測控系統(tǒng)是以測量和控制為目的系統(tǒng)。測控系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域、軍事國防和現(xiàn)代生活各方面的應(yīng)用越來越廣泛。
《測控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)》全面系統(tǒng)地闡述了基于單片機(jī)的測控系統(tǒng)的整機(jī)原理和總體設(shè)計(jì)，是作者根據(jù)教育部有關(guān)文件和自己多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對教學(xué)內(nèi)容和課程體系進(jìn)行改革的嘗試，與同類教材相比，具有以下三個(gè)特點(diǎn)：
① 定位明確。本教材的定位是培養(yǎng)應(yīng)用型(或技術(shù)型)專業(yè)人才。因此，本教材主要內(nèi)容是計(jì)算機(jī)測控技術(shù)的應(yīng)用研究，而不是單純的理論研究。
② 注重對各類測控系統(tǒng)共性的研究。不同應(yīng)用領(lǐng)域的測控系統(tǒng)雖然存在個(gè)性，但也存在很多共性，而且個(gè)性和共性相比，共性是主要的，其共同的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)質(zhì)就是計(jì)算機(jī)測控技術(shù)。各種不同的測控系統(tǒng)產(chǎn)品只不過是其“共同基礎(chǔ)”(即計(jì)算機(jī)測控技術(shù))與各應(yīng)用領(lǐng)域的“特殊要求”相結(jié)合的產(chǎn)物。因此，注重對各類測控系統(tǒng)共性的研究，有利于增強(qiáng)學(xué)生的適應(yīng)能力。
③ 加強(qiáng)課程內(nèi)容間的聯(lián)系與綜合。本教材從總體設(shè)計(jì)角度出發(fā)，研究各模塊設(shè)置的必要性，以及整機(jī)對該模塊的技術(shù)要求;把硬件與軟件結(jié)合起來，研究與硬件相關(guān)的接口軟件、測控算法、監(jiān)控程序和抗干擾技術(shù);加強(qiáng)與先修課程(測控電路、單片機(jī)原理與C51程序設(shè)計(jì)等)內(nèi)容間的聯(lián)系與綜合，使學(xué)生進(jìn)而學(xué)習(xí)掌握測控系統(tǒng)的整機(jī)原理與總體設(shè)計(jì)。
《測控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)》被教育部評(píng)選為普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材。本教材前三版累計(jì)印刷15次，已經(jīng)被許多高校選作教材，有些大學(xué)還指定本教材為碩士生或博士生入學(xué)考試參考書。
為了盡可能跟上測控技術(shù)的發(fā)展，更好地適應(yīng)高等學(xué)校測控類專業(yè)的教學(xué)需要，長江大學(xué)李濤教授和孫傳友教授在北京航空航天大學(xué)出版社的支持下，對第3版內(nèi)容進(jìn)行了修訂。本版教材仍保持第3版教材的體系和特色，但刪除了一些章節(jié)的內(nèi)容，增加了“無線電測控與5G技術(shù)”，更正了原書中的錯(cuò)誤和不妥之處，并將原來用MCS 51匯編語言編寫的程序全部改為用C51語言編寫的程序等。原MCS-51匯編語言編寫的程序可發(fā)郵件至goodtextbook@126.com索取。
本書為《測控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)》的第4版。全書共分十章：緒論、測控通道(輸入/輸出通道)、主機(jī)及其接口、測控總線技術(shù)、測量數(shù)據(jù)處理、PID控制算法、監(jiān)控程序設(shè)計(jì)、抗干擾技術(shù)、微機(jī)化測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例、測控系統(tǒng)新技術(shù)。為了使本書能適應(yīng)當(dāng)今興起的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，方便教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué)，作者制作了與本書配套的課件、講稿筆記(教師講稿學(xué)生筆記)、習(xí)題解答等資料。讀者用手機(jī)掃描每章末的二維碼，即可免費(fèi)下載。本教材的課外實(shí)驗(yàn)可參考文獻(xiàn)[26]、[27]。
在本書出版之際，作者特向本書參考文獻(xiàn)的作者、選用本教材的高校教師、北京航空航天大學(xué)出版社的編輯以及所有支持本書的讀者，表示衷心的感謝!
