摘要：《儀器系統(tǒng)設(shè)計》課程是測控技術(shù)及儀器專業(yè)的核心課程，本文主要討論了該核心課程建設(shè)的一些背景與相關(guān)措施，并重點對課程實驗設(shè)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(shè)對于學生儀器課程的理論與應(yīng)用學習都具有較好的意義。

關(guān)鍵詞：儀器系統(tǒng)設(shè)計；核心課程建設(shè)；實驗環(huán)節(jié)

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(tǒng)設(shè)計》課程建設(shè)背景

作為測控技術(shù)及儀器專業(yè)，《儀器系統(tǒng)設(shè)計》課程無疑是專業(yè)的最主要課程之一。在本專業(yè)課程建設(shè)過程中，前幾年，《儀器系統(tǒng)設(shè)計》內(nèi)容分為了《現(xiàn)代儀器概論》與《現(xiàn)代儀器系統(tǒng)設(shè)計》兩門獨立的課程，其中《現(xiàn)代儀器概念》在大三秋學期，主要偏重儀器基礎(chǔ)原理；《現(xiàn)代儀器系統(tǒng)設(shè)計》在大三冬學期，主要偏重儀器設(shè)計與應(yīng)用，并附有實驗環(huán)節(jié)。兩門課程的主講教師都是熱衷于教學，也都結(jié)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(yōu)秀。但在上課過程中，通過與學生課后的交流，發(fā)現(xiàn)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(guān)知識的缺漏部分。某些知識點在《現(xiàn)代儀器系統(tǒng)設(shè)計》中認為學生應(yīng)該已經(jīng)掌握了，但事實上學生這方面的知識還很欠缺。此外，由于《現(xiàn)代儀器概念》課程沒有實驗，而《現(xiàn)代儀器系統(tǒng)設(shè)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(yè)精品課程，在學校與學院的大力支持下，本專業(yè)在《現(xiàn)代儀器概論》與《現(xiàn)代儀器系統(tǒng)設(shè)計》兩門課程的基礎(chǔ)上，進行了全部重新梳理與建設(shè)，將兩門課程合二為一，打造出一門《儀器系統(tǒng)設(shè)計》專業(yè)核心課程。核心課程組織了課程建設(shè)小組，以原有兩位教師為主要負責教師，并組織其他相關(guān)教師一起參與，重新審視與打造這門課程的大綱與內(nèi)容。作為一門長學期課程，《儀器系統(tǒng)設(shè)計》就在大三秋、冬兩個學期連上，在內(nèi)容上進行了統(tǒng)一的編排與整理，并突出實驗環(huán)節(jié)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(yè)科研工作的基本設(shè)計流程，并能將課程知識直接應(yīng)用到類似畢業(yè)設(shè)計等科研實踐環(huán)節(jié)中去，成為儀器專業(yè)綜合應(yīng)用的基礎(chǔ)課程。

二、《儀器系統(tǒng)設(shè)計》課程建設(shè)相關(guān)措施

為了建設(shè)好《儀器系統(tǒng)設(shè)計》專業(yè)這門核心課程，課程建設(shè)小組首先重新對國內(nèi)外相關(guān)課程體系進行了調(diào)研與分析。在國外，也有多個學校設(shè)置了儀器相關(guān)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(yè)大學等高等院校。但在這些學校里，儀器課程一般都設(shè)置在機械學院，以“精密機械設(shè)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(guān)院校的課程設(shè)置更接近，而類似本專業(yè)這樣以電子技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計為核心的儀器專業(yè)課程往往沒有單獨設(shè)置，都以電氣學科為多。因此，在設(shè)置與討論本課程大綱內(nèi)容的時候，一方面要積極參考國外的同類專業(yè)課程大綱，另一方面也需要參考電氣學院相關(guān)課程大綱，重新擬定出適合本專業(yè)學生培養(yǎng)目標的課程結(jié)構(gòu)與內(nèi)容。本課程的理念還貫穿了“原理與應(yīng)用并重”原則，一方面要加強對于學生儀器設(shè)計原理知識點的講授，讓學生充分領(lǐng)略專業(yè)的知識內(nèi)涵；另一方面強調(diào)了“學以致用”，通過應(yīng)用示例的講授，讓學生進一步理解與掌握儀器設(shè)計原理。通過本課程的學習，學生對前期學習的專業(yè)基礎(chǔ)知識有了很好的理解，可以真正理解傳感器技術(shù)、微機原理、模擬電路、數(shù)字電路、微弱信號處理、數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)原理、嵌入式操作系統(tǒng)等課程知識在儀器設(shè)計實踐中是如何應(yīng)用的，從而對專業(yè)產(chǎn)生濃厚的興趣。同時，通過本課程的學習，學生會對儀器設(shè)計有了完整的概念，并能夠應(yīng)用課程講授的知識點自主進行儀器設(shè)計，對于后期的科研工作將產(chǎn)生直接的引導作用。教學思想是“引導學生的專業(yè)興趣為第一要務(wù)”。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(yè)興趣。同時，在講授過程中會特意留下一些發(fā)散性的提問，引導學生自己進行探索與研究。

