隨著計算機技術的普及,以計算機為核心的測試與控制系統(tǒng)得到廣泛應用。作為自動化專業(yè)本科專業(yè)必修課,“計算機測試與控制技術”是具有很強工程背景和自動化專業(yè)特色的應用技術課程。本書從工程應用的角度,全面論述計算機測控系統(tǒng)開發(fā)所涉及的基礎理論、設計方法及工程實現(xiàn),以培養(yǎng)學生應用計算機解決實際測控工程問題的能力。
本書將計算機測控系統(tǒng)所涉及的共性問題,如:測控系統(tǒng)接口技術、測控總線技術、常用測控算法、軟硬件抗干擾技術、測控系統(tǒng)的設計方法等歸納編輯成獨立章節(jié)進行講述,便于讀者根據(jù)實際工程需要有針對性地學習。獨立編寫計算機測試系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等相關章節(jié),能使讀者從技術層面和系統(tǒng)層面更全面了解計算機測控技術的全貌;對虛擬儀器與自動測試系統(tǒng)等計算機測控新技術進行了全面深入介紹。
計 算機測試與控制技術是傳感器、信號調(diào)理、微型計算機原理與接口、數(shù)字信號處理、控制理論等多學科理論與技術的綜合,涉及的理論問題較多,但本書的講解并不側(cè)重研究理論本身,而是根據(jù)編者的教學和實際工程實踐經(jīng)歷,將計算機測控一般性理論和方法與大量應用實例相結(jié)合,著重研究如何應用基礎理論解決實際計算機測控系統(tǒng)的工程問題。這不僅便于讀者理解掌握理論知識,也可為解決實際工程應用中的類似問題提供有益的參考。
本書共分8章。第1章緒論,主要介紹計算機測試系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)的組成、分類以及主要的應用情況。第2章微機測控系統(tǒng)常用總線,講述了測控系統(tǒng)涉及的常用計算機內(nèi)、外總線。第3章測控系統(tǒng)接口技術,講述測控系統(tǒng)中常用的人機接口、過程通道接口、傳感器接口和串行通信接口。第4章計算機控制技術,講述采用計算機實現(xiàn)順序控制、步進電機控制等開關量控制方法,以及計算機控制系統(tǒng)的模擬化設計方法、標準PID控制算法及其改進、PID控制算法的參數(shù)整定。第5章基于微型計算機的測試技術,講述計算機測試系統(tǒng)的組成及功能。采用計算機實現(xiàn)電壓、電流、時間、溫度、濕度等參數(shù)的測量原理及實現(xiàn)方法。第6章計算機測控系統(tǒng)常用算法,講述二進制定點/浮點計算、函數(shù)近似計算、標度變換方法、線性化計算、數(shù)據(jù)平滑算法、測量數(shù)據(jù)的微分/積分算法、校準與自檢等常用算法。第7章虛擬儀器技術與自動測試系統(tǒng),講述虛擬儀器的概念、各種儀器總線、測試應用軟件開發(fā)工具、自動測試系統(tǒng)設計、硬件/軟件設計等。第8章計算機測控系統(tǒng)抗干擾設計,講述抗干擾設計的基本概念、傳輸通道的抗干擾、接地技術、供電系統(tǒng)抗干擾、印制電路抗干擾及軟件的抗干擾設計等。第9章計算機測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn),講述了計算機測控系統(tǒng)的設計流程、常用設計方法、測控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)、總體方案設計、硬件/軟件設計及應用實例。
本書在內(nèi)容取材上立足工程應用,各章均附有大量軟、硬件應用實例,以加深讀者對正文內(nèi)容的理解,同時這些應用實例也可供讀者解決類似工程問題時作為參考。本書包括以51單片機及通用計算機構(gòu)成的各類測控系統(tǒng),這樣能夠較好地與先修課程及相關課程相互銜接。
