《现代智能仪器设计》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号 1070001503 课程中文名称现代智能仪器设计 课程英文名称 Modern intelligent instrument design 课程类别 专业与专业方向误 适用专业 测控技术与仪署 开课学期 第七学期 总学时 48学时，其中课内讲授40学时、实验8学时 总学分 3 开课模式 必修 先修课程 传感器原理，测控电路，单片机原理与接口技术 本课程是测控技术与仪器专业的专业方向课，系统地讲授智能仪器系统的构成与 软硬件设计方法，主要内容包括：智能仪器的基本组成及功能特点：智能仪器的 课程简介 主机电路：智能仪器的外围硬件电路设计：智能仪器的软件设计 :智能仪器的各 种智能化处理技术：智能仪器的各种抗干扰技术：最后通过实例学习智能仪器系 统的搭建方法和设计过程。 建议教材 高云红等.智能仪器技术及工程实例设计.北京：北京航空航天大学出版社，2015 参考资料 [山丁国清，陈欣智能仪器设计.北京：机械工业出版社，2014 2]朱兆优等.智能仪器原理与设计.北京：电子工业出版社，2016 二、课程教学目标 1.知道什么是智能仪器，智能仪器的组成和特点，智能仪器的设计步骤和调试方法，智能仪器主机电 路的主要形式。 2.掌握C51程序设计方法，能够利用ST℃89系列单片机作为主机电路进行智能仪器系统设计。 3.知道键盘的组成和结构特点：知道显示器的种类和特点：知道通信的标准：知道数据采集系统的结 构和组成。 4.能够根据系统要求进行智能仪器人机接口电路的设计。 5.能够根据系统要求选择合适的器件进行智能仪器数据采集系统和输出通道设计 6.能够根据系统要求正确设计通信接口电路。 7.能够根据系统要求选择合适的软件开发环境和编程语言，完成系统的软件设计。 8。知道什么是数字滤波，数字滤波算法的原理，标度变换的方法，量程自动转换原理，故障自诊断的 内容和方法，误差形式和处理方法。 9.掌握智能仪器的智能化处理方法，包括：能够对误差进行适当的分析与处理，能够根据系统的噪声 情况选择合适的数字滤波方法，能够根据测量参数选择合适的标度变换方法，能够根据测量范围和误 差要求合理确定量程，能够对系统的主要部件进行故障自诊断 10.知道干扰的产生及分类，串模及共模干扰的抑制方法，抑制干扰的硬件措施技术，软件抗干扰的
《现代智能仪器设计》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号 1070001503 课程中文名称 现代智能仪器设计 课程英文名称 Modern intelligent instrument design 课程类别 专业与专业方向课 适用专业 测控技术与仪器 开课学期 第七学期 总 学 时 48学时，其中课内讲授40学时、实验8学时 总 学 分 3 开课模式 必修 先修课程 传感器原理，测控电路，单片机原理与接口技术 课程简介 本课程是测控技术与仪器专业的专业方向课，系统地讲授智能仪器系统的构成与 软硬件设计方法，主要内容包括：智能仪器的基本组成及功能特点；智能仪器的 主机电路；智能仪器的外围硬件电路设计；智能仪器的软件设计；智能仪器的各 种智能化处理技术；智能仪器的各种抗干扰技术；最后通过实例学习智能仪器系 统的搭建方法和设计过程。 建议教材 高云红等. 智能仪器技术及工程实例设计. 北京:北京航空航天大学出版社, 2015 参考资料 [1] 丁国清,陈欣.智能仪器设计. 北京: 机械工业出版社,2014 [2] 朱兆优等.