《测控系统原理与设计 第4版》李涛，孙传友著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《测控系统原理与设计 第4版》

【作　者】李涛，孙传友著

【丛书名】普通高等教育“十一五”国家级规划教材

【页 数】 333

【出版社】 北京：北京航空航天大学出版社 , 2020.08

【ISBN号】978-7-5124-3307-6

【价 格】59.00

【分 类】自动检测系统

【参考文献】 李涛，孙传友著. 测控系统原理与设计 第4版. 北京：北京航空航天大学出版社, 2020.08.

图书封面：

图书目录：

《测控系统原理与设计 第4版》内容提要：

本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材《测控系统原理与设计》的第4版。本书全面系统地阐述了基于单片机的测控系统的整机原理和总体设计。内容包括：绪论、测控通道（输入输出通道）、主机及其接口、测控总线技术、测量数据处理、PID控制算法、监控程序设计、抗干扰技术、微机化测控系统设计及实例、测控系统新技术。书中给出了大量的实用硬件电路和C51软件程序。与本书配套的教学资源有课件、讲稿笔记、习题解答等资料。读者用手机扫描书上的二维码，就可免费下载。本书可作为各类工科院校测控技术与仪器、自动化、机电一体化等专业的教材或教学参考书，也可供在测控领域工作的工程技术人员参考或作为自学读物。

《测控系统原理与设计 第4版》内容试读

第1章绪论

1.1测控系统的地位与作用

人类在认识世界和改造世界的过程中，一方面要采用各种方法获得客观事物的量值，这个任务称之为“测量”；另一方面也要采用各种方法支配或约束某一客观事物的进程结果，这个任务称之为“控制”。“测量”和“控制”是人类认识世界和改造世界的两项工作任务，而测控仪器或系统则是人类实现这两项任务的工具和手段。按照仪器和系统担负的任务不同，测控仪器和系统可分为三大类：单纯以测试或检测为目的的“测试（检测）仪器或系统”，单纯以控制为目的的“控制系统”和测控一体的“测控系统”。

发明元素周期表的科学家门捷列夫曾说过：“有测量才有科学”。科学的发展和突破往往是以检测仪器和技术方法上的突破为先导的。例如，人类在光学显微镜出现以前，只能用肉眼来分辨物质：而16世纪出现了光学显微镜，这使得人们能够借助显微镜来观察细胞，从而大大推动了生物科学的发展。到20世纪30年代出现了电子显微镜，使人们的观察能力进人了微观世界，这又推动了生物科学、电子科学和材料科学的发展…在诺贝尔物理和化学奖中大约有1/4是属于测试方法和仪器创新。这些事实都说明了测试仪器在科学研究中的重要作用。

测控仪器和系统在工业生产中起着把关者和指导者的作用，它从生产现场获取各种参数，运用科学规律和系统工程的方法，综合有效地利用各种先进技术，通过自控手段和装备，使每个生产环节得到优化，进而保证生产规范化，提高产品质量，降低成本，满足需要，保证安全生产。

目前，测控技术广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和纺织等行业。据悉，上海宝山钢铁集团的技术装备投资，1/3经费用于购置仪器和自控系统。即使原来认为可以使用土法生产的制酒工业，今天也需要通过精密的仪器仪表严格控制温度才能创造出名牌。

据美国国家标准技术研究院(NIST)的统计，美国为了质量认证和控制、自动化及流程分

析，每天完成2.5亿个检测，占国民生产总值的3.5%。要完成这些检测，需要大量的种类繁多的分析和检测仪器。仪器与测试技术已是当代促进生产的一个主流环节。美国商业部国家

标准局(NBS)于20世纪90年代初评估仪器仪表工业对美国国民经济总产值的影响作用，提

出的调查报告中称：仪器仪表工业总产值只占工业总产值的4%，但它对国民经济的影响达到66%。

仪器仪表是国民经济的“倍增器”，对国民经济有巨大的拉动作用。应用仪器仪表是现代生产从粗放型经营转变为集约型经营必须采取的措施，是改造传统工业必备的手段，也是产品具备竞争能力、进入市场经济必由之路。

仪器在产品质量评估及计算中起着技术监督的“物质法官”的作用。在国防建设和国家可持续发展战略等诸多方面，都起着至关重要的作用。现代仪器已逐渐走进千家万户，与人们的日常生活、工作和娱乐活动休戚相关。