全書由北京航空航天大學李行善教授主編和統(tǒng)稿,其中第1、2、3、5、6章由李行善教授編寫,第4、7、8、9章由北京航空航天大學于勁松副教授編寫。北京航空航天大學青年教師唐荻音博士和劉浩博士承擔了大量資料收集、整理和歸納工作,碩士研究生王帥、武耀、杜勝賢、冀歡歡、周毅、王浩然、石昊東、龔夢桐等同學參與了教材錄入和內(nèi)容校對等工作,在此深表謝意。
本書可作為自動化相關專業(yè)本科高年級教材,也可作為相關專業(yè)工程技術人員常用設計參考書。計算機測試與控制技術涉及的內(nèi)容廣泛且發(fā)展迅速,由于編者水平有限,若書中有錯誤和不妥之處,懇請讀者批評指正。在本教材編寫過程中,參考、引用了國內(nèi)外同行專家、學者的論著和教材的相關內(nèi)容,在此一一表示衷心感謝。多人參與收集、整理參考文獻,且時間跨度較長,如有遺漏敬請告知,再版一定補充更正。
作 者
2019年6月
第1章 緒 論/1
1.1 測試與控制技術的應用與發(fā)展/1
1.1.1 測試與控制技術的應用領域/1
1.1.2 計算機在測控系統(tǒng)中的應用與發(fā)展/2
1.2 計算機測試系統(tǒng)的組成和典型應用 /3
1.2.1 計算機測量系統(tǒng) / 3
1.2.2 智能儀器———微型計算機與測量儀器的有機結(jié)合 / 4
1.2.3 計算機過程測試系統(tǒng) // 5
1.2.4 計算機智能測試系統(tǒng) // 7
1.3 計算機控制系統(tǒng)的組成與典型應用 / 10
1.3.1 程序控制和順序控制系統(tǒng) /10
1.3.2 過程監(jiān)測與操作指導系統(tǒng) /10
1.3.3 計算機反饋控制系統(tǒng) / 11
1.3.4 計算機監(jiān)督控制系統(tǒng) / 12
1.3.5 集散型控制系統(tǒng) / 12
1.3.6 計算機控制網(wǎng)絡 /14
1.4 計算機測控系統(tǒng) /15
1.4.1 測控系統(tǒng)硬件組成/15
1.4.2 測控系統(tǒng)軟件 / 17
1.5 本書的內(nèi)容組織 /17
習題與思考題 /18
參考文獻 /18
第2章 微機測控系統(tǒng)常用總線 / 19
2.1 總線概述 / 19
2.1.1 總線的作用和分類// 19
2.1.2 系統(tǒng)總線上的數(shù)據(jù)傳輸 / 20
2.2 ISA總線和PC 104總線// 22
2.2.1 ISA總線 / 22
2.2.2 PC 104總線 / 27
2.3 PCI總線 / 28
2.3.1 PCI總線的特點和主要性能指標/ 28
2.3.2 PCI總線信號線/ 30
2.3.3 PCI總線命令 / 36
2.3.4 PCI總線上的數(shù)據(jù)傳輸過程 / 39
2.4 VME總線 / 42
2.4.1 VME總線引腳定義 // 43
2.4.2 VME總線系統(tǒng)的中斷響應過程 / 46
2.5 常用串行通信總線 / 47
2.5.1 串行通信概述 / 47
2.5.2 RS 232C總線 / 52
2.5.3 RS 422A和RS 485總線 /62
2.5.4 幾種串行總線的比較 /64
2.6 USB和IEEE 1394通用串行總線 /64
2.6.1 USB總線 /64
2.6.2 高性能串行總線IEEE 1394 /83
2.7 現(xiàn)場總線 / 84
2.7.1 現(xiàn)場總線的概念 / 84
2.7.2 幾種流行的現(xiàn)場總線 /87
2.7.3 現(xiàn)場總線的特點及發(fā)展趨勢 /90
習題與思考題 / 91
參考文獻 /92
第3章 測控系統(tǒng)接口技術 /93
3.1 接口的作用與分類 / 93
3.2 人機接口 / 94
3.2.1 鍵盤接口 /94
3.2.2 顯示器接口 /102
3.2.3 打印機接口 /112
3.2.4 鼠標器接口 / 117
3.2.5 觸摸屏及其接口 /119
3.3 過程通道接口/ 124
3.3.1 模擬量輸入通道 /124
3.3.2 模擬量輸出通道 /144
3.3.3 開關量輸入通道 /158
