計算機測試與控制技術

“計算機測試與控制技術”綜合了傳感器、信號調理、微型計算機原理與接口、數字信號處理、控制理論、模式識別等多學科理論與技術,是一門具有較強工程應用背景的專業課程。
本書從工程應用的角度研究計算機測試與控制所涉及的理論與方法,使讀者全面、系統地了解和掌握計算機測控工程系統的設計與實現方法。
本書將計算機測控系統所涉及的共性問題,如計算機接口技術、測控總線技術、常用測控算法、軟硬件抗干擾技術、測控系統的設計方法等歸納編寫成獨立章節進行講述,便於讀者根據實際工程需要有針對性地學習。

本書將計算機測試與控制一般性理論和方法的講述與大量應用實例相結合,不僅便於讀者理解掌握理論知識,也可為解決實際工程應用中類似問題提供有益的參考。
本書可作為自動化等相關專業的本科高年級教材,也可作為相關專業工程技術人員的常用設計參考書。

李行善北京航空航天大學教授博士生導師，出版專著1部（《自動測試系統集成技術》，教材1本（《計算機測試與控制》，研究領域為計算機測試與控制技術、虛擬儀器與自動測試系統、智能診斷、預測與綜合健康管理

於勁松 北京航空航天大學副教授、碩士生導師，參與專著編寫1部（《自動測試系統集成技術》，研究領域為虛擬儀器與自動測試系統、智能信息處理、故障診斷、預測與綜合健康管理等。

第1章 緒 論/1
1.1 測試與控制技術的應用與發展/1
1.1.1 測試與控制技術的應用領域/1
1.1.2 計算機在測控系統中的應用與發展/2
1.2 計算機測試系統的組成和典型應用 /3
1.2.1 計算機測量系統 / 3
1.2.2 智能儀器———微型計算機與測量儀器的有機結合 / 4
1.2.3 計算機過程測試系統 // 5
1.2.4 計算機智能測試系統 // 7
1.3 計算機控制系統的組成與典型應用 / 10
1.3.1 程序控制和順序控制系統 /10
1.3.2 過程監測與操作指導系統 /10
1.3.3 計算機反饋控制系統 / 11
1.3.4 計算機監督控制系統 / 12
1.3.5 集散型控制系統 / 12
1.3.6 計算機控製網絡 /14
1.4 計算機測控系統 /15
1.4.1 測控系統硬件組成/15
1.4.2 測控系統軟件 / 17
1.5 本書的內容組織 /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 系統總線上的數據傳輸 / 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總線上的數據傳輸過程 / 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 現場總線 / 84
2.7.1 現場總線的概念 / 84
2.7.2 幾種流行的現場總線 /87
2.7.3 現場總線的特點及發展趨勢 /90
習題與思考題 / 91
參考文獻 /92

