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通用智能测控仪表开放式实验平台应用手册

中原工学院自动化系

2015.04

前言

智能测控仪表在工农业生产中应用非常广泛。在具体应用时，往往以智能测控仪表为

核心，针对不同控制系统对应的被控物理量，配置相应的检测变送装置与执行机构，就可

以构成最基本的计算机控制系统。目前高校中，自动化、电气自动化、测控技术与仪器等

专业相关实验室里许多实验装置都采用智能测控仪表作为核心控制部件。学生做实验时，

往往采用实验装置配套的现成实验平台与系统程序，按照实验指导书给出方法接线后在应

用界面上输入有关参数，运行后就可以获得不同的实验数据。这种实验方法对于相关课程

学习来讲，可以从感性认识层面在一定程度上对学生起到帮助作用，但是，由于实验装置

对学生不够透明，无论硬件还是软件平台对学生均不开放，不能发挥学生的主观能动性，

学生不能在实验过程中按照自己的思想改变实验方法，不能进行设计型实验，因而具有局

限性。因此，设计一种可以让学生有更多参与性的开放式实验平台很有必要。

开放式实验平台应该满足三点基本要求：首先是硬件平台对学生透明，所有设计用到

的文档包括电路原理图、工作原理分析、所用关键元器件对应的技术资料等一应俱全，以

方便学生分析电路使用；其次是要有基本的软件平台，包括软件功能描述、程序结构与流

程图、具体程序及必要的注释，方便学生阅读基本程序；最后是要有开放式实验平台的使

用说明，供学生刚开始用实验平台做实验时使用。另外，硬件设计应该预留部分系统扩展

接口，以方便特殊用途。

基于上述基本要求，在具体设计过程中，平台各部分选择应该考虑与专业课程设置的

衔接性，以方便学生在使用实验平台过程中可以运用已经学习的知识尽快地了解与掌握其

使用方法，提高学习效率，最大程度上发挥平台的优势，增强对学生的训练效果。

智能测控仪表核心是计算机，其类型可以是微控制器、可编程控制器、工控机等。兼

顾实际应用与教学两方面需要，本设计选择微控制器作为核心部件搭建开放式实验平台，

硬件平台设计依据是工业产品。设计出发点是将产品透明化，即：剖析每一模块对应的功

能及原理电路，并提供相应的模块测试程序。

设计这样一种开放式实验平台的目的是尽可能发挥实践环节的优势，让学生在有限的

时间内受益最大化，同时也可以提高实验设备利用率。开放式实验平台首先可以用于相关

课程的基础实验，只要按照提供的开放式实验平台使用说明书操作就可以完成。当然这不

是主要的目的，开放平台的重要作用体现在课程设计环节与毕业设计环节。由于实验平台

的透明性，学生可以在较短的时间内理解与掌握一种相对复杂的系统的设计思想与设计过

程，通过对系统的剖析，还可以在此基础上加入自己的想法并加以实现，这个过程无疑会

对学生分析问题解决问题的能力培养起到重要的作用。

目 录
目 录
开放式实验平台介绍................................................................................................................. 1
1 开放式实验平台组成....................................................................................................... 1
2 元件布置与 I/O 位置图.................................................................................................... 1
3 开放式实验平台功能与使用方法................................................................................... 2
3.1 模块功能简介........................................................................................................ 2
3.2 平台使用方法...................................................................................................... 10
开放式实验平台应用软件环境及程序安装............................................................................. 11
1 KEIL C 软件安装方法...................................................................................................... 11
2 ISP 下载线软件安装方法............................................................................................... 13
3 下位机应用实验过程..................................................................................................... 17
基本功能模块实验例程............................................................................................................ 19
1 键盘与数码显示基本实验............................................................................................. 19
1.1 实验要求.............................................................................................................. 19
1.2 键盘显示电路及分析.......................................................................................... 19
1.3 程序结构及具体程序.......................................................................................... 20
1.4 实验步骤.............................................................................................................. 20
2 A/D 采集显示基本实验.................................................................................................. 20
2.1 实验要求.............................................................................................................. 20
2.2 A/D 电路及分析................................................................................................... 20
2.3 程序结构及具体程序.......................................................................................... 20
2.4 实验步骤.............................................................................................................. 20
3 D/A 输出与显示基本实验.............................................................................................. 21
3.1 实验要求.............................................................................................................. 21
3.2 D/A 电路及分析................................................................................................... 21
3.3 程序结构及具体程序.......................................................................................... 22
3.4 实验步骤.............................................................................................................. 22
4 参数设置与运行显示基本实验..................................................................................... 23
4.1 实验要求.............................................................................................................. 23
4.2 存储器电路及分析.............................................................................................. 23
4.3 程序结构及具体程序.......................................................................................... 23
4.4 实验步骤.............................................................................................................. 23
5 串行通讯基本实验......................................................................................................... 23
5.1 实验要求.............................................................................................................. 23
5.2 串行通讯电路及分析.......................................................................................... 24
5.3 程序结构及具体程序.......................................................................................... 24
5.4 实验步骤.............................................................................................................. 24
6 液晶显示基本实验......................................................................................................... 25
6.1 实验要求.............................................................................................................. 25
6.2 液晶显示电路及分析.......................................................................................... 25
6.3 程序结构及具体程序.......................................................................................... 25
I