今天，世界正在从工业化时代进入信息化时代，并向知识经济时代迈进。这个时代的特征

·2…

测控系统原理与设计（第4版）

是，以计算机为核心，用计算机扩展人的脑力劳动，使人类正在走出机械化，进入以物质手段扩展人的感官神经系统及脑力智力的时代。这时，仪器的作用主要是获取信息，作为智能行动的依据。

仪器的功能在于用物理、化学或生物的方法，获取被检测对象运动或变化的信息，通过信息转换，使其成为易于人们阅读和识别表达（信息显示、转换和运用）的量化形式，或进一步信号化、图像化。通过显示系统，以利观测、入库存档，或直接进入自动化、智能运转控制系统。

仪器是一种信息的工具，起着不可或缺的信息源的作用。仪器是信息时代的信息获取→处理→传输的链条中的源头技术。如果没有仪器，就不能获取生产、科学、环境和社会等领域中全方位的信息，进入信息时代将是不可能的。钱学森院士在对新技术革命的论述中曾说：“新技术革命的关键技术是信息技术。信息技术由测量技术、计算机技术和通信技术三部分组成。测量技术则是关键和基础”。现在提到信息技术通常想到的只是计算机技术和通信技术，而关键的基础性的测量技术却往往被人们忽视。综上所述可以看出，仪器技术是信息的源头技术。仪器工业是信息工业的重要组成部分。

1.2测控系统微机化的重要意义

20世纪50年代以前，由于当时企业的生产规模较小，测控仪表处于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产现场、只具备简单测控功能的基于20.67~103.35kP气动信号标准的基地式气动仪表。其信号仅在本仪表内使用，不能传送给别的仪表或系统，即各测控仪表处于封闭的状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，才可以了解生产过程的状况。

20世纪60年代，随着企业的生产规模进一步扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行参数和信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，因此出现了气动、电动单元组合式仪表，形成了集中控制室。生产现场中的各参数通过统一的模拟信号，如20.67~103.35kP气动信号、0~10mA、4~20mA直流电流信号、1~5V直流电压信号等，送往集中控制室。操作人员可以在控制室内观察生产现场的状况，可以把各单元仪表的信号按需要组合成复杂测控系统。20世纪70年代开始，微型计算机被引人测控领域，使测控系统发展到计算机测控系统的新阶段。将微型计算机技术引入测控系统中，不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路，增加或增强功能，提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度，而且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级换代等。因此，现代测控系统设计，特别是高精度、高性能、多功能的测控系统，目前已很少有不采用计算机技术的了。

计算机技术的引入可为测控系统带来以下一些新特点和新功能：

①自动对零功能：在每次采样前对传感器的输出值自动清零，从而大大降低因测控系统漂移变化造成的误差。

②量程自动切换功能：可根据测量值和控制值的大小改变测量范围和控制范围，在保证测量和控制范围的同时提高分辨率。

③多点快速测控：可对多种不同参数进行快速测量和控制。

④数字滤波功能：利用计算机软件对测量数据进行处理，可抑制各种干扰和脉冲信号。

⑤自动修正误差：许多传感器和控制器的特性是非线性的，且受环境参数变化的影响比较严重，从而给仪器带来误差。采用计算机技术，可以依靠软件进行在线或离线修正。

第1章绪论

·3

⑥数据处理功能：利用计算机技术可以实现传统仪器无法实现的各种复杂的处理和运算功能，比如统计分析、检索排序、函数变换、差值近似和频谱分析等。

⑦复杂控制规律：利用计算机技术不仅可以实现经典的PD控制，还可以实现各种复杂

的控制规律，例如，自适应控制、模糊控制等。

⑧多媒体功能：利用计算机多媒体技术，可以使仪器具有声光和语音等功能，增强测控系统的个性或特色。

⑨通信或网络功能：利用计算机的数据通信功能，可以大大增强测控系统的外部接口功能和数据传输功能。采用网络功能的测控系统则将拓展一系列新颖的功能。

⑩自我诊断功能：采用计算机技术后，可对测控系统进行监测，一旦发现故障则立即进行报警，并可显示故障部位或可能的故障原因，对排除故障的方法进行提示。

1.3微机化测控系统的类型和组成

1.3.1微机化检测系统

微机化检测或测试系统是以微机为核心，单纯以“检测”或“测试”为目的的系统。一般用来对被测过程中的一些物理量进行测量并获得相应的精确测量数据，因此，又常称为数据采集系统，其基本组成框图如图1-3-1所示。