由于作者水平有限，書中存在的缺點(diǎn)和錯(cuò)誤懇請各位專家和廣大讀者批評(píng)指正。
作 者
2020年4月
第1章 緒 論
1.1 測控系統(tǒng)的地位與作用
1.2 測控系統(tǒng)微機(jī)化的重要意義
1.3 微機(jī)化測控系統(tǒng)的類型和組成
1.3.1 微機(jī)化檢測系統(tǒng)
1.3.2 微機(jī)化控制系統(tǒng)
1.3.3 微機(jī)化測控系統(tǒng)
1.4 本課程的內(nèi)容與性質(zhì)
思考題與習(xí)題
第2章 測控通道(輸入/輸出通道)
2.1 模擬輸入通道
2.1.1 模擬輸入通道的基本類型與組成結(jié)構(gòu)
2.1.2 傳感器的選用
2.1.3 信號(hào)調(diào)理電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇
2.1.4 采集電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇
2.1.5 模擬輸入通道的誤差分配與綜合
2.2 模擬輸出通道
2.2.1 模擬輸出通道的基本理論
2.2.2 模擬輸出通道的基本結(jié)構(gòu)
2.2.3 模擬輸出通道組成電路的選用
2.3 開關(guān)量輸入/輸出通道
2.3.1 開關(guān)量輸入通道
2.3.2 開關(guān)量輸出通道
2.3.3 開關(guān)量輸入/輸出通道設(shè)計(jì)舉例
2.4 單元電路的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)
2.4.1 電氣性能的相互匹配
2.4.2 信號(hào)耦合與時(shí)序配合
2.4.3 電平轉(zhuǎn)換接口
思考題與習(xí)題
第3章 主機(jī)及其接口
3.1 主機(jī)電路
3.1.1 基于PC機(jī)的主機(jī)電路
3.1.2 基于單片機(jī)的主機(jī)電路
3.2 輸入通道接口
3.2.1 并行A/D接口
3.2.2 串行 A/D接口
3.2.3 VFC接口
3.3 輸出通道接口
3.3.1 并行D/A 接口
3.3.2 串行D/A 接口
3.3.3 功率接口
3.4 人機(jī)接口
3.4.1 顯示器接口
3.4.2 鍵盤接口
3.4.3 鍵盤/顯示器接口
3.4.4 打印機(jī)接口
3.4.5 報(bào)警器接口
3.5 通信接口
3.5.1 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)
3.5.2 串行通信接口電路
3.5.3 MCS 51單片機(jī)與IBM PC計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信
3.5.4 RS 422標(biāo)準(zhǔn)和RS-423標(biāo)準(zhǔn)
思考題與習(xí)題
第4章 測控總線技術(shù)
4.1 測控總線概述
4.1.1 總線的基本概念
4.1.2 總線的性能和標(biāo)準(zhǔn)
4.1.3 常用的測控總線
4.2 測控機(jī)箱底板總線
4.2.1 VXI總線
4.2.2 PCI和CPCI總線
4.2.3 PXI總線
4.3 測控機(jī)箱與計(jì)算機(jī)互聯(lián)總線
4.3.1 GPIB總線
4.3.2 USB總線
4.3.3 IEEE 1394總線
思考題與習(xí)題
第5章 測量數(shù)據(jù)處理
5.1 測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程和影響因素
5.1.1 測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程
5.1.2 測量數(shù)據(jù)的影響因素
5.2 零位和靈敏度的誤差校正
5.2.1 零位誤差和靈敏度誤差
5.2.2 軟件校正方法
5.2.3 硬件校正方法
5.3 量程自動(dòng)切換
5.3.1 量程切換的依據(jù)
5.3.2 量程切換的方法
5.4 超限自動(dòng)報(bào)警
5.4.1 超限報(bào)警處理程序設(shè)計(jì)
5.4.2 超限報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例
5.5 標(biāo)度變換
5.5.1 硬件實(shí)現(xiàn)方法
5.5.2 軟件實(shí)現(xiàn)方法
5.6 非線性校正算法
5.6.1 查表法
5.6.2 插值法
5.6.3 擬合法
5.7 數(shù)字濾波
5.7.1 限幅濾波和中位值濾波
5.7.2 平均濾波
5.7.3 低通濾波
5.7.4 復(fù)合濾波
思考題與習(xí)題
第6章 PID 控制算法
6.1 PID控制原理與程序流程
6.1.1 過程控制的基本概念
6.1.2 模擬PID調(diào)節(jié)器