目 录
6.4 实验步骤.............................................................................................................. 25
综合实验例程........................................................................................................................... 26
1 标度变换与数据采集显示实验..................................................................................... 26
1.1 实验要求.............................................................................................................. 26
1.2 程序结构及具体程序.......................................................................................... 26
1.3 实验步骤.............................................................................................................. 26
1.4 实验结果及分析.................................................................................................. 26
2 数据采集与超限报警实验............................................................................................. 26
2.1 实验要求.............................................................................................................. 26
2.2 程序结构及具体程序.......................................................................................... 27
2.3 实验步骤.............................................................................................................. 27
2.4 实验结果及分析.................................................................................................. 27
3 数字 PID 基本运算实验.................................................................................................. 27
3.1 实验要求.............................................................................................................. 27
3.2 程序结构及具体程序.......................................................................................... 27
3.3 实验步骤.............................................................................................................. 27
3.4 实验结果及分析.................................................................................................. 27
两级计算机系统实验例程........................................................................................................ 29
1 系统结构与工作模式介绍............................................................................................. 29
2 上位计算机软件环境及程序安装................................................................................. 29
3 两级计算机系统通信基本实验..................................................................................... 34
3.1 串行通信软件在实验平台上应用简介............................................................... 34
3.2 通讯协议及 USB 通讯方式简介.......................................................................... 34
3.3 两级计算机数据传送基本实验........................................................................... 36
3.4 程序结构及具体程序.......................................................................................... 36
3.5 实验结果及分析.................................................................................................. 36
4 以下位机为主控模式的数据采集显示实验.................................................................. 36
4.1 实验要求.............................................................................................................. 36
4.2 通讯协议.............................................................................................................. 37
4.3 下位机程序结构及具体程序.............................................................................. 37
4.4 上位机程序结构及具体程序.............................................................................. 37
4.5 实验步骤.............................................................................................................. 37
4.6 实验结果及分析.................................................................................................. 37
5 以上位机为主控模式的数据采集显示实验.................................................................. 38
5.1 实验要求.............................................................................................................. 38
5.2 通讯协议.............................................................................................................. 38
5.3 上位机程序结构及具体程序.............................................................................. 38
5.4 下位机程序结构及具体程序.............................................................................. 38
5.5 实验步骤.............................................................................................................. 38
5.6 实验结果及分析.................................................................................................. 39
6 分布式计算机控制系统基本实验................................................................................. 39
6.1 实验要求.............................................................................................................. 39
6.2 通讯协议.............................................................................................................. 39
6.3 下位机程序结构及具体程序.............................................................................. 39
II

目 录
6.4 上位机程序结构及具体程序.............................................................................. 39
6.5 实验步骤.............................................................................................................. 39
6.6 实验结果及分析.................................................................................................. 40
开放式实验平台工程应用实例................................................................................................ 41
1 示例通用控制程序......................................................................................................... 41
1.1 通讯协议.............................................................................................................. 41
1.1 下位机程序结构及具体程序.............................................................................. 41
1.1 上位机程序结构及具体程序.............................................................................. 43
2 水箱液位控制................................................................................................................ 43
2.1 实验要求.............................................................................................................. 43
2.2 实验步骤.............................................................................................................. 43
2.3 实验结果及分析.................................................................................................. 44
3 铝板温度控制................................................................................................................ 44
3.1 实验要求.............................................................................................................. 44
3.2 实验步骤.............................................................................................................. 44
3.3 实验结果及分析.................................................................................................. 44
III