智能仪器原理与设计. 北京: 电子工业出版社, 2016 二、课程教学目标 1．知道什么是智能仪器，智能仪器的组成和特点，智能仪器的设计步骤和调试方法，智能仪器主机电 路的主要形式。 2．掌握C51程序设计方法，能够利用STC89系列单片机作为主机电路进行智能仪器系统设计。 3．知道键盘的组成和结构特点；知道显示器的种类和特点；知道通信的标准；知道数据采集系统的结 构和组成。 4．能够根据系统要求进行智能仪器人机接口电路的设计。 5．能够根据系统要求选择合适的器件进行智能仪器数据采集系统和输出通道设计。 6．能够根据系统要求正确设计通信接口电路。 7．能够根据系统要求选择合适的软件开发环境和编程语言，完成系统的软件设计。 8．知道什么是数字滤波，数字滤波算法的原理，标度变换的方法，量程自动转换原理，故障自诊断的 内容和方法，误差形式和处理方法。 9．掌握智能仪器的智能化处理方法，包括：能够对误差进行适当的分析与处理，能够根据系统的噪声 情况选择合适的数字滤波方法，能够根据测量参数选择合适的标度变换方法，能够根据测量范围和误 差要求合理确定量程，能够对系统的主要部件进行故障自诊断。 10．知道干扰的产生及分类，串模及共模干扰的抑制方法，抑制干扰的硬件措施技术，软件抗干扰的
方法：能够利用看门狗技术提高系统运行的可靠性， 11.能够利用本课程所学知识和方法解决实际工程问题。 三、课程教学目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 指标点 内容 HL 课程教学目标 1.工程知识：能够将数学、自 13掌握测控技术与仪器专业技术知识， 然科学、工程基础和专业知识 教学目标1,3， 多综合运用专业知识和技术，解决测控领域 用于解决复杂工程间题。 的复杂工程间题。 8 3设计开发解决方，能够设3】能够根据用户的特定需求，清描述测 计针对 控系统的设计任务， 识别任务面临的各项制 0.1 题的解决方案，设计满足特定 约条件，完成系统综合性设计 牧学目标1,2 需求的测控系统，并能够在设 32能够综合运用专业理论和技术手段设计 4,5,6,7,9, 计环节中体现创新意识，考虑 针对测控领域复杂工程问颗的解决方案，讲 社会、康、安全、法律、文 行工程技术可行性分析，并在设计中体现创 0 10,11 化及环境等因素。 断意识 4研究：能够基于专业理论知 识，采用科学方法对测控领域 4.3能够根据测控领域工程任务需要，对数 的复杂工程问题进行研究，能 据信息进行分析和解释，通过信息综合得到 牧学目标9,11 验结果进行合分析，通过信 合理有效的结论。 息综合得到有效结论。 5使用现代工具：掌握文献检 索、资料杏询及坛用现代信息 5.2能够正确选择和使用恰当的技术、资源 技术获取相关信息的基本方 法，能够针对测控领域复杂 和工具，理解各自的特点及局限性，以及仿 程问题，开发、选择与使用恰 真模拟结果与工程实践的差异。 教学目标4,5， 当的技术、资源、现代工程 6,7,9,10,11 具和信息技术工具，包括对测 5.3能够使用恰当的技术，选择合适的现代 工程工具软件，针对测控领域复杂工程问 控领域复杂工程问颗的计算， 题，完成测量和控制系统的设计、仿真和模 真和模拟，并能够理解解决 拟分析 方法的局限性。 四、理论教学内容与要求 计划 支撑散 知识博块 知识点 教学要求 学时 学目标 (1)仪器仪表的发展历 ①了解电子仪器的发展历史： 1概述 程及趋势 0.5 ②了解智能仪器的发展趋势 教学目 ①知道智能仪器的基本概念： (2学时) (2)智能仪器的基本组 成及特点 ②知道智能仪器的组成， 能够根据系统要求画 0.5 出系统框图