6.1.3 數(shù)字PID控制器
6.1.4 PID算法的程序流程
6.2 標(biāo)準(zhǔn)PID算法的改進(jìn)
6.2.1 微分項(xiàng)的改進(jìn)
6.2.2 積分項(xiàng)的改進(jìn)
6.3 數(shù)字PID的參數(shù)整定
6.3.1 采樣周期的選擇
6.3.2 數(shù)字PID控制的參數(shù)整定
6.4 數(shù)字PID控制的工程實(shí)現(xiàn)
6.4.1 給定值和被控量處理
6.4.2 偏差處理
6.4.3 控制算法的實(shí)現(xiàn)
6.4.4 控制量處理
6.4.5 自動(dòng)/手動(dòng)切換
思考題與習(xí)題
第7章 監(jiān)控程序設(shè)計(jì)
7.1 監(jiān)控程序的功能和組成
7.2 監(jiān)控主程序和初始化管理
7.2.1 監(jiān)控主程序
7.2.2 初始化管理
7.3 鍵盤管理
7.3.1 一鍵一義的鍵盤管理
7.3.2 一鍵多義的鍵盤管理
7.3.3 自動(dòng)/手動(dòng)切換
7.4 顯示、中斷與時(shí)鐘管理
7.4.1 顯示管理
7.4.2 中斷管理
7.4.3 時(shí)鐘管理
7.5 硬件故障的自檢
7.5.1 自檢方式
7.5.2 自檢算法
7.5.3 自檢軟件
思考題與習(xí)題
第8章 抗干擾技術(shù)
8.1 噪聲干擾的形成
8.1.1 噪聲源
8.1.2 噪聲的耦合方式
8.1.3 噪聲的干擾模式
8.2 硬件抗干擾技術(shù)
8.2.1 接地技術(shù)
8.2.2 屏蔽技術(shù)
8.2.3 長線傳輸?shù)母蓴_及抑制
8.2.4 共模干擾的抑制
8.2.5 差模干擾的抑制
8.2.6 供電系統(tǒng)抗干擾
8.2.7 印刷電路板抗干擾
8.3 軟件抗干擾技術(shù)
8.3.1 軟件冗余技術(shù)
8.3.2 軟件陷阱技術(shù)
8.3.3 “看門狗”技術(shù)
思考題與習(xí)題
第9章 微機(jī)化測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)例
9.1 設(shè)計(jì)要求和研制過程
9.1.1 設(shè)計(jì)的基本要求
9.1.2 設(shè)計(jì)的研制過程
9.2 總體設(shè)計(jì)
9.3 硬件設(shè)計(jì)
9.3.1 元器件的選擇
9.3.2 電路設(shè)計(jì)的原則
9.3.3 硬件電路研制過程
9.4 軟件設(shè)計(jì)
9.4.1 軟件研制過程
9.4.2 軟件設(shè)計(jì)的依據(jù)———系統(tǒng)定義
9.4.3 軟件設(shè)計(jì)方法
9.4.4 軟件的測試和運(yùn)行
9.5 設(shè)計(jì)實(shí)例
9.5.1 電冰箱溫度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
9.5.2 防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
思考題與習(xí)題
第10章 測控系統(tǒng)新技術(shù)
10.1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
10.1.1 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)的發(fā)展歷程
10.1.2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
10.1.3 幾種主要的現(xiàn)場總線
10.2 網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)
10.2.1 網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的發(fā)展
10.2.2 網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
10.2.3 網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)功能與特點(diǎn)
10.3 虛擬儀器
10.3.1 虛擬儀器的概念
10.3.2 虛擬儀器的組成特點(diǎn)
10.3.3 虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)
10.4 無線電測控與5G技術(shù)
10.4.1 無線電測控系統(tǒng)概述
10.4.2 5G技術(shù)及應(yīng)用
10.4.3 5G無人機(jī)技術(shù)及應(yīng)用
思考題與習(xí)題
參考文獻(xiàn)
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