《儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》專業(yè)核心課程建設(shè)的一些思考

摘要：《儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》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(diǎn)對課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提出了整體化方案。從目前上課的實(shí)際效果看，核心課程建設(shè)對于學(xué)生儀器課程的理論與應(yīng)用學(xué)習(xí)都具有較好的意義。

關(guān)鍵詞：儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)；核心課程建設(shè)；實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

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

一、《儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》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(jì)》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(jì)》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(jì)》兩門獨(dú)立的課程，其中《現(xiàn)代儀器概念》在大三秋學(xué)期，主要偏重儀器基礎(chǔ)原理；《現(xiàn)代儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》在大三冬學(xué)期，主要偏重儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用，并附有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。兩門課程的主講教師都是熱衷于教學(xué)，也都結(jié)合了自己的科研實(shí)踐跟學(xué)生進(jìn)行了講解與交流，課程評價(jià)均分別多次評為優(yōu)秀。但在上課過程中，通過與學(xué)生課后的交流，發(fā)現(xiàn)兩門課有些知識點(diǎn)存在著一定的重復(fù)性，同時(shí)也存在著儀器相關(guān)知識的缺漏部分。某些知識點(diǎn)在《現(xiàn)代儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中認(rèn)為學(xué)生應(yīng)該已經(jīng)掌握了，但事實(shí)上學(xué)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(shí)驗(yàn)，而《現(xiàn)代儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)冬學(xué)期，實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠充足，而課堂知識點(diǎn)又是比較豐富，事實(shí)上存在實(shí)驗(yàn)課程無法完全讓學(xué)生全方面深入掌握課堂知識的缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步打造專業(yè)精品課程，在學(xué)校與學(xué)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(jì)》兩門課程的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jì)》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(fù)責(zé)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(xué)期課程，《儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》就在大三秋、冬兩個(gè)學(xué)期連上，在內(nèi)容上進(jìn)行了統(tǒng)一的編排與整理，并突出實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的實(shí)踐性與擴(kuò)展性，希望學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)去完成儀器專業(yè)科研工作的基本設(shè)計(jì)流程，并能將課程知識直接應(yīng)用到類似畢業(yè)設(shè)計(jì)等科研實(shí)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(jì)》課程建設(shè)相關(guān)措施

為了建設(shè)好《儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》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(jìn)行了調(diào)研與分析。在國外，也有多個(gè)學(xué)校設(shè)置了儀器相關(guān)課程，如美國麻省理工學(xué)院、美國加州大學(xué)伯克利分校、普渡大學(xué)、日本東京大學(xué)、加拿大多倫多大學(xué)、德國柏林工業(yè)大學(xué)等高等院校。但在這些學(xué)校里，儀器課程一般都設(shè)置在機(jī)械學(xué)院，以“精密機(jī)械設(shè)計(jì)”、“機(jī)電一體化”等課程為主，與我國的天津大學(xué)、清華大學(xué)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(jì)為核心的儀器專業(yè)課程往往沒有單獨(dú)設(shè)置，都以電氣學(xué)科為多。因此，在設(shè)置與討論本課程大綱內(nèi)容的時(shí)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(xué)院相關(guān)課程大綱，重新擬定出適合本專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)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(qiáng)對于學(xué)生儀器設(shè)計(jì)原理知識點(diǎn)的講授，讓學(xué)生充分領(lǐng)略專業(yè)的知識內(nèi)涵；另一方面強(qiáng)調(diào)了“學(xué)以致用”，通過應(yīng)用示例的講授，讓學(xué)生進(jìn)一步理解與掌握儀器設(shè)計(jì)原理。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對前期學(xué)習(xí)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(jī)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(jì)實(shí)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(shí)，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生會對儀器設(shè)計(jì)有了完整的概念，并能夠應(yīng)用課程講授的知識點(diǎn)自主進(jìn)行儀器設(shè)計(jì)，對于后期的科研工作將產(chǎn)生直接的引導(dǎo)作用。教學(xué)思想是“引導(dǎo)學(xué)生的專業(yè)興趣為第一要?jiǎng)?wù)”。在講授過程中，教師會多用自身的科研實(shí)例進(jìn)行分析講授，這樣可以引導(dǎo)學(xué)生的專業(yè)興趣。同時(shí)，在講授過程中會特意留下一些發(fā)散性的提問，引導(dǎo)學(xué)生自己進(jìn)行探索與研究。