第3章 測控系統接口技術 /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 數字式傳感器接口 /196
3.5 串行通信接口/ 202
3.5.1 8251A的內部結構 / 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 數字校正裝置舉例 /232
4.3.4 典型環節的離散化 /235
4.4 PID控制算法及數字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控制器的參數整定/251
4.5 計算機控制系統應用實例 /256
4.5.1 系統總體結構及功能 /257
4.5.2 硬件系統設計 / 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 基於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 /269
5.1.2 採用微型計算機組建測試系統的優點 / 270
5.1.3 過程測試系統與智能測試系統 / 271
5.1.4 兩類測量系統 / 272
5.2 計算機在測試系統中的作用 /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 /277
5.2.3 處理測量信號 / 278
5.2.4 實現自動校準 / 280
5.2.5 實現智能化的輸出顯示 /281
5.2.6 使測試系統的設計更加靈活 /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舉例 / 282
5.3.1 以微型計算機為核心的數字多用表 / 282
5.3.2 飛機電纜自動檢測系統 /283
5.3.3 內燃機參數測試系統 /289
5.4 採用微型計算機的電壓測量 //292
5.4.1 採用成品 A/D轉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 採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 用於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 採用微型計算機的時間參數測量 /311
5.6.1 採用微型計算機的頻率測量 /311
5.6.2 採用微型計算機的周期測量 /318
5.6.3 採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 數據採集系統/ 321
5.7.1 數據採集系統的組成及主要性能指標 / 321
5.7.2 數據採集系統舉例 / 327
5.8 微型計算機測試系統設計舉例/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 計算機測控系統常用算法/353
6.1 算法概述 / 353
6.2 二進制定點數計算 / 354
6.2.1 數的定點表示法 / 354
6.2.2 定點二進制數的計算 /355
6.3 二進制浮點數的計算 / 358
6.3.1 浮點數表示法 / 358
6.3.2 浮點運算原理 / 360
6.3.3 二進制浮點數計算程序 /361
6.3.4 定點運算與浮點運算的比較 /362
6.4 常用函數的近似計算 / 363
6.4.1 平方根的計算 / 363
6.4.2 利用冪級數計算常用函數/364
6.4.3 利用曲線擬合法計算函數的近似值 / 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 用微型計算機實現線性化處理 / 369
6.6.3 使用高次多項式的線性化/371
6.7 數據平滑算法/ 373
6.7.1 三點數據平均 / 373
6.7.2 五點三階多項式平滑 /373
6.8 測量數據的微分算法 / 376
6.8.1 微商算法/ 376
6.8.2 利用擬合三階多項式求導數 /376
6.9 數值積分算法/ 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 測量通道的系統誤差及其校準 / 383
6.10.2 測控系統自檢方法 / 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/ 398
7.1 虛擬儀器 / 398
7.1.1 虛擬儀器的含義 / 398
7.1.2 虛擬儀器與傳統台式儀器的區別 / 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 儀器驅動器模型與實現機制 /426
7.3.1 基於 VPP模型的儀器驅動器 / 427
7.3.2 基於IVI模型的儀器驅動器 /433
7.4 測試應用軟件開發工具 / 438
7.4.1 LabVIEW / 439
7.4.2 LabWindows/CVI // 440
7.4.3 其他測試開發工具 / 442
7.5 自動測試系統設計 / 443
7.5.1 自動測試系統的概念與組成 /443
7.5.2 自動測試系統的應用範圍/445
7.5.3 自動測試系統的發展概況/446
7.5.4 自動測試系統總體設計 /448
7.6 自動測試系統硬件設計 / 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 開關係統設計 / 453
7.6.6 測試系統信號接口的設計與實現 / 459
7.7 自動測試系統軟件設計 / 463
7.7.1 測試系統軟件特徵 / 463
7.7.2 測試系統軟件架構 / 464
7.7.3 測試軟件開發技術 / 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 地線系統的分析 / 496
8.4.2 輸入通道的接地 / 498
8.4.3 主機系統的接地 / 499
8.4.4 交流地與信號地 / 499
8.4.5 數字地與模擬地 / 500
8.5 屏蔽技術 / 500
8.6 供電系統抗干擾設計 / 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 指令冗餘技術 / 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 計算機測控系統的設計與實現/ 519
9.1 概 述 / 519
9.1.1 計算機測控系統的一般構成和設計原則 / 519
9.1.2 計算機測控系統的研製過程 /520
9.2 系統設計技術/ 522
9.2.1 規範化的設計技術 / 522
9.2.2 結構化的設計技術 / 523
9.2.3 系統的功能規範 / 530
9.2.4 系統的總體方案設計 /532
9.3 系統硬件設計技術 / 538
9.3.1 選擇系統的總線和主機機型 /538
9.3.2 選擇輸入/輸出通道模板 /540
9.3.3 選擇傳感器和執行機構 /540
9.3.4 輸入/輸出通道的信號調理 /542
9.4 系統軟件設計技術 / 542
9.4.1 測控系統應用軟件的研製過程 / 543
9.4.2 軟件設計技術 / 545
9.4.3 軟件開發工具 / 546
9.4.4 軟件調試技術 / 548
9.5 系統可靠性設計 / 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 系統集成、調試與投入運行 /555
9.6.1 調試工具介紹 / 555
9.6.2 測控系統的調試 / 557
9.6.3 系統故障的檢測與調試 /559
9.7 計算機測控系統設計舉例 /561
習題與思考題 / 574
參考文獻 / 575