《儀器系統設計》專業核心課程建設的一些思考

摘要：《儀器系統設計》課程是測控技術及儀器專業的核心課程，本文主要討論了該核心課程建設的一些背景與相關措施，并重點對課程實驗設計提出了整體化方案。從目前上課的實際效果看，核心課程建設對于學生儀器課程的理論與應用學習都具有較好的意義。

關鍵詞：儀器系統設計；核心課程建設；實驗環節

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0204-02

一、《儀器系統設計》課程建設背景

作為測控技術及儀器專業，《儀器系統設計》課程無疑是專業的最主要課程之一。在本專業課程建設過程中，前幾年，《儀器系統設計》內容分為了《現代儀器概論》與《現代儀器系統設計》兩門獨立的課程，其中《現代儀器概念》在大三秋學期，主要偏重儀器基礎原理；《現代儀器系統設計》在大三冬學期，主要偏重儀器設計與應用，并附有實驗環節。兩門課程的主講教師都是熱衷于教學，也都結合了自己的科研實踐跟學生進行了講解與交流，課程評價均分別多次評為優秀。但在上課過程中，通過與學生課后的交流，發現兩門課有些知識點存在著一定的重復性，同時也存在著儀器相關知識的缺漏部分。某些知識點在《現代儀器系統設計》中認為學生應該已經掌握了，但事實上學生這方面的知識還很欠缺。此外，由于《現代儀器概念》課程沒有實驗，而《現代儀器系統設計》實驗只有一個冬學期，實驗時間不夠充足，而課堂知識點又是比較豐富，事實上存在實驗課程無法完全讓學生全方面深入掌握課堂知識的缺點。為了進一步打造專業精品課程，在學校與學院的大力支持下，本專業在《現代儀器概論》與《現代儀器系統設計》兩門課程的基礎上，進行了全部重新梳理與建設，將兩門課程合二為一，打造出一門《儀器系統設計》專業核心課程。核心課程組織了課程建設小組，以原有兩位教師為主要負責教師，并組織其他相關教師一起參與，重新審視與打造這門課程的大綱與內容。作為一門長學期課程，《儀器系統設計》就在大三秋、冬兩個學期連上，在內容上進行了統一的編排與整理，并突出實驗環節的實踐性與擴展性，希望學生通過該課程的學習去完成儀器專業科研工作的基本設計流程，并能將課程知識直接應用到類似畢業設計等科研實踐環節中去，成為儀器專業綜合應用的基礎課程。

二、《儀器系統設計》課程建設相關措施

為了建設好《儀器系統設計》專業這門核心課程，課程建設小組首先重新對國內外相關課程體系進行了調研與分析。在國外，也有多個學校設置了儀器相關課程，如美國麻省理工學院、美國加州大學伯克利分校、普渡大學、日本東京大學、加拿大多倫多大學、德國柏林工業大學等高等院校。但在這些學校里，儀器課程一般都設置在機械學院，以“精密機械設計”、“機電一體化”等課程為主，與我國的天津大學、清華大學等相關院校的課程設置更接近，而類似本專業這樣以電子技術與系統設計為核心的儀器專業課程往往沒有單獨設置，都以電氣學科為多。因此，在設置與討論本課程大綱內容的時候，一方面要積極參考國外的同類專業課程大綱，另一方面也需要參考電氣學院相關課程大綱，重新擬定出適合本專業學生培養目標的課程結構與內容。本課程的理念還貫穿了“原理與應用并重”原則，一方面要加強對于學生儀器設計原理知識點的講授，讓學生充分領略專業的知識內涵；另一方面強調了“學以致用”，通過應用示例的講授，讓學生進一步理解與掌握儀器設計原理。通過本課程的學習，學生對前期學習的專業基礎知識有了很好的理解，可以真正理解傳感器技術、微機原理、模擬電路、數字電路、微弱信號處理、數字信號處理、嵌入式系統原理、嵌入式操作系統等課程知識在儀器設計實踐中是如何應用的，從而對專業產生濃厚的興趣。同時，通過本課程的學習，學生會對儀器設計有了完整的概念，并能夠應用課程講授的知識點自主進行儀器設計，對于后期的科研工作將產生直接的引導作用。教學思想是“引導學生的專業興趣為第一要務”。在講授過程中，教師會多用自身的科研實例進行分析講授，這樣可以引導學生的專業興趣。同時，在講授過程中會特意留下一些發散性的提問，引導學生自己進行探索與研究。