三、《儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)建設(shè)思想

本課程總學(xué)分為5.0學(xué)分，每周的課時(shí)為2.0～4.0，實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中會占據(jù)比較大的比例。因此，在本課程的教學(xué)過程中，課程組會花費(fèi)比較大的時(shí)間來重新組織構(gòu)建課程實(shí)踐體系，實(shí)現(xiàn)“課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)并重”的模式，讓學(xué)生進(jìn)一步“學(xué)以致用”?！秲x器系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程內(nèi)容涵蓋面是比較廣的，有硬件設(shè)計(jì)相關(guān)知識、固件設(shè)計(jì)相關(guān)知識、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)相關(guān)知識、應(yīng)用程序設(shè)計(jì)相關(guān)知識，而在過去由于時(shí)間不充足，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中更多地強(qiáng)調(diào)了軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)而將硬件設(shè)計(jì)過程變成了“學(xué)習(xí)”過程，就給學(xué)生已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的硬件電路而讓他們在該電路基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件編程，這樣的方式可能使一部分同學(xué)產(chǎn)生了知識誤區(qū)，不少同學(xué)在刻意回避儀器設(shè)計(jì)中的硬件設(shè)計(jì)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(jì)》核心建設(shè)的過程中，課程建設(shè)小組將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)作為突破重點(diǎn)，一方面將實(shí)驗(yàn)時(shí)間從冬學(xué)期延伸到秋、冬整個(gè)長學(xué)期；另一方面也將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了重新整理，將硬件電路設(shè)計(jì)、固件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)都整合到實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果要在學(xué)生的智能手機(jī)進(jìn)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(jì)算機(jī)的現(xiàn)象。學(xué)生對于最終能在智能手機(jī)的APP編程與界面顯示表現(xiàn)出很高的熱情，對整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都是十分投入的，整體實(shí)驗(yàn)效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)是研發(fā)一個(gè)溫度采集儀，實(shí)現(xiàn)溫度信號的實(shí)時(shí)采集與處理電路設(shè)計(jì)和固件設(shè)計(jì)，通過藍(lán)牙通訊模塊在智能手機(jī)上顯示當(dāng)前溫度值。

實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)包括：掌握儀器設(shè)計(jì)的一般流程與核心技術(shù)；掌握儀器電路設(shè)計(jì)流程，完成溫度信號的采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)；掌握儀器固件設(shè)計(jì)流程，完成溫度信號采集與處理固件設(shè)計(jì)；掌握智能手機(jī)APP軟件開發(fā)一般步驟，完成溫度信號的顯示。

實(shí)驗(yàn)主要步驟包括如下。

1.溫度信號的采集與處理電路設(shè)計(jì)：（1）測溫電橋設(shè)計(jì)：本儀器采用熱阻效應(yīng)測量溫度，設(shè)計(jì)一個(gè)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(diǎn)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(dá)到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體積小，能夠測量其他溫度計(jì)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(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)。（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(jìn)行放大，由于放大電路在放大信號的同時(shí)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)采用STM32自帶的ADC采樣功能對所采集到的溫度信號進(jìn)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(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)。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(jìn)行初始化，并將所采集的ADC值通過藍(lán)牙傳輸給手機(jī)。（2）串口初始化函數(shù)，用于對串口進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置。串口初始化函數(shù)對串口參數(shù)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)串口通訊功能。同時(shí)，藍(lán)牙本身也是通過串口的方式進(jìn)行通訊，因此對藍(lán)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(jìn)行參數(shù)配置。

4.編寫智能手機(jī)APP程序。（1）建立工程：啟動(dòng)eclipse程序。依次選擇【File】->【New】->Project命令，打開一個(gè)新工程向?qū)?。?）程序編寫：智能手機(jī)APP編寫的主要工作集中在對藍(lán)牙數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理上，其中藍(lán)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(jìn)行相應(yīng)的處理。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核：（1）STM32程序能夠通過藍(lán)牙將所采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)，傳輸過程應(yīng)嚴(yán)格遵守通訊協(xié)議，同時(shí)STM32應(yīng)當(dāng)通過串口將溫度數(shù)據(jù)打印到PC機(jī)。（2）手機(jī)APP能通過藍(lán)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(diǎn)后一位。（3）溫度測量量程可調(diào)，當(dāng)測量量程為0～100攝氏度時(shí)，所測得數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度的誤差應(yīng)當(dāng)小于2攝氏度，當(dāng)外界溫度環(huán)境變化時(shí)溫度數(shù)據(jù)及時(shí)變化，延遲應(yīng)小于2秒。（4）經(jīng)實(shí)物檢查，根據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成績。

四、結(jié)語

通過本核心課程的建設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生在濃厚的專業(yè)興趣指導(dǎo)下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)與設(shè)計(jì)，同時(shí)通過本課程教學(xué)改革，還形成了一套完整的儀器設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐教程，完成自主開發(fā)的開放式儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)備的開發(fā)，并完成一本儀器設(shè)計(jì)教材編寫工作。本核心課程建設(shè)的一些經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，也可作為同類學(xué)科相關(guān)課程建設(shè)的參考。

參考文獻(xiàn)：

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