隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及,以計(jì)算機(jī)為核心的測試與控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。作為自動(dòng)化專業(yè)本科專業(yè)必修課,“計(jì)算機(jī)測試與控制技術(shù)”是具有很強(qiáng)工程背景和自動(dòng)化專業(yè)特色的應(yīng)用技術(shù)課程。本書從工程應(yīng)用的角度,全面論述計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)開發(fā)所涉及的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法及工程實(shí)現(xiàn),以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際測控工程問題的能力。
本書將計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)所涉及的共性問題,如:測控系統(tǒng)接口技術(shù)、測控總線技術(shù)、常用測控算法、軟硬件抗干擾技術(shù)、測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法等歸納編輯成獨(dú)立章節(jié)進(jìn)行講述,便于讀者根據(jù)實(shí)際工程需要有針對性地學(xué)習(xí)。獨(dú)立編寫計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等相關(guān)章節(jié),能使讀者從技術(shù)層面和系統(tǒng)層面更全面了解計(jì)算機(jī)測控技術(shù)的全貌;對虛擬儀器與自動(dòng)測試系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)測控新技術(shù)進(jìn)行了全面深入介紹。
計(jì) 算機(jī)測試與控制技術(shù)是傳感器、信號調(diào)理、微型計(jì)算機(jī)原理與接口、數(shù)字信號處理、控制理論等多學(xué)科理論與技術(shù)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(xué)和實(shí)際工程實(shí)踐經(jīng)歷,將計(jì)算機(jī)測控一般性理論和方法與大量應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合,著重研究如何應(yīng)用基礎(chǔ)理論解決實(shí)際計(jì)算機(jī)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(shí)際工程應(yīng)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(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、分類以及主要的應(yīng)用情況。第2章微機(jī)測控系統(tǒng)常用總線,講述了測控系統(tǒng)涉及的常用計(jì)算機(jī)內(nèi)、外總線。第3章測控系統(tǒng)接口技術(shù),講述測控系統(tǒng)中常用的人機(jī)接口、過程通道接口、傳感器接口和串行通信接口。第4章計(jì)算機(jī)控制技術(shù),講述采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)順序控制、步進(jìn)電機(jī)控制等開關(guān)量控制方法,以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的模擬化設(shè)計(jì)方法、標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法及其改進(jìn)、PID控制算法的參數(shù)整定。第5章基于微型計(jì)算機(jī)的測試技術(shù),講述計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)的組成及功能。采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓、電流、時(shí)間、溫度、濕度等參數(shù)的測量原理及實(shí)現(xiàn)方法。第6章計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)常用算法,講述二進(jìn)制定點(diǎn)/浮點(diǎn)計(jì)算、函數(shù)近似計(jì)算、標(biāo)度變換方法、線性化計(jì)算、數(shù)據(jù)平滑算法、測量數(shù)據(jù)的微分/積分算法、校準(zhǔn)與自檢等常用算法。第7章虛擬儀器技術(shù)與自動(dòng)測試系統(tǒng),講述虛擬儀器的概念、各種儀器總線、測試應(yīng)用軟件開發(fā)工具、自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件/軟件設(shè)計(jì)等。第8章計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì),講述抗干擾設(shè)計(jì)的基本概念、傳輸通道的抗干擾、接地技術(shù)、供電系統(tǒng)抗干擾、印制電路抗干擾及軟件的抗干擾設(shè)計(jì)等。第9章計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),講述了計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、常用設(shè)計(jì)方法、測控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)、總體方案設(shè)計(jì)、硬件/軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例。
本書在內(nèi)容取材上立足工程應(yīng)用,各章均附有大量軟、硬件應(yīng)用實(shí)例,以加深讀者對正文內(nèi)容的理解,同時(shí)這些應(yīng)用實(shí)例也可供讀者解決類似工程問題時(shí)作為參考。本書包括以51單片機(jī)及通用計(jì)算機(jī)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(guān)課程相互銜接。
全書由北京航空航天大學(xué)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(xué)于勁松副教授編寫。北京航空航天大學(xué)青年教師唐荻音博士和劉浩博士承擔(dān)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(xué)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(dòng)化相關(guān)專業(yè)本科高年級教材,也可作為相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員常用設(shè)計(jì)參考書。計(jì)算機(jī)測試與控制技術(shù)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(cuò)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(xué)者的論著和教材的相關(guān)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(xiàn),且時(shí)間跨度較長,如有遺漏敬請告知,再版一定補(bǔ)充更正。
作 者
2019年6月
第1章 緒 論/1
1.1 測試與控制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展/1
