计算机测试与控制技术

随着计算机技术的普及,以计算机为核心的测试与控制系统得到广泛应用。作为自动化专业本科专业必修课,“计算机测试与控制技术”是具有很强工程背景和自动化专业特色的应用技术课程。本书从工程应用的角度,全面论述计算机测控系统开发所涉及的基础理论、设计方法及工程实现,以培养学生应用计算机解决实际测控工程问题的能力。

本书将计算机测控系统所涉及的共性问题,如:测控系统接口技术、测控总线技术、常用测控算法、软硬件抗干扰技术、测控系统的设计方法等归纳编辑成独立章节进行讲述,便于读者根据实际工程需要有针对性地学习。独立编写计算机测试系统、计算机控制系统等相关章节,能使读者从技术层面和系统层面更全面了解计算机测控技术的全貌;对虚拟仪器与自动测试系统等计算机测控新技术进行了全面深入介绍。

计 算机测试与控制技术是传感器、信号调理、微型计算机原理与接口、数字信号处理、控制理论等多学科理论与技术的综合,涉及的理论问题较多,但本书的讲解并不侧重研究理论本身,而是根据编者的教学和实际工程实践经历,将计算机测控一般性理论和方法与大量应用实例相结合,着重研究如何应用基础理论解决实际计算机测控系统的工程问题。这不仅便于读者理解掌握理论知识,也可为解决实际工程应用中的类似问题提供有益的参考。

本书共分8章。第1章绪论,主要介绍计算机测试系统和计算机控制系统的组成、分类以及主要的应用情况。第2章微机测控系统常用总线,讲述了测控系统涉及的常用计算机内、外总线。第3章测控系统接口技术,讲述测控系统中常用的人机接口、过程通道接口、传感器接口和串行通信接口。第4章计算机控制技术,讲述采用计算机实现顺序控制、步进电机控制等开关量控制方法,以及计算机控制系统的模拟化设计方法、标准PID控制算法及其改进、PID控制算法的参数整定。第5章基于微型计算机的测试技术,讲述计算机测试系统的组成及功能。采用计算机实现电压、电流、时间、温度、湿度等参数的测量原理及实现方法。第6章计算机测控系统常用算法,讲述二进制定点/浮点计算、函数近似计算、标度变换方法、线性化计算、数据平滑算法、测量数据的微分/积分算法、校准与自检等常用算法。第7章虚拟仪器技术与自动测试系统,讲述虚拟仪器的概念、各种仪器总线、测试应用软件开发工具、自动测试系统设计、硬件/软件设计等。第8章计算机测控系统抗干扰设计,讲述抗干扰设计的基本概念、传输通道的抗干扰、接地技术、供电系统抗干扰、印制电路抗干扰及软件的抗干扰设计等。第9章计算机测控系统的设计与实现,讲述了计算机测控系统的设计流程、常用设计方法、测控系统软件结构、总体方案设计、硬件/软件设计及应用实例。

本书在内容取材上立足工程应用,各章均附有大量软、硬件应用实例,以加深读者对正文内容的理解,同时这些应用实例也可供读者解决类似工程问题时作为参考。本书包括以51单片机及通用计算机构成的各类测控系统,这样能够较好地与先修课程及相关课程相互衔接。

全书由北京航空航天大学李行善教授主编和统稿,其中第1、2、3、5、6章由李行善教授编写,第4、7、8、9章由北京航空航天大学于劲松副教授编写。北京航空航天大学青年教师唐荻音博士和刘浩博士承担了大量资料收集、整理和归纳工作,硕士研究生王帅、武耀、杜胜贤、冀欢欢、周毅、王浩然、石昊东、龚梦桐等同学参与了教材录入和内容校对等工作,在此深表谢意。

本书可作为自动化相关专业本科高年级教材,也可作为相关专业工程技术人员常用设计参考书。计算机测试与控制技术涉及的内容广泛且发展迅速,由于编者水平有限,若书中有错误和不妥之处,恳请读者批评指正。在本教材编写过程中,参考、引用了国内外同行专家、学者的论著和教材的相关内容,在此一一表示衷心感谢。多人参与收集、整理参考文献,且时间跨度较长,如有遗漏敬请告知,再版一定补充更正。