数据记录器

被测参数→传感器

模拟输入通道

微型

计算机

模拟输出通道

模拟显示器

报警器

图1-3-1微机化检测系统基本组成框图

被测参数经传感器转换成模拟信号，再由模拟输人通道进行信号调理和数据采集，转换成微型计算机要求的数字形式送入微型机进行必要的处理，再送到磁带机、打印机等数据记录器记录下来，这样就得到了供进一步分析和处理的测量数据记录。为了对测量过程进行集中实时监视，模拟输出通道将微机处理后的测量数据转换成模拟信号在示波器或图示仪等模拟显示器上显示出来。在某些对生产过程进行监测的场合，如果被测参数超过规定限度时，微型机还将及时启动报警器发出报警信号。

用于石油勘探的数字地震记录仪和数字测井仪就是这类仪器的典型实例。目前在野外现场广泛使用的各种存储式测试记录仪器也属于这一类，只不过结构比较简单（一般只包括传感器、模拟输人通道、微机和数据记录器几部分)罢了。

1.3.2微机化控制系统

微机化控制系统是以微型机为核心，单纯以程序控制为目的的系统，其组成框图如图1一3-2所示。这是一种开环控制系统，程序控制的基本思想是将被控对象的动作次序和各类参数输入微型机，微型机执行固定的程序，一步一步地控制被控对象的动作，以达到预期的目的。例如，机床的计算机控制，预先输入切削量、裕量、进给量、工件尺寸和加工步骤等参数，运行时由计算机控制刀具的动作，最后加工出成品。

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测控系统原理与设计（第4版）

参数及动作次序微型计算机控制电路

执行器

图1-3-2微机化控制系统组成框图

1.3.3微机化测控系统

微机化测控系统是以微机为核心的测控一体化系统，这种系统对被控对象的控制是依据对被控对象的测量结果决定的。因此，它实质上是一种闭环控制系统，其基本组成框图如图1-3-3所示。图中左侧的输入/输出通道称为过程通道，它是微型机与测控对象的连接渠道，因此称之为“测控通道”。

传感器

模拟量输入通道

测

控执行器

模拟量输出通道

型

人一机接口→操作员

传感器

开关量输入通道

通信接口→其他微型机

执行器

开关量输出通道

图1-3-3微机化测控系统基本组成框图

测控通道又可分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入通道和开关量输出通道。带有模/数转换器的模拟量输入通道用来连接各类模拟信号输出的传感器，也可直接用做模拟形式的电压或电流的输入端。模拟量输出通道带有数/模转换器，使计算机能对模拟形式的执行机构或输出设备进行控制。开关量输入通道用来接收外界以“开关”形式表示的信息。例如，在电网实时监控系统中，它可用来监视电网各类断路器的开合状态。在另一些在线检测中，开关量输入可用来表示“超值”“告警”“极性转换”等状态并通知计算机做相应的处理。开关量输入也可用编码的形式向计算机输入信息，这种信息既可以是命令信息（要求计算机执行某种动作)，也可以是单纯的数据信息。开关量输出通道通常用来控制开关型执行机构（继电器、步进电动机等)，也可用来以编码形式输出信息。

图1一3-3中右侧“人一机接口”是微型计算机与操作人员的连接渠道，称为“人一机通道”，最常用的有输人命令和数据的键盘和显示测量结果和运行状态的显示器、打印机以及各种记录器等。

图1一3-3中“通信接口”是图中的微型计算机与其他微型计算机的联系渠道，称为“相互通道”。多微型机测控系统的各个微型计算机相互之间通过“通信接口”传送指令或数据。

对比图1-3-1、图1-3-2和图1-3-3可见，微机化测控系统可认为是由“测试系统”和“控制系统”两部分构成，单纯的“测试系统”或单纯的“控制系统”只是“测控系统”的特例。因此，本书为不失普遍性和先进性，主要研究“微机化测控系统”。

1.4本课程的内容与性质

顾名思义，测控仪器或系统是以测量和控制为目的的仪器或系统。现代测控仪器或系统主要是微机化的测控仪器或系统，它是计算机技术与测控技术、电子技术相结合的产物。

第1章绪论

·5.