三、《儀器系統設計》課程實驗環節建設思想

本課程總學分為5.0學分，每周的課時為2.0～4.0，實驗在教學過程中會占據比較大的比例。因此，在本課程的教學過程中，課程組會花費比較大的時間來重新組織構建課程實踐體系，實現“課程教學與實驗教學并重”的模式，讓學生進一步“學以致用”?！秲x器系統設計》課程內容涵蓋面是比較廣的，有硬件設計相關知識、固件設計相關知識、驅動程序設計相關知識、應用程序設計相關知識，而在過去由于時間不充足，實驗環節中更多地強調了軟件設計環節而將硬件設計過程變成了“學習”過程，就給學生已經設計完成的硬件電路而讓他們在該電路基礎上進行軟件編程，這樣的方式可能使一部分同學產生了知識誤區，不少同學在刻意回避儀器設計中的硬件設計與調試過程，覺得那方面特別難。在此次《儀器系統設計》核心建設的過程中，課程建設小組將實驗環節作為突破重點，一方面將實驗時間從冬學期延伸到秋、冬整個長學期；另一方面也將實驗內容進行了重新整理，將硬件電路設計、固件設計、驅動設計與應用軟件設計都整合到實驗內容，一環接一環，前一環的輸出恰好是后一環的輸入，最終實驗結果要在學生的智能手機進行界面顯示，這在某種程度上也打破了過去虛擬儀器依賴于計算機的現象。學生對于最終能在智能手機的APP編程與界面顯示表現出很高的熱情，對整個實驗過程都是十分投入的，整體實驗效果達到了預期目標。

實驗的主要目標是研發一個溫度采集儀，實現溫度信號的實時采集與處理電路設計和固件設計，通過藍牙通訊模塊在智能手機上顯示當前溫度值。

實驗的主要任務包括：掌握儀器設計的一般流程與核心技術；掌握儀器電路設計流程，完成溫度信號的采集與調理電路設計；掌握儀器固件設計流程，完成溫度信號采集與處理固件設計；掌握智能手機APP軟件開發一般步驟，完成溫度信號的顯示。

實驗主要步驟包括如下。

1.溫度信號的采集與處理電路設計：（1）測溫電橋設計：本儀器采用熱阻效應測量溫度，設計一個基于熱敏電阻的測溫電橋，根據熱敏電阻PT1000的阻值變化求得溫度值。熱敏電阻的主要特點是：①靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10℃～6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成復雜的形狀，可大批量生產；⑥穩定性好、過載能力強。（2）前置放大電路：前置放大電路指位于信號源與放大器之間的電路，將測溫電橋所采集到的信號進行放大，由于放大電路在放大信號的同時也放大了噪聲，因此需要后續的濾波電路濾除噪聲信號。（3）低通濾波電路：低通濾波的規則為低頻信號能正常通過，而超過設定臨界值的高頻信號則被阻隔、減弱。但是阻隔、減弱的幅度則會依據不同的頻率以及不同的濾波需求而改變。（4）偏置電路：偏置電路的作用是為三極管提供正常的工作點，使三極管工作在線性放大狀態。

2.IAR開發環境搭建：搭建基于STM32處理器的固件開發環境。

3.編寫STM32程序：本實驗采用STM32自帶的ADC采樣功能對所采集到的溫度信號進行AD采樣，并將所采集到的電壓信號轉換為對應的溫度值，通過藍牙模塊將數據發送至手機。程序主要模塊包括：（1）主函數：main函數調用初始化函數對硬件進行初始化，并將所采集的ADC值通過藍牙傳輸給手機。（2）串口初始化函數，用于對串口進行初始化，實現參數配置。串口初始化函數對串口參數進行配置，實現串口通訊功能。同時，藍牙本身也是通過串口的方式進行通訊，因此對藍牙模塊的配置與對串口的配置是一致的。（3）ADC初始化函數，用于對ADC采樣進行參數配置。

4.編寫智能手機APP程序。（1）建立工程：啟動eclipse程序。依次選擇【File】->【New】->Project命令，打開一個新工程向導。（2）程序編寫：智能手機APP編寫的主要工作集中在對藍牙數據的收發和處理上，其中藍牙數據接收函數如下所示，根據通訊協議對數據進行相應的處理。

5.實驗結果考核：（1）STM32程序能夠通過藍牙將所采集的溫度數據傳輸給手機，傳輸過程應嚴格遵守通訊協議，同時STM32應當通過串口將溫度數據打印到PC機。（2）手機APP能通過藍牙向STM32發送讀取溫度數據的請求，并將STM32返回的溫度數據以文本或者圖表的形式顯示出來，精確至小數點后一位。（3）溫度測量量程可調，當測量量程為0～100攝氏度時，所測得數據與實際溫度的誤差應當小于2攝氏度，當外界溫度環境變化時溫度數據及時變化，延遲應小于2秒。（4）經實物檢查，根據綜合實驗結果，給出相應的實驗成績。

四、結語

通過本核心課程的建設，引導學生在濃厚的專業興趣指導下進行自主學習與設計，同時通過本課程教學改革，還形成了一套完整的儀器設計教學實踐教程，完成自主開發的開放式儀器設計實驗平臺設備的開發，并完成一本儀器設計教材編寫工作。本核心課程建設的一些經驗與教訓，也可作為同類學科相關課程建設的參考。

參考文獻：

[1]周泓.儀器系統設計[M].杭州：浙江大學出版社，2015.