作 者

2019年6月

“计算机测试与控制技术”综合了传感器、信号调理、微型计算机原理与接口、数字信号处理、控制理论、模式识别等多学科理论与技术,是一门具有较强工程应用背景的专业课程。本书从工程应用的角度研究计算机测试与控制所涉及的理论与方法,使读者全面、系统地了解和掌握计算机测控工程系统的设计与实现方法。本书将计算机测控系统所涉及的共性问题,如计算机接口技术、测控总线技术、常用测控算法、软硬件抗干扰技术、测控系统的设计方法等归纳编写成独立章节进行讲述,便于读者根据实际工程需要有针对性地学习。

本书将计算机测试与控制一般性理论和方法的讲述与大量应用实例相结合,不仅便于读者理解掌握理论知识,也可为解决实际工程应用中类似问题提供有益的参考。本书可作为自动化等相关专业的本科高年级教材,也可作为相关专业工程技术人员的常用设计参考书。

李行善 北京航空航天大学教授 博士生导师，出版专著1部（《自动测试系统集成技术》，教材1本（《计算机测试与控制》，研究领域为计算机测试与控制技术、虚拟仪器与自动测试系统、智能诊断、预测与综合健康管理

于劲松 北京航空航天大学副教授、硕士生导师，参与专著编写1部（《自动测试系统集成技术》，研究领域为虚拟仪器与自动测试系统、智能信息处理、故障诊断、预测与综合健康管理等。