方法；能够利用看门狗技术提高系统运行的可靠性。 11．能够利用本课程所学知识和方法解决实际工程问题。 三、课程教学目标与毕业要求的对应关系 毕业要求 指标点 课程教学目标 内容 H/L 1.工程知识：能够将数学、自 然科学、工程基础和专业知识 用于解决复杂工程问题。 1.3 掌握测控技术与仪器专业技术知识，能 够综合运用专业知识和技术，解决测控领域 的复杂工程问题。 L 教学目标 1，3， 8 3.设计/开发解决方案：能够设 计针对测控领域复杂工程问 题的解决方案，设计满足特定 需求的测控系统，并能够在设 计环节中体现创新意识，考虑 社会、健康、安全、法律、文 化及环境等因素。 3.1 能够根据用户的特定需求，清晰描述测 控系统的设计任务，识别任务面临的各项制 约条件，完成系统综合性设计。 0.1 教学目标 1，2， 4，5，6，7，9， 10，11 3.2 能够综合运用专业理论和技术手段设计 针对测控领域复杂工程问题的解决方案，进 行工程技术可行性分析，并在设计中体现创 新意识。 0.1 4 研究：能够基于专业理论知 识，采用科学方法对测控领域 的复杂工程问题进行研究，能 够根据问题设计实验，并对实 验结果进行综合分析，通过信 息综合得到有效结论。 4.3 能够根据测控领域工程任务需要，对数 据信息进行分析和解释，通过信息综合得到 合理有效的结论。 L 教学目标 9，11 5.使用现代工具：掌握文献检 索、资料查询及运用现代信息 技术获取相关信息的基本方 法，能够针对测控领域复杂工 程问题，开发、选择与使用恰 当的技术、资源、现代工程工 具和信息技术工具，包括对测 控领域复杂工程问题的计算、 仿真和模拟，并能够理解解决 方法的局限性。 5.2 能够正确选择和使用恰当的技术、资源 和工具，理解各自的特点及局限性，以及仿 真模拟结果与工程实践的差异。 L 教学目标 4，5， 6，7，9，10,11 5.3 能够使用恰当的技术，选择合适的现代 工程工具软件，针对测控领域复杂工程问 题，完成测量和控制系统的设计、仿真和模 拟分析。 L 四、理论教学内容与要求 知识模块 知识点 教学要求 计划 学时 支撑教 学目标 1.概述 （2学时） (1)仪器仪表的发展历 程及趋势 ①了解电子仪器的发展历史； ②了解智能仪器的发展趋势。 0.5 教学目 (2)智能仪器的基本组 标1 成及特点 ①知道智能仪器的基本概念； ②知道智能仪器的组成，能够根据系统要求画 出系统框图； 0.5
③知道智能仪器的特点 (3)智能仪器的设计要 知道智能仪器的设计原则 ②知道智能仪器的设计步骤： 点 ③知道智能仪器的调试方法。 (1)基于51内核的单片 ①知道基于80C51内核的单片机的特点： 2.智能仪器 机 ②掌握Keil C51程序设计方法，能够根据系纷 求利用STC89C52单片机进行系统设计. 的主机电 ①知道基于ARM内核的单片机的特点： (2)基于ARM内核的 教学目 ②ARM洗型与应用， 单片机 (6学时) ③知道STM32F103单片机结构和最小系统， 标1,2 (3)DSP数字处理器 知道基于DSP内核的单片机的特点 ②DSP选型与应用。 ①知道LED显示器的种类及显示方式和原理： ②知道非综码式键盘的结构及特点： (1)智能仪器人机接口 设计 ③知道1CD显示器的T作特占及给程方法】 ④能够根据系统要求设计智能仪器的人机接 电路。 ①知道数据采集系统的组成： ②知道传感器的选用原则： ③知道模拟信号放大电路的类型及典型器件： ④知道模拟多路开关的类型及典型器件 3智能仪器 (2)智能仪器数据采集 ⑤知道采样与保持的工作原理及典型器件 系统设计 教学目 外围接口 ⑥知道AD转换器的类型、工作原理及典型器 设计 件： 场 (12学时) ⑦能够根据系统要求设计智能仪器的数据采集 3.4,5,6 系统。 (3)智能仪器信号输出 ①知道D/A转换器的工作原理及典型器件： 通道设计 ②能够根据要求设计智能仪器系统模拟信号输 2 通首 ①知道串行币信的典型标准，能够根据要求正 (4)智能仪器通信接口 确设计通信接口电路： ②知道GPB并行接口总线的基本特性和总线结 2 设计 构： ③知道典型的无线通信技术。 (1)智能仪器的软件开 知道智能仪器的两种开发环墙： 发环境和编程语言 ②知道汇编语言和C51语言的优缺点 0.5 4智能仪器 ①知道软件设计方法： 的软件设 (2)基于裸机的软件设 ②知道系统监控程序的三种结构，能够根据要 教学目 计 计方法 求正确设计系统的监控程序。 标7 (2学时) (3)基于嵌入式操作系 )知道嵌入式操作系统 ②知道典型的嵌入式软件设计方法： 0.5 统的软件设计基础 ①知道基于模型的系统误苏自按准方法： 5智能仪 ()智能仪器的自校准 ②知道基于标准数据表的系统误差自校准方 2 教学目
③知道智能仪器的特点。 (3)智能仪器的设计要 点 ①知道智能仪器的设计原则； ②知道智能仪器的设计步骤； ③知道智能仪器的调试方法。 1 2.智能仪器 的主机电 路 （6 学时） (1)基于51内核的单片 机 ①知道基于 80C51 内核的单片机的特点； ②掌握 Keil C51 程序设计方法，能够根据系统 要求利用 STC89C52 单片机进行系统设计。 4 教学目 标1，2 (2)基于ARM内核的 单片机 ①知道基于ARM内核的单片机的特点； ②ARM选型与应用； ③知道STM32F103单片机结构和最小系统。 1 (3)DSP数字处理器 ①知道基于DSP内核的单片机的特点； ②DSP选型与应用。 1 3 智能仪器 外围接口 设计 （12 学时） (1)智能仪器人机接口 设计 ①知道LED显示器的种类及显示方式和原理； ②知道非编码式键盘的结构及特点； ③知道LCD显示器的工作特点及编程方法； ④能够根据系统要求设计智能仪器的人机接口 电路。 4 教学目 标 3,4,5,6 (2)智能仪器数据采集 系统设计 ①知道数据采集系统的组成； ②知道传感器的选用原则； ③知道模拟信号放大电路的类型及典型器件； ④知道模拟多路开关的类型及典型器件； ⑤知道采样与保持的工作原理及典型器件； ⑥知道A/D转换器的类型、工作原理及典型器 件； ⑦能够根据系统要求设计智能仪器的数据采集 系统。 4 (3)智能仪器信号输出 通道设计 ①知道D/A转换器的工作原理及典型器件； ②能够根据要求设计智能仪器系统模拟信号输 出通道。 2 (4)智能仪器通信接口 设计 ①知道串行通信的典型标准，能够根据要求正 确设计通信接口电路； ②知道GPIB并行接口总线的基本特性和总线结 构； ③知道典型的无线通信技术。 2 4 智能仪器 的软件设 计 （2 学时） (1)智能仪器的软件开 发环境和编程语言 ①知道智能仪器的两种开发环境； ②知道汇编语言和C51语言的优缺点。 0.5 教学目 标7 (2)基于裸机的软件设 计方法 ①知道软件设计方法； ②知道系统监控程序的三种结构，能够根据要 求正确设计系统的监控程序。 1 (3)基于嵌入式操作系 统的软件设计基础。 ①知道嵌入式操作系统； ②知道典型的嵌入式软件设计方法； 0.5 5 智能仪 (1)智能仪器的自校准 ①知道基于模型的系统误差自校准方法； ②知道基于标准数据表的系统误差自校准方 2 教学目