3.3.4 開關量輸出通道 / 162
3.4 傳感器接口 / 165
3.4.1 信號調(diào)理放大器 /165
3.4.2 傳感器接口的分類 /169
3.4.3 電阻式傳感器接口 / 170
3.4.4 變電抗式傳感器接口 /177
3.4.5 有源傳感器接口 / 184
3.4.6 數(shù)字式傳感器接口 /196
3.5 串行通信接口/ 202
3.5.1 8251A的內(nèi)部結(jié)構(gòu) / 202
3.5.2 8251A的編程命令 / 203
3.5.3 8251A應用舉例 /205
習題與思考題 / 208
參考文獻 / 209
第4章 計算機控制技術/ 210
4.1 計算機順序控制 / 210
4.2 步進電機控制/ 215
4.2.1 步進電機的控制原理 /215
4.2.2 步進電機與微型計算機的接口 / 216
4.2.3 步進電機的單片機控制 /217
4.2.4 步進電機步距角細分技術/223
4.3 計算機控制系統(tǒng)設計 / 225
4.3.1 模擬化設計的概念與進行步驟 / 225
4.3.2 模擬校正裝置的離散化方法 /228
4.3.3 數(shù)字校正裝置舉例 /232
4.3.4 典型環(huán)節(jié)的離散化 /235
4.4 PID控制算法及數(shù)字PID控制器 /237
4.4.1 基本PID算法 / 237
4.4.2 標準PID控制算法的改進 /244
4.4.3 PID控制器的參數(shù)整定/251
4.5 計算機控制系統(tǒng)應用實例 /256
4.5.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能 /257
4.5.2 硬件系統(tǒng)設計 / 257
4.5.3 控制算法及軟件設計 /259
習題與思考題 / 268
參考文獻 / 268
第5章 基于微型計算機的測試技術/ 269
5.1 概 述 / 269
5.1.1 測試與測試系統(tǒng) /269
5.1.2 采用微型計算機組建測試系統(tǒng)的優(yōu)點 / 270
5.1.3 過程測試系統(tǒng)與智能測試系統(tǒng) / 271
5.1.4 兩類測量系統(tǒng) / 272
5.2 計算機在測試系統(tǒng)中的作用 /275
5.2.1 組織和管理測試序列 /276
5.2.2 存儲程序、表格和常數(shù) /277
5.2.3 處理測量信號 / 278
5.2.4 實現(xiàn)自動校準 / 280
5.2.5 實現(xiàn)智能化的輸出顯示 /281
5.2.6 使測試系統(tǒng)的設計更加靈活 /281
5.2.7 使遠動控制更加方便 /282
5.3 以微型計算機為核心的測試系統(tǒng)舉例 / 282
5.3.1 以微型計算機為核心的數(shù)字多用表 / 282
5.3.2 飛機電纜自動檢測系統(tǒng) /283
5.3.3 內(nèi)燃機參數(shù)測試系統(tǒng) /289
5.4 采用微型計算機的電壓測量 //292
5.4.1 采用成品 A/D轉(zhuǎn)換器的直流電壓測量 / 293
5.4.2 用雙積分法測量直流電壓/297
5.4.3 用電荷平衡法測量直流電壓 /299
5.4.4 交流電壓的測量 / 302
5.5 采用微型計算機的電流測量 /305
5.5.1 兩種電流輸入型前置放大器 /306
5.5.2 用于檢測大電流的電流輸入前置放大器 / 307
5.5.3 與電流互感器配用的電流輸入前置放大器/ 308
5.6 采用微型計算機的時間參數(shù)測量 /311
5.6.1 采用微型計算機的頻率測量 /311
5.6.2 采用微型計算機的周期測量 /318
5.6.3 采用微型計算機的相位測量 /318
5.6.4 時間間隔及頻率比的測量/320
5.7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)/ 321