第1章 绪 论/1
1.1 测试与控制技术的应用与发展/1
1.1.1 测试与控制技术的应用领域/1
1.1.2 计算机在测控系统中的应用与发展/2
1.2 计算机测试系统的组成和典型应用 /3
1.2.1 计算机测量系统 / 3
1.2.2 智能仪器———微型计算机与测量仪器的有机结合 / 4
1.2.3 计算机过程测试系统 // 5
1.2.4 计算机智能测试系统 // 7
1.3 计算机控制系统的组成与典型应用 / 10
1.3.1 程序控制和顺序控制系统 /10
1.3.2 过程监测与操作指导系统 /10
1.3.3 计算机反馈控制系统 / 11
1.3.4 计算机监督控制系统 / 12
1.3.5 集散型控制系统 / 12
1.3.6 计算机控制网络 /14
1.4 计算机测控系统 /15
1.4.1 测控系统硬件组成/15
1.4.2 测控系统软件 / 17
1.5 本书的内容组织 /17
习题与思考题 /18
参考文献 /18
第2章 微机测控系统常用总线 / 19
2.1 总线概述 / 19
2.1.1 总线的作用和分类// 19
2.1.2 系统总线上的数据传输 / 20
2.2 ISA总线和PC 104总线// 22
2.2.1 ISA总线 / 22
2.2.2 PC 104总线 / 27
2.3 PCI总线 / 28
2.3.1 PCI总线的特点和主要性能指标/ 28
2.3.2 PCI总线信号线/ 30
2.3.3 PCI总线命令 / 36
2.3.4 PCI总线上的数据传输过程 / 39
2.4 VME总线 / 42
2.4.1 VME总线引脚定义 // 43
2.4.2 VME总线系统的中断响应过程 / 46
2.5 常用串行通信总线 / 47
2.5.1 串行通信概述 / 47
2.5.2 RS 232C总线 / 52
2.5.3 RS 422A和RS 485总线 /62
2.5.4 几种串行总线的比较 /64
2.6 USB和IEEE 1394通用串行总线 /64
2.6.1 USB总线 /64
2.6.2 高性能串行总线IEEE 1394 /83
2.7 现场总线 / 84
2.7.1 现场总线的概念 / 84
2.7.2 几种流行的现场总线 /87
2.7.3 现场总线的特点及发展趋势 /90
习题与思考题 / 91
参考文献 /92
第3章 测控系统接口技术 /93
3.1 接口的作用与分类 / 93
3.2 人机接口 / 94
3.2.1 键盘接口 /94
3.2.2 显示器接口 /102
3.2.3 打印机接口 /112
3.2.4 鼠标器接口 / 117
3.2.5 触摸屏及其接口 /119
3.3 过程通道接口/ 124
3.3.1 模拟量输入通道 /124
3.3.2 模拟量输出通道 /144
3.3.3 开关量输入通道 /158
3.3.4 开关量输出通道 / 162
3.4 传感器接口 / 165
3.4.1 信号调理放大器 /165
3.4.2 传感器接口的分类 /169
3.4.3 电阻式传感器接口 / 170
3.4.4 变电抗式传感器接口 /177
3.4.5 有源传感器接口 / 184
3.4.6 数字式传感器接口 /196
3.5 串行通信接口/ 202
3.5.1 8251A的内部结构 / 202
3.5.2 8251A的编程命令 / 203
3.5.3 8251A应用举例 /205
习题与思考题 / 208
参考文献 / 209
第4章 计算机控制技术/ 210
4.1 计算机顺序控制 / 210
4.2 步进电机控制/ 215
4.2.1 步进电机的控制原理 /215
4.2.2 步进电机与微型计算机的接口 / 216
4.2.3 步进电机的单片机控制 /217
4.2.4 步进电机步距角细分技术/223
4.3 计算机控制系统设计 / 225
4.3.1 模拟化设计的概念与进行步骤 / 225
4.3.2 模拟校正装置的离散化方法 /228
4.3.3 数字校正装置举例 /232
4.3.4 典型环节的离散化 /235
4.4 PID控制算法及数字PID控制器 /237
4.4.1 基本PID算法 / 237
4.4.2 标准PID控制算法的改进 /244
4.4.3 PID控制器的参数整定/251
4.5 计算机控制系统应用实例 /256
4.5.1 系统总体结构及功能 /257
4.5.2 硬件系统设计 / 257
4.5.3 控制算法及软件设计 /259
习题与思考题 / 268
参考文献 / 268
第5章 基于微型计算机的测试技术/ 269
5.1 概 述 / 269
5.1.1 测试与测试系统 /269
5.1.2 采用微型计算机组建测试系统的优点 / 270
5.1.3 过程测试系统与智能测试系统 / 271
5.1.4 两类测量系统 / 272
5.2 计算机在测试系统中的作用 /275
5.2.1 组织和管理测试序列 /276
5.2.2 存储程序、表格和常数 /277
5.2.3 处理测量信号 / 278
5.2.4 实现自动校准 / 280
5.2.5 实现智能化的输出显示 /281
5.2.6 使测试系统的设计更加灵活 /281
5.2.7 使远动控制更加方便 /282
5.3 以微型计算机为核心的测试系统举例 / 282
5.3.1 以微型计算机为核心的数字多用表 / 282
5.3.2 飞机电缆自动检测系统 /283
5.3.3 内燃机参数测试系统 /289
5.4 采用微型计算机的电压测量 //292
5.4.1 采用成品 A/D转换器的直流电压测量 / 293
5.4.2 用双积分法测量直流电压/297
5.4.3 用电荷平衡法测量直流电压 /299
5.4.4 交流电压的测量 / 302
5.5 采用微型计算机的电流测量 /305
5.5.1 两种电流输入型前置放大器 /306
5.5.2 用于检测大电流的电流输入前置放大器 / 307
5.5.3 与电流互感器配用的电流输入前置放大器/ 308
5.6 采用微型计算机的时间参数测量 /311
5.6.1 采用微型计算机的频率测量 /311
5.6.2 采用微型计算机的周期测量 /318
5.6.3 采用微型计算机的相位测量 /318
5.6.4 时间间隔及频率比的测量/320
5.7 数据采集系统/ 321
5.7.1 数据采集系统的组成及主要性能指标 / 321
5.7.2 数据采集系统举例 / 327
5.8 微型计算机测试系统设计举例/339
5.8.1 技术指标/ 339
5.8.2 确定测量方案及测量传感器 /339