1.1.1 測試與控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域/1
1.1.2 計(jì)算機(jī)在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展/2
1.2 計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)的組成和典型應(yīng)用 /3
1.2.1 計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng) / 3
1.2.2 智能儀器———微型計(jì)算機(jī)與測量儀器的有機(jī)結(jié)合 / 4
1.2.3 計(jì)算機(jī)過程測試系統(tǒng) // 5
1.2.4 計(jì)算機(jī)智能測試系統(tǒng) // 7
1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成與典型應(yīng)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(dǎo)系統(tǒng) /10
1.3.3 計(jì)算機(jī)反饋控制系統(tǒng) / 11
1.3.4 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò) /14
1.4 計(jì)算機(jī)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(xí)題與思考題 /18
參考文獻(xiàn) /18
第2章 微機(jī)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(diǎn)和主要性能指標(biāo)/ 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(yīng)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(diǎn)及發(fā)展趨勢 /90
習(xí)題與思考題 / 91
參考文獻(xiàn) /92
第3章 測控系統(tǒng)接口技術(shù) /93
3.1 接口的作用與分類 / 93
3.2 人機(jī)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(jī)接口 /112
3.2.4 鼠標(biāo)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(guān)量輸入通道 /158
3.3.4 開關(guān)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(yīng)用舉例 /205
習(xí)題與思考題 / 208
參考文獻(xiàn) / 209
第4章 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)/ 210
4.1 計(jì)算機(jī)順序控制 / 210
4.2 步進(jìn)電機(jī)控制/ 215
4.2.1 步進(jìn)電機(jī)的控制原理 /215
4.2.2 步進(jìn)電機(jī)與微型計(jì)算機(jī)的接口 / 216
4.2.3 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 /217
4.2.4 步進(jìn)電機(jī)步距角細(xì)分技術(shù)/223
4.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) / 225
4.3.1 模擬化設(shè)計(jì)的概念與進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)PID控制算法的改進(jìn) /244
4.4.3 PID控制器的參數(shù)整定/251
4.5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)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(shè)計(jì) / 257
4.5.3 控制算法及軟件設(shè)計(jì) /259
習(xí)題與思考題 / 268
參考文獻(xiàn) / 268
第5章 基于微型計(jì)算機(jī)的測試技術(shù)/ 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(jì)算機(jī)組建測試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) / 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(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn) / 280
5.2.5 實(shí)現(xiàn)智能化的輸出顯示 /281
5.2.6 使測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活 /281
5.2.7 使遠(yuǎn)動(dòng)控制更加方便 /282
5.3 以微型計(jì)算機(jī)為核心的測試系統(tǒng)舉例 / 282
5.3.1 以微型計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字多用表 / 282
5.3.2 飛機(jī)電纜自動(dòng)檢測系統(tǒng) /283
5.3.3 內(nèi)燃機(jī)參數(shù)測試系統(tǒng) /289
5.4 采用微型計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的時(shí)間參數(shù)測量 /311
5.6.1 采用微型計(jì)算機(jī)的頻率測量 /311
5.6.2 采用微型計(jì)算機(jī)的周期測量 /318
5.6.3 采用微型計(jì)算機(jī)的相位測量 /318
5.6.4 時(shí)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(biāo) / 321
5.7.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)舉例 / 327
5.8 微型計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例/339
5.8.1 技術(shù)指標(biāo)/ 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(shè)計(jì) /343
5.8.4 算法及軟件流程設(shè)計(jì) /346
習(xí)題與思考題 / 351
參考文獻(xiàn) / 351
第6章 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)常用算法/353
6.1 算法概述 / 353
6.2 二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)計(jì)算 / 354
6.2.1 數(shù)的定點(diǎn)表示法 / 354
6.2.2 定點(diǎn)二進(jìn)制數(shù)的計(jì)算 /355
6.3 二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)的計(jì)算 / 358
6.3.1 浮點(diǎn)數(shù)表示法 / 358
6.3.2 浮點(diǎn)運(yùn)算原理 / 360
6.3.3 二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算程序 /361
6.3.4 定點(diǎn)運(yùn)算與浮點(diǎn)運(yùn)算的比較 /362
6.4 常用函數(shù)的近似計(jì)算 / 363