微机化测控仪器或系统应用很广，不同应用领域使用的微机化测控仪器或系统的名称、型号、性能也各不相同，它们都具有各自不同的特性一个性。但是这些不同应用领域的微机化测控仪器或系统，如果解剖开来看，内部组成“电路”大多是相同的，将各个模块组装成整机的基本原则也是大体相似的。这就是它们的共同点一共性。而且，共性与个性相比，共性是主要的。也就是说，不同应用领域的测控仪器或系统只是“大同小异”罢了！人们不可能也没有必要去逐个学习不同应用领域的具体测控仪器或系统，而应该抓住其“共性”，学习各种测控仪器或系统共同的硬件基础和整机原理，这样就能增强适应性，以不变应万变。

作为测控技术与仪器专业的学生，在学习完模拟电路、数字电路、感测技术、测控电路及装置和微型机原理等先修课程之后，已经对组成各类测控仪器或系统的基本电路或功能模块有了全面的了解，这无疑是十分必要的，但却是远远不够的。因为这只是孤立地学习了一个个电路或者模块，还不知道怎么把这些电路或模块组装起来构成一个完整的仪器或系统。这就好比初学英语时，只是学习了一个一个单词，还读不懂一整篇英文文章，还没学会用英语单词写成一篇完整的文章。因此还需要继续学习！《测控系统原理与设计》就是为测控技术与仪器专业学生在学习完上述专业课后开设的一门综合性的课程，它主要研究微机化测控仪器和系统的整机原理与总体设计思想，讲述怎样用过去学习的微型计算机、传感器、测量电路和控制电路等功能模块构建一个适合特定需要的测控仪器或系统。

本课程是测控技术与仪器专业的专业课，它与先修课程有很大不同。本课程不是研究各电路模块本身的工作原理，而是研究由各个模块构成的整个仪器或系统的工作原理（即整机原理)；本课程不是研究各模块的内部结构，而是研究各模块相互之间的连接和影响：本课程不是设计某一个模块的具体电路，而是从总体设计角度出发，研究各模块设置的必要性，以及整机对该模块的技术要求；本课程不只是从整机角度研究各部分硬件的连接，而且把硬件与软件结合起来，着重研究与硬件相关的接口软件、测控算法、整机监控程序以及影响整机性能的抗干扰技术等。本书最后一章还简要介绍了计算机测控系统的发展、测控网络和虚拟仪器等测控系统新技术。

思考题与习题

1.为什么说仪器技术是信息的源头技术？

2.为什么现代测控系统一般都要微机化？

3.微机化测控系统有哪几种类型？画出它们的组成框图。

课件

讲稿笔记

习题解答

第2章

测控通道（输入/输出通道）】

2.1模拟输入通道

2.1.1模拟输入通道的基本类型与组成结构

模拟输人通道是微机化测控系统中被测对象与微机之间的联系通道，因为微机只能接收数字电信号，而被测对象常常是一些非电量，所以输入通道的前一道环节是把被测非电量转换为可用电信号的传感器，后一道环节是将模拟电信号转换为数字电信号的数据采集电路。除数字传感器外，大多数传感器都是将模拟非电量转换为模拟电量，而且这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需要进行适当的信号调理。因此，一般说来，模拟输入通道应由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成，如图2-1-1所示。

传感器

调理电路

采集电路→至微型计算机

图2-1-1模拟输入通道的基本组成

实际的微机化测控系统往往需要同时测量多种物理量（多参数测量）或同一种物理量的多个测量点（多点巡回测量）。因此，多路模拟输入通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集中采集式（简称集中式）和分散采集式（简称分布式）两大类型。

1.集中采集式（集中式）

集中采集式多路模拟输入通道的典型结构有分时采集型和同步采集型两种，分别如图2-1-2(a)和(b)所示。

由图()可见，多路被测信号分别由各自的传感器和信号调理电路组成的通道经模拟多路

切换器(MUX)切换，进入公用的采样/保持器(S/H)和A/D转换电路进行数据采集。它的特

点是多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，简化了电路结构，降低了成本。但是它对信号

的采集是由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换、轮流选通的，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据，这样就产生了时间偏斜误差。尽管这种时间偏斜很短，但对于要求多路信号严格同步采集测试的系统是不适用的，然而对于多数中速和低速测试系统，仍是一种应用广泛的结构。

由图(b)可见，同步采集型的特点是在模拟多路切换器之前，给每路信号通路各加一个采样/保持器，使多路信号的采样在同一时刻进行，即同步采样。然后由各自的保持器保持着采

样信号幅值，等待模拟多路切换器分时切换进入公用的S/H和A/D电路将保持的采样幅值

转换成数据输入主机。这样可以消除分时采集型结构的时间偏斜误差，这种结构既能满足同步采集的要求，又比较简单。但是它仍有不足之处，特别是在被测信号路数较多的情况下，同步采得的信号在保持器中保持的时间会加长，而保持器总会有一些泄漏，使信号有所衰减。由

···试读结束···