5.8.3 温湿度测量仪硬件设计 /343
5.8.4 算法及软件流程设计 /346
习题与思考题 / 351
参考文献 / 351
第6章 计算机测控系统常用算法/353
6.1 算法概述 / 353
6.2 二进制定点数计算 / 354
6.2.1 数的定点表示法 / 354
6.2.2 定点二进制数的计算 /355
6.3 二进制浮点数的计算 / 358
6.3.1 浮点数表示法 / 358
6.3.2 浮点运算原理 / 360
6.3.3 二进制浮点数计算程序 /361
6.3.4 定点运算与浮点运算的比较 /362
6.4 常用函数的近似计算 / 363
6.4.1 平方根的计算 / 363
6.4.2 利用幂级数计算常用函数/364
6.4.3 利用曲线拟合法计算函数的近似值 / 365
6.5 标度变换方法/ 366
6.6 线性化技术 / 367
6.6.1 分段线性化 / 367
6.6.2 用微型计算机实现线性化处理 / 369
6.6.3 使用高次多项式的线性化/371
6.7 数据平滑算法/ 373
6.7.1 三点数据平均 / 373
6.7.2 五点三阶多项式平滑 /373
6.8 测量数据的微分算法 / 376
6.8.1 微商算法/ 376
6.8.2 利用拟合三阶多项式求导数 /376
6.9 数值积分算法/ 377
6.9.1 矩形法 / 377
6.9.2 梯形法 / 378
6.9.3 抛物线法/ 379
6.9.4 三阶多项式内插法 / 380
6.9.5 牛顿 柯特斯公式/ 381
6.10 校准及自检方法 / 382
6.10.1 测量通道的系统误差及其校准 / 383
6.10.2 测控系统自检方法 / 390
习题与思考题 / 397
参考文献 / 397
第7章 虚拟仪器技术与自动测试系统/ 398
7.1 虚拟仪器 / 398
7.1.1 虚拟仪器的含义 / 398
7.1.2 虚拟仪器与传统台式仪器的区别 / 399
7.2 仪器总线标准/ 399
7.2.1 GPIB总线 / 400
7.2.2 VXI总线/ 406
7.2.3 PXI总线 / 409
7.2.4 LXI总线/ 416
7.2.5 常用仪器总线模块的选择与比较 / 423
7.3 仪器驱动器模型与实现机制 /426
7.3.1 基于 VPP模型的仪器驱动器 / 427
7.3.2 基于IVI模型的仪器驱动器 /433
7.4 测试应用软件开发工具 / 438
7.4.1 LabVIEW / 439
7.4.2 LabWindows/CVI // 440
7.4.3 其他测试开发工具 / 442
7.5 自动测试系统设计 / 443
7.5.1 自动测试系统的概念与组成 /443
7.5.2 自动测试系统的应用范围/445
7.5.3 自动测试系统的发展概况/446
7.5.4 自动测试系统总体设计 /448
7.6 自动测试系统硬件设计 / 450
7.6.1 硬件组成/ 450
7.6.2 硬件需求分析 / 451
7.6.3 测试资源选型 / 452
7.6.4 控制器选型 / 453
7.6.5 开关系统设计 / 453
7.6.6 测试系统信号接口的设计与实现 / 459
7.7 自动测试系统软件设计 / 463
7.7.1 测试系统软件特征 / 463
7.7.2 测试系统软件架构 / 464
7.7.3 测试软件开发技术 / 468
习题与思考题 / 471
参考文献 / 472
第8章 计算机测控系统抗干扰设计/ 473
8.1 干扰源及传播途径 / 473
8.1.1 干扰源的分类 / 473
8.1.2 干扰的耦合方式 / 475
8.1.3 干扰进入系统的模式 /481
8.2 传输通道的抗干扰措施 / 483
8.2.1 共模干扰的抑制 / 483
8.2.2 差模干扰的抑制 / 489
8.3 长线传输抗干扰措施 / 492
8.3.1 长线传输引入的干扰 /492
8.3.2 长线传输干扰的抑制 /494
8.4 接地技术 / 496
8.4.1 地线系统的分析 / 496
8.4.2 输入通道的接地 / 498
8.4.3 主机系统的接地 / 499
8.4.4 交流地与信号地 / 499
8.4.5 数字地与模拟地 / 500
8.5 屏蔽技术 / 500
8.6 供电系统抗干扰设计 / 505
8.6.1 电源的干扰及抑制 / 505
8.6.2 供电系统的一般保护措施/506
8.6.3 电源异常的保护措施 /507
8.7 印刷电路板的抗干扰设计 /508
8.7.1 数字电路抗干扰设计 /508
8.7.2 模拟电路抗干扰设计 /509
8.7.3 电路抗干扰设计的其他问题 /510
8.8 软件的抗干扰设计 / 511
8.8.1 数字滤波技术 / 511
8.8.2 开关量的软件抗干扰技术/513
8.8.3 看门狗技术 / 513
8.8.4 指令冗余技术 / 516
8.8.5 软件陷阱技术 / 517
习题与思考题 / 518
参考文献 / 518
第9章 计算机测控系统的设计与实现/ 519
9.1 概 述 / 519
9.1.1 计算机测控系统的一般构成和设计原则 / 519
9.1.2 计算机测控系统的研制过程 /520
9.2 系统设计技术/ 522
9.2.1 规范化的设计技术 / 522
9.2.2 结构化的设计技术 / 523
9.2.3 系统的功能规范 / 530
9.2.4 系统的总体方案设计 /532
9.3 系统硬件设计技术 / 538
9.3.1 选择系统的总线和主机机型 /538
9.3.2 选择输入/输出通道模板 /540
9.3.3 选择传感器和执行机构 /540
9.3.4 输入/输出通道的信号调理 /542
9.4 系统软件设计技术 / 542
9.4.1 测控系统应用软件的研制过程 / 543
9.4.2 软件设计技术 / 545
9.4.3 软件开发工具 / 546
9.4.4 软件调试技术 / 548
9.5 系统可靠性设计 / 549
9.5.1 可靠性的基本概念 / 549
9.5.2 故障来源/ 550
9.5.3 硬件可靠性设计 / 551
9.5.4 软件可靠性设计 / 554
9.6 系统集成、调试与投入运行 /555
9.6.1 调试工具介绍 / 555
9.6.2 测控系统的调试 / 557
9.6.3 系统故障的检测与调试 /559
9.7 计算机测控系统设计举例 /561
习题与思考题 / 574
参考文献 / 575