器的智能 方法 法： 标89 化处理技 ③知道基于曲线拟合的系统误差自校准方法 术 知道吉大 (10学时)(2)智能仪器的数字滤 ③知道复合滤波方法： 波技术 ④知道数字低通滤波法： 2 ⑤能够根据干扰信号类型，合理选择数字滤波 方法，设计滤波程序。 ①知道标度变换的硬件实现方法： 3)智能仪器的标度变 ②知道标度变换的软件实现方法】 换技术 ③能够根据系统要求选择合适的标度变换方法 对系统进行标度变换 ①知道量程自动转换原理： (4智能仪器的量程自 ②知道量程上下限的确定方法： 2 动转换技术 ③知道量程自动转换性能的提高方式： )能够根据误差要求合理确定量程的上下限。 ①知道自检测方式： (5)智能仪器的故障自 ②知道自诊断内容与方法： 检测技术 ③知道自检软件的编写流程。 知道干扰的来丽 (1)干扰的产生及分类 6智能仪器 知道千扰的 耦合方式 ①知道空间辐射的干扰抑制方法： 的抗干扰 (2)抑制干扰的硬件措 教学目 ②知道信号传输通道的干扰抑制方法， 技术 施技术 15 ③知道电源的干扰抑制方法。 标10 (4学时) (3)软件抗干扰技术 ①知道软件陷阱技术： ②知道程序运行监视系统的设计方法 ①知道DS18B20温度传感器的工作原理和编程 (1)智能温度巡检仪的 方法： 7智能仪器 的设计实 软硬件设计 ②能够根据系统要求实现温度巡检仪的软硬件 设计 教学目 例 ①知道气压测高的原理： 标11 (4学时) (2)气压高度表的软硬 ②能够根据系统要求实现气压高度表的软硬件 件设计 设计。 五、实验教学内容与要求 实验设备及材 实验 计划 支撑 必做 实验项目 实验原理 教学要求 女 教学 类型 学时 目标 选做 以单片机为控 初步掌握智能仪器系 制核心，选择合统设计方法，培养学生 教学 智能温 适的传感器，设能够根据设计任务合 计算机，proteus 设计 目标 度设计 计一多占温府 理确定设计方案，绘制 仿真软件 必做 巡检系统，具有 硬件电路原 手动自动切换程序，调试系统，根据
器的智能 化处理技 术 （10 学时） 方法 法； ③知道基于曲线拟合的系统误差自校准方法； 标8,9 (2)智能仪器的数字滤 波技术 ①知道克服大脉冲干扰的数字滤波方法； ②知道抑制小幅度高频噪声的平均滤波方法； ③知道复合滤波方法； ④知道数字低通滤波法； ⑤能够根据干扰信号类型，合理选择数字滤波 方法，设计滤波程序。 2 (3)智能仪器的标度变 换技术 ①知道标度变换的硬件实现方法； ②知道标度变换的软件实现方法； ③能够根据系统要求选择合适的标度变换方法 对系统进行标度变换。 2 (4)智能仪器的量程自 动转换技术 ①知道量程自动转换原理； ②知道量程上下限的确定方法； ③知道量程自动转换性能的提高方式； ④能够根据误差要求合理确定量程的上下限。 2 (5)智能仪器的故障自 检测技术 ①知道自检测方式； ②知道自诊断内容与方法； ③知道自检软件的编写流程。 2 6 智能仪器 的抗干扰 技术 （4 学时） (1)干扰的产生及分类 ①知道干扰的来源； ②知道干扰的耦合方式。 1 教学目 标10 (2)抑制干扰的硬件措 施技术 ①知道空间辐射的干扰抑制方法； ②知道信号传输通道的干扰抑制方法； ③知道电源的干扰抑制方法。 1.5 (3)软件抗干扰技术 ①知道软件陷阱技术； ②知道程序运行监视系统的设计方法。 