD采集初始化命令（只适用于非实时状态） 49
3. DA转换初始化命令（只适用于非实时状态） 50
4. 启动命令 50
5. DA清0命令 50
6. 奇、偶 归0命令 50
7. DA实时转换命令（计控命令） 50
8. 串口测试命令 51
英文原文 54
中文翻译 59
第1章 绪论
1.1 引言
EL-AT-II 型自控教学实验箱是北京精仪达盛科技有限公司出品的一款自动控制原理教学实验系统。它适用于各大中专院校乃至各高校《自动控制原理》课程的实验教学，它简单灵活的搭线方式和其开放式的结构能完全满足与各类院校的教学实验要求，它便捷的操作和完善的实验功能成为许多控制类科研人员和在校师生选择实验的操作对象。
图1.1 EL自控实验箱外观图
自动控制教学实验系统是由一块典型环节实验板、计算机控制单元板（AD/DA采集处理卡）、和开关电源组成。开关电源输出（±12V,0.5A;+5V,2.0A;输出功率22W），且每路均有短路保护自动恢复功能，其优势在于防止电路短路时相关数据参数得以自动修复和保存；其次，典型环节实验板可灵活组成七个不同的典型环节，每个典型环节由一个运算放大器和一组电阻、电容组成，可供用户进行多类型的典型环节实验；计算机控制AD/DA卡采用美国Silicon Laboratories公司生产的混合信号单片机做主控芯片，其工作频率高达25MHz，速度单时钟周期；自带最多达24路200K的模数转换器；2路数模转换器。通讯方式分RS232串口和USB两种方式，便于用户选择。同时，其自带零点和满量程误差校正功能，用户可以随时调整模数、数模转换的精度，相关参数可永久保存；该控制卡在实验箱内，可由计算机选择输出阶跃波、速度波、加速度波信号，各种输出波形可随意设置其波形参数方便用户使用；实验箱外部嵌有LED灯和Fuse熔丝开关，防止其短路掉电；数字可调阻容箱，两路1K-999K可调电阻，一路1Uf-9Uf可调电容[1]。
图1.2 EL自控实验箱内部结构图
该自控实验箱包含十四个实验项目，分别是： 典型环节及其阶跃响应实验、二阶系统的阶跃响应实验、控制系统的稳定性分析实验、系统频率特性测量实验、连续系统串联校正实验、数字PID控制实验、状态反馈与状态观测器实验、解藕控制实验、采样定理验证实验、非线性环节实验、相轨迹实验、数据采集、离散系统稳定性分析、系统根轨迹特性测量。
该实验系统具有以下几个方面的特点 该系统采用典型环节模块化结构，所有模块化典型环节均可根据实验要求选择不同的参数与结构；实验系统软件支持WINDOWS操作平台，软件界面友好，参数修改设置方便；实验结果直观且观察方便，可使用软件中的自动游标测量和读数，亦可方便存储和打印，从而提高了实验效率；数字可调电阻电容，直观、准确、修改方便；独立支持“自控原理”的教学实验，还可扩展“计算机控制技术”实验；该系统配有完整的实验指导书，为教学提供了方便。
1.2 课题背景
EL-AT-III 型自控教学实验箱功能完善，典型环节嵌入丰富，实验项目多，能够提供用户进行各自所需的自控实验项目。它与EL-AT-II型自控实验箱的基本区别在于EL-AT-III型实验系统支持串口和USB两种通讯模式，方便用户进行选择，而EL-AT-II型实验箱则只能够支持串口通讯的模式，这是该实验箱的优势所在。可是在软件系统方面，相应于该实验箱的旧的实验软件系统无法在Windows XP操作系统下运行，而且存在数据获取不足或速度跟不上等问题，这将导致数据丢失、运行失效等通讯异常问题，处理过程复杂麻烦，严重的会导致系统瘫痪。因此，需要将软件系统重新设计。本文就这个问题展开以下研究内容，本文主要研究方向是基于Matlab Gui 界面的EL实验箱的软件系统设计。通俗来说，也就是利用Matlab Gui搭建一个软件系统平台，实现一个上位机的功能，对实验箱进行一系列相关的通信操作，包括数据的发送、数据的接收、信号的传输、波形的显示等。
然而，众所周知的是一般的人机交互界面是由Visual C++来完成的，它具有更为丰富的控件和强大的后台处理，可是Matlab Gui的操作便捷性和Matlab 本身所具有的的强大的绘图和计算功能对于本文的研究内容来说已经足够。而且，Matlab制作GUI界面十分简单易学，不需要掌握复杂的编程语言，不需要死记硬背大量的命令，取而代之的是可以通过窗口、菜单、按键等方式来方便的进行操作；而且，用户根据需求可自行设置颜色、字体、字形、尺寸等一系列属性，使界面符合审美，更为美观实用。与实验箱的通讯方式选择串口通讯模式，Matlab内嵌有专门的串口控件，通过一系列串口编程语言可对其进行串口打开、串口关闭、串口读写等相关操作，十分便捷，这便是Matlab的优势所在，不需用户自己建立串口，它自带的串口控件使用户方便对其进行相关的串口操作。一旦串口打开后，便可进行通信，实现数据的收发、信号的传输、波形的绘制，还可以与实验箱上的A/D和D/A模块、典型环节相对应，完成十四种实验项目的实施。
1.3 Matlab的软件介绍
1.3.1 在控制系统仿真方面
仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术、网络技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对真是的或设想的系统进行动态试验研究的一门学科综合性技术。控制系统仿真是系统仿真技术在控制领域里的应用。其重要作用可概括为以下几点[2]：
（1）在系统尚未建立之前利用仿真技术可以论证系统方案的正确性和可 行性，可以避免许多不必要的挫折并为系统设计打下扎实的基础。
（2）在系统设计过程中利用仿真技术可以帮助设计人员建立系统的模 型，进行模型验证与模型简化并进行最优化设计
（3）在系统建成后，利用仿真技术可以分析系统的工作状况，寻求系统改 进的途径，以及找出最佳运行参数，尤其对于复杂的控制系统， 要采用智能的高级控制算法，而每一种算法在建立前是不成 熟的，这就需要使用仿真技术改进算法，并进行优化设计。
在“自动控制原理”的课程中，会遇到许多原理抽象、计算复杂且繁琐以及绘图困难的问题，对这个方面的学习十分盲目和无助。但是Matlab工具的出现，解决了此类难题，那些繁琐的计算和抽象的数学问题变得简单明了，而且可以方便的绘制出图像，利用图像将抽象的控制原理文字形象化、生动化，变得一目了然，让学生用户很容易理解、明白。
基于Matlab的控制系统仿真实验与传统的控制系统模拟机实验相比，具有以下特点[3]：
（1）系统结构及参数改变灵活；
（2）建模及模型转换方便；
（3）图像显示直观、快速、准确；
（4）系统分析与设计更快速、便捷、结果更为准确
由此可见，Matlab更适合进行自动控制原理的实现。Matlab可以进行各种科学与工程技术计算，应用范围也越来越广。而且Matlab的函数命令简单高效，特别容易学习和方便的使用，绘制图像也是丰富多彩[4]。
1.3.2 在实时控制方面
实时控制，是指在系统规定的时间间隔内，调节或强制被控制对象完成预定的动作或响应的过程控制。通俗说来，即是以直接监督的工作方式，在工作进行的过程中便执行控制操作，同时修正行动，改正问题偏差，比如说飞机的订位系统，即是以一种实时监控的方式确定所订机位，第一时间得到订位数据，以便于对之后的数据进行变动操作[5]。
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