“计算机测试与控制技术”综合了传感器、信号调理、微型计算机原理与接口、数字信号处理、控制理论、模式识别等多学科理论与技术,是一门具有较强工程应用背景的专业课程。本书从工程应用的角度研究计算机测试与控制所涉及的理论与方法,使读者全面、系统地了解和掌握计算机测控工程系统的设计与实现方法。本书将计算机测控系统所涉及的共性问题,如计算机接口技术、测控总线技术、常用测控算法、软硬件抗干扰技术、测控系统的设计方法等归纳编写成独立章节进行讲述,便于读者根据实际工程需要有针对性地学习。

本书将计算机测试与控制一般性理论和方法的讲述与大量应用实例相结合,不仅便于读者理解掌握理论知识,也可为解决实际工程应用中类似问题提供有益的参考。本书可作为自动化等相关专业的本科高年级教材,也可作为相关专业工程技术人员的常用设计参考书。

李行善 北京航空航天大学教授 博士生导师，出版专著1部（《自动测试系统集成技术》，教材1本（《计算机测试与控制》，研究领域为计算机测试与控制技术、虚拟仪器与自动测试系统、智能诊断、预测与综合健康管理

于劲松 北京航空航天大学副教授、硕士生导师，参与专著编写1部（《自动测试系统集成技术》，研究领域为虚拟仪器与自动测试系统、智能信息处理、故障诊断、预测与综合健康管理等。