5.7.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及主要性能指標 / 321
5.7.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)舉例 / 327
5.8 微型計算機測試系統(tǒng)設計舉例/339
5.8.1 技術指標/ 339
5.8.2 確定測量方案及測量傳感器 /339
5.8.3 溫濕度測量儀硬件設計 /343
5.8.4 算法及軟件流程設計 /346
習題與思考題 / 351
參考文獻 / 351
第6章 計算機測控系統(tǒng)常用算法/353
6.1 算法概述 / 353
6.2 二進制定點數(shù)計算 / 354
6.2.1 數(shù)的定點表示法 / 354
6.2.2 定點二進制數(shù)的計算 /355
6.3 二進制浮點數(shù)的計算 / 358
6.3.1 浮點數(shù)表示法 / 358
6.3.2 浮點運算原理 / 360
6.3.3 二進制浮點數(shù)計算程序 /361
6.3.4 定點運算與浮點運算的比較 /362
6.4 常用函數(shù)的近似計算 / 363
6.4.1 平方根的計算 / 363
6.4.2 利用冪級數(shù)計算常用函數(shù)/364
6.4.3 利用曲線擬合法計算函數(shù)的近似值 / 365
6.5 標度變換方法/ 366
6.6 線性化技術 / 367
6.6.1 分段線性化 / 367
6.6.2 用微型計算機實現(xiàn)線性化處理 / 369
6.6.3 使用高次多項式的線性化/371
6.7 數(shù)據(jù)平滑算法/ 373
6.7.1 三點數(shù)據(jù)平均 / 373
6.7.2 五點三階多項式平滑 /373
6.8 測量數(shù)據(jù)的微分算法 / 376
6.8.1 微商算法/ 376
6.8.2 利用擬合三階多項式求導數(shù) /376
6.9 數(shù)值積分算法/ 377
6.9.1 矩形法 / 377
6.9.2 梯形法 / 378
6.9.3 拋物線法/ 379
6.9.4 三階多項式內(nèi)插法 / 380
6.9.5 牛頓 柯特斯公式/ 381
6.10 校準及自檢方法 / 382
6.10.1 測量通道的系統(tǒng)誤差及其校準 / 383
6.10.2 測控系統(tǒng)自檢方法 / 390
習題與思考題 / 397
參考文獻 / 397
第7章 虛擬儀器技術與自動測試系統(tǒng)/ 398
7.1 虛擬儀器 / 398
7.1.1 虛擬儀器的含義 / 398
7.1.2 虛擬儀器與傳統(tǒng)臺式儀器的區(qū)別 / 399
7.2 儀器總線標準/ 399
7.2.1 GPIB總線 / 400
7.2.2 VXI總線/ 406
7.2.3 PXI總線 / 409
7.2.4 LXI總線/ 416
7.2.5 常用儀器總線模塊的選擇與比較 / 423
7.3 儀器驅(qū)動器模型與實現(xiàn)機制 /426
7.3.1 基于 VPP模型的儀器驅(qū)動器 / 427
7.3.2 基于IVI模型的儀器驅(qū)動器 /433
7.4 測試應用軟件開發(fā)工具 / 438
7.4.1 LabVIEW / 439
7.4.2 LabWindows/CVI // 440
7.4.3 其他測試開發(fā)工具 / 442
7.5 自動測試系統(tǒng)設計 / 443
7.5.1 自動測試系統(tǒng)的概念與組成 /443
7.5.2 自動測試系統(tǒng)的應用范圍/445
7.5.3 自動測試系統(tǒng)的發(fā)展概況/446
7.5.4 自動測試系統(tǒng)總體設計 /448
7.6 自動測試系統(tǒng)硬件設計 / 450
7.6.1 硬件組成/ 450
7.6.2 硬件需求分析 / 451
7.6.3 測試資源選型 / 452
7.6.4 控制器選型 / 453