6.4.1 平方根的計(jì)算 / 363
6.4.2 利用冪級數(shù)計(jì)算常用函數(shù)/364
6.4.3 利用曲線擬合法計(jì)算函數(shù)的近似值 / 365
6.5 標(biāo)度變換方法/ 366
6.6 線性化技術(shù) / 367
6.6.1 分段線性化 / 367
6.6.2 用微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)線性化處理 / 369
6.6.3 使用高次多項(xiàng)式的線性化/371
6.7 數(shù)據(jù)平滑算法/ 373
6.7.1 三點(diǎn)數(shù)據(jù)平均 / 373
6.7.2 五點(diǎn)三階多項(xiàng)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(xiàng)式求導(dǎo)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(xiàng)式內(nèi)插法 / 380
6.9.5 牛頓 柯特斯公式/ 381
6.10 校準(zhǔn)及自檢方法 / 382
6.10.1 測量通道的系統(tǒng)誤差及其校準(zhǔn) / 383
6.10.2 測控系統(tǒng)自檢方法 / 390
習(xí)題與思考題 / 397
參考文獻(xiàn) / 397
第7章 虛擬儀器技術(shù)與自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)/ 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(dòng)器模型與實(shí)現(xiàn)機(jī)制 /426
7.3.1 基于 VPP模型的儀器驅(qū)動(dòng)器 / 427
7.3.2 基于IVI模型的儀器驅(qū)動(dòng)器 /433
7.4 測試應(yīng)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(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì) / 443
7.5.1 自動(dòng)測試系統(tǒng)的概念與組成 /443
7.5.2 自動(dòng)測試系統(tǒng)的應(yīng)用范圍/445
7.5.3 自動(dòng)測試系統(tǒng)的發(fā)展概況/446
7.5.4 自動(dòng)測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) /448
7.6 自動(dòng)測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) / 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(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì) / 453
7.6.6 測試系統(tǒng)信號接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) / 459
7.7 自動(dòng)測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) / 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(shù) / 468
習(xí)題與思考題 / 471
參考文獻(xiàn) / 472
第8章 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)/ 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(jìn)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(shù) / 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(jī)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(shù) / 500
8.6 供電系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì) / 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(hù)措施/506
8.6.3 電源異常的保護(hù)措施 /507
8.7 印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì) /508
8.7.1 數(shù)字電路抗干擾設(shè)計(jì) /508
8.7.2 模擬電路抗干擾設(shè)計(jì) /509
8.7.3 電路抗干擾設(shè)計(jì)的其他問題 /510
8.8 軟件的抗干擾設(shè)計(jì) / 511
8.8.1 數(shù)字濾波技術(shù) / 511
8.8.2 開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)/513
8.8.3 看門狗技術(shù) / 513
8.8.4 指令冗余技術(shù) / 516
8.8.5 軟件陷阱技術(shù) / 517
習(xí)題與思考題 / 518
參考文獻(xiàn) / 518
第9章 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)/ 519
9.1 概 述 / 519
9.1.1 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的一般構(gòu)成和設(shè)計(jì)原則 / 519
9.1.2 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的研制過程 /520
9.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)/ 522
9.2.1 規(guī)范化的設(shè)計(jì)技術(shù) / 522
9.2.2 結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)技術(shù) / 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(shè)計(jì) /532
9.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)技術(shù) / 538
9.3.1 選擇系統(tǒng)的總線和主機(jī)機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)技術(shù) / 542
9.4.1 測控系統(tǒng)應(yīng)用軟件的研制過程 / 543
9.4.2 軟件設(shè)計(jì)技術(shù) / 545
9.4.3 軟件開發(fā)工具 / 546
9.4.4 軟件調(diào)試技術(shù) / 548
9.5 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) / 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(shè)計(jì) / 551
9.5.4 軟件可靠性設(shè)計(jì) / 554
9.6 系統(tǒng)集成、調(diào)試與投入運(yùn)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(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 /561
習(xí)題與思考題 / 574
參考文獻(xiàn) / 575
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