三、《儀器系統(tǒng)設(shè)計》課程實驗環(huán)節(jié)建設(shè)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(jù)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(gòu)建課程實踐體系，實現(xiàn)“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(tǒng)設(shè)計》課程內(nèi)容涵蓋面是比較廣的，有硬件設(shè)計相關(guān)知識、固件設(shè)計相關(guān)知識、驅(qū)動程序設(shè)計相關(guān)知識、應(yīng)用程序設(shè)計相關(guān)知識，而在過去由于時間不充足，實驗環(huán)節(jié)中更多地強調(diào)了軟件設(shè)計環(huán)節(jié)而將硬件設(shè)計過程變成了“學習”過程，就給學生已經(jīng)設(shè)計完成的硬件電路而讓他們在該電路基礎(chǔ)上進行軟件編程，這樣的方式可能使一部分同學產(chǎn)生了知識誤區(qū)，不少同學在刻意回避儀器設(shè)計中的硬件設(shè)計與調(diào)試過程，覺得那方面特別難。在此次《儀器系統(tǒng)設(shè)計》核心建設(shè)的過程中，課程建設(shè)小組將實驗環(huán)節(jié)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(nèi)容進行了重新整理，將硬件電路設(shè)計、固件設(shè)計、驅(qū)動設(shè)計與應(yīng)用軟件設(shè)計都整合到實驗內(nèi)容，一環(huán)接一環(huán)，前一環(huán)的輸出恰好是后一環(huán)的輸入，最終實驗結(jié)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(xiàn)象。學生對于最終能在智能手機的APP編程與界面顯示表現(xiàn)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(fā)一個溫度采集儀，實現(xiàn)溫度信號的實時采集與處理電路設(shè)計和固件設(shè)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(wù)包括：掌握儀器設(shè)計的一般流程與核心技術(shù)；掌握儀器電路設(shè)計流程，完成溫度信號的采集與調(diào)理電路設(shè)計；掌握儀器固件設(shè)計流程，完成溫度信號采集與處理固件設(shè)計；掌握智能手機APP軟件開發(fā)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(shè)計：（1）測溫電橋設(shè)計：本儀器采用熱阻效應(yīng)測量溫度，設(shè)計一個基于熱敏電阻的測溫電橋，根據(jù)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(shù)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(nèi)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(chǎn)；⑥穩(wěn)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(xù)的濾波電路濾除噪聲信號。（3）低通濾波電路：低通濾波的規(guī)則為低頻信號能正常通過，而超過設(shè)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(jù)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(tài)。

2.IAR開發(fā)環(huán)境搭建：搭建基于STM32處理器的固件開發(fā)環(huán)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(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值，通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機。程序主要模塊包括：（1）主函數(shù)：main函數(shù)調(diào)用初始化函數(shù)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(shù)，用于對串口進行初始化，實現(xiàn)參數(shù)配置。串口初始化函數(shù)對串口參數(shù)進行配置，實現(xiàn)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(shù)，用于對ADC采樣進行參數(shù)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?qū)А＃?）程序編寫：智能手機APP編寫的主要工作集中在對藍牙數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理上，其中藍牙數(shù)據(jù)接收函數(shù)如下所示，根據(jù)通訊協(xié)議對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理。

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

四、結(jié)語

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

參考文獻：

[1]周泓.儀器系統(tǒng)設(shè)計[M].杭州：浙江大學出版社，2015.