7.6.5 開關系統(tǒng)設計 / 453
7.6.6 測試系統(tǒng)信號接口的設計與實現(xiàn) / 459
7.7 自動測試系統(tǒng)軟件設計 / 463
7.7.1 測試系統(tǒng)軟件特征 / 463
7.7.2 測試系統(tǒng)軟件架構(gòu) / 464
7.7.3 測試軟件開發(fā)技術 / 468
習題與思考題 / 471
參考文獻 / 472
第8章 計算機測控系統(tǒng)抗干擾設計/ 473
8.1 干擾源及傳播途徑 / 473
8.1.1 干擾源的分類 / 473
8.1.2 干擾的耦合方式 / 475
8.1.3 干擾進入系統(tǒng)的模式 /481
8.2 傳輸通道的抗干擾措施 / 483
8.2.1 共模干擾的抑制 / 483
8.2.2 差模干擾的抑制 / 489
8.3 長線傳輸抗干擾措施 / 492
8.3.1 長線傳輸引入的干擾 /492
8.3.2 長線傳輸干擾的抑制 /494
8.4 接地技術 / 496
8.4.1 地線系統(tǒng)的分析 / 496
8.4.2 輸入通道的接地 / 498
8.4.3 主機系統(tǒng)的接地 / 499
8.4.4 交流地與信號地 / 499
8.4.5 數(shù)字地與模擬地 / 500
8.5 屏蔽技術 / 500
8.6 供電系統(tǒng)抗干擾設計 / 505
8.6.1 電源的干擾及抑制 / 505
8.6.2 供電系統(tǒng)的一般保護措施/506
8.6.3 電源異常的保護措施 /507
8.7 印刷電路板的抗干擾設計 /508
8.7.1 數(shù)字電路抗干擾設計 /508
8.7.2 模擬電路抗干擾設計 /509
8.7.3 電路抗干擾設計的其他問題 /510
8.8 軟件的抗干擾設計 / 511
8.8.1 數(shù)字濾波技術 / 511
8.8.2 開關量的軟件抗干擾技術/513
8.8.3 看門狗技術 / 513
8.8.4 指令冗余技術 / 516
8.8.5 軟件陷阱技術 / 517
習題與思考題 / 518
參考文獻 / 518
第9章 計算機測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)/ 519
9.1 概 述 / 519
9.1.1 計算機測控系統(tǒng)的一般構(gòu)成和設計原則 / 519
9.1.2 計算機測控系統(tǒng)的研制過程 /520
9.2 系統(tǒng)設計技術/ 522
9.2.1 規(guī)范化的設計技術 / 522
9.2.2 結(jié)構(gòu)化的設計技術 / 523
9.2.3 系統(tǒng)的功能規(guī)范 / 530
9.2.4 系統(tǒng)的總體方案設計 /532
9.3 系統(tǒng)硬件設計技術 / 538
9.3.1 選擇系統(tǒng)的總線和主機機型 /538
9.3.2 選擇輸入/輸出通道模板 /540
9.3.3 選擇傳感器和執(zhí)行機構(gòu) /540
9.3.4 輸入/輸出通道的信號調(diào)理 /542
9.4 系統(tǒng)軟件設計技術 / 542
9.4.1 測控系統(tǒng)應用軟件的研制過程 / 543
9.4.2 軟件設計技術 / 545
9.4.3 軟件開發(fā)工具 / 546
9.4.4 軟件調(diào)試技術 / 548
9.5 系統(tǒng)可靠性設計 / 549
9.5.1 可靠性的基本概念 / 549
9.5.2 故障來源/ 550
9.5.3 硬件可靠性設計 / 551
9.5.4 軟件可靠性設計 / 554
9.6 系統(tǒng)集成、調(diào)試與投入運行 /555
9.6.1 調(diào)試工具介紹 / 555
9.6.2 測控系統(tǒng)的調(diào)試 / 557
9.6.3 系統(tǒng)故障的檢測與調(diào)試 /559
9.7 計算機測控系統(tǒng)設計舉例 /561
習題與思考題 / 574
參考文獻 / 575
書單推薦