1.5 7 智能仪器 的设计实 例 （4 学时） (1)智能温度巡检仪的 软硬件设计 ①知道DS18B20温度传感器的工作原理和编程 方法； ②能够根据系统要求实现温度巡检仪的软硬件 设计。 2 教学目 标11 (2)气压高度表的软硬 件设计 ①知道气压测高的原理； ②能够根据系统要求实现气压高度表的软硬件 设计。 2 五、实验教学内容与要求 实验项目 实验原理 教学要求 实验设备及材 料 实验 类型 计划 学时 支撑 教学 目标 必做/ 选做 1.智能温 度巡检 仪设计 以单片机为控 制核心，选择合 适的传感器，设 计一多点温度 巡检系统，具有 手动自动切换 初步掌握智能仪器系 统设计方法，培养学生 能够根据设计任务合 理确定设计方案，绘制 硬件电路原理图，编制 程序，调试系统，根据 计算机，proteus 仿真软件 设计 型 4 教学 目标 11 必做
检测点、设置阈测试数据讲行分析的 报警等功能。 能力。要求学生重点掌 握数字温度传感器的 使用方法，LED显示 器的设计方法。鼓励学 生进行功能扩展，个性 化设计，体现创新意识 初步掌握智能仪器系 统设计方法，培养学生 以单片机为控 能够根据设计任务合 制核心，选择合 理确定设计方案，绘制 适的传感器 硬件电路原 图，编市 气压高度 程序，调试系统，根胡 计算机，proteus设计 教学 计一 4 表，具有高度 测试数据进行分析的 目标 必做 气压显示功能， 能力。要求学生重点掌 仿真软件 11 据AD转换器，LCD 设置值报警 功能。 显示器的设计方法。鼓 励学生进行功能扩展 个性化设计，体现创新 意识。 六、考核要求及考核方式 1.考核要求 (1)课程考核应能够切实考核是否达成各项课程目标： (2)考核内容至少覆盖本课程知识点的60% (3)同一学期试卷中(A、B)试题重复率不超过20%，近三个学年内的试卷试题重复率不超 过20%： (4)考核难度：基本难度题目约60%，中等难度题目约30%，高等难度题目约10%。 2.考核方式 考核环节 权重(%) 备注 期末考试 70 闭卷考试 平时老核 20 作业、课微测哈及表现等 实验设计 10 实验过程、实验报告 执笔者：高云红，崔建国审核人：徐涛 修订日期： 2016年6月30日
检测点、设置阈 值报警等功能。 测试数据进行分析的 能力。要求学生重点掌 握数字温度传感器的 使用方法，LED 显示 器的设计方法。鼓励学 生进行功能扩展，个性 化设计，体现创新意识 。 2.气压高 度表设 计 以单片机为控 制核心，选择合 适的传感器，设 计一气压高度 表，具有高度、 气压显示功能， 设置阈值报警 功能。 初步掌握智能仪器系 统设计方法，培养学生 能够根据设计任务合 理确定设计方案，绘制 硬件电路原理图，编制 程序，调试系统，根据 测试数据进行分析的 能力。要求学生重点掌 握 A/D 转换器，LCD 显示器的设计方法。鼓 励学生进行功能扩展， 个性化设计，体现创新 意识。 计算机，proteus 仿真软件 设计 型 4 教学 目标 11 必做 六、考核要求及考核方式 1. 考核要求 （1）课程考核应能够切实考核是否达成各项课程目标； （2）考核内容至少覆盖本课程知识点的60%； （3）同一学期试卷中（A、B）试题重复率不超过20%，近三个学年内的试卷试题重复率不超 过20%； （4）考核难度：基本难度题目约60%，中等难度题目约30%，高等难度题目约10%。 2. 考核方式 考核环节 权重（%） 备注 期末考试 70 闭卷考试 平时考核 20 作业、课堂测验及表现等 实验设计 10 实验过程、实验报告 执笔者： 高云红，崔建国 审核人： 徐涛 修订日期： 2016年 6月 30日