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摘要：《仪器系统设计》课程是测控技术及仪器专业的核心课程，本文主要讨论了该核心课程建设的一些背景与相关措施，并重点对课程实验设计提出了整体化方案。从目前上课的实际效果看，核心课程建设对于学生仪器课程的理论与应用学习都具有较好的意义。
关键词：仪器系统设计；核心课程建设；实验环节
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）32-0204-02
一、《仪器系统设计》课程建设背景
作为测控技术及仪器专业，《仪器系统设计》课程无疑是专业的最主要课程之一。在本专业课程建设过程中，前几年，《仪器系统设计》内容分为了《现代仪器概论》与《現代仪器系统设计》两门独立的课程，其中《现代仪器概念》在大三秋学期，主要偏重仪器基础原理；《现代仪器系统设计》在大三冬学期，主要偏重仪器设计与应用，并附有实验环节。两门课程的主讲教师都是热衷于教学，也都结合了自己的科研实践跟学生进行了讲解与交流，课程评价均分别多次评为优秀。但在上课过程中，通过与学生课后的交流，发现两门课有些知识点存在着一定的重复性，同时也存在着仪器相关知识的缺漏部分。某些知识点在《现代仪器系统设计》中认为学生应该已经掌握了，但事实上学生这方面的知识还很欠缺。此外，由于《现代仪器概念》课程没有实验，而《现代仪器系统设计》实验只有一个冬学期，实验时间不够充足，而课堂知识点又是比较丰富，事实上存在实验课程无法完全让学生全方面深入掌握课堂知识的缺点。为了进一步打造专业精品课程，在学校与学院的大力支持下，本专业在《现代仪器概论》与《现代仪器系统设计》两门课程的基础上，进行了全部重新梳理与建设，将两门课程合二为一，打造出一门《仪器系统设计》专业核心课程。核心课程组织了课程建设小组，以原有两位教师为主要负责教师，并组织其他相关教师一起参与，重新审视与打造这门课程的大纲与内容。作为一门长学期课程，《仪器系统设计》就在大三秋、冬两个学期连上，在内容上进行了统一的编排与整理，并突出实验环节的实践性与扩展性，希望学生通过该课程的学习去完成仪器专业科研工作的基本设计流程，并能将课程知识直接应用到类似毕业设计等科研实践环节中去，成为仪器专业综合应用的基础课程。
二、《仪器系统设计》课程建设相关措施
为了建设好《仪器系统设计》专业这门核心课程，课程建设小组首先重新对国内外相关课程体系进行了调研与分析。在国外，也有多个学校设置了仪器相关课程，如美国麻省理工学院、美国加州大学伯克利分校、普渡大学、日本东京大学、加拿大多伦多大学、德国柏林工业大学等高等院校。但在这些学校里，仪器课程一般都设置在机械学院，以“精密机械设计”、“机电一体化”等课程为主，与我国的天津大学、清华大学等相关院校的课程设置更接近，而类似本专业这样以电子技术与系统设计为核心的仪器专业课程往往没有单独设置，都以电气学科为多。因此，在设置与讨论本课程大纲内容的时候，一方面要积极参考国外的同类专业课程大纲，另一方面也需要参考电气学院相关课程大纲，重新拟定出适合本专业学生培养目标的课程结构与内容。本课程的理念还贯穿了“原理与应用并重”原则，一方面要加强对于学生仪器设计原理知识点的讲授，让学生充分领略专业的知识内涵；另一方面强调了“学以致用”，通过应用示例的讲授，让学生进一步理解与掌握仪器设计原理。通过本课程的学习，学生对前期学习的专业基础知识有了很好的理解，可以真正理解传感器技术、微机原理、模拟电路、数字电路、微弱信号处理、数字信号处理、嵌入式系统原理、嵌入式操作系统等课程知识在仪器设计实践中是如何应用的，从而对专业产生浓厚的兴趣。同时，通过本课程的学习，学生会对仪器设计有了完整的概念，并能够应用课程讲授的知识点自主进行仪器设计，对于后期的科研工作将产生直接的引导作用。教学思想是“引导学生的专业兴趣为第一要务”。在讲授过程中，教师会多用自身的科研实例进行分析讲授，这样可以引导学生的专业兴趣。同时，在讲授过程中会特意留下一些发散性的提问，引导学生自己进行探索与研究。
三、《仪器系统设计》课程实验环节建设思想
本课程总学分为5.0学分，每周的课时为2.0～4.0，实验在教学过程中会占据比较大的比例。因此，在本课程的教学过程中，课程组会花费比较大的时间来重新组织构建课程实践体系，实现“课程教学与实验教学并重”的模式，让学生进一步“学以致用”。《仪器系统设计》课程内容涵盖面是比较广的，有硬件设计相关知识、固件设计相关知识、驱动程序设计相关知识、应用程序设计相关知识，而在过去由于时间不充足，实验环节中更多地强调了软件设计环节而将硬件设计过程变成了“学习”过程，就给学生已经设计完成的硬件电路而让他们在该电路基础上进行软件编程，这样的方式可能使一部分同学产生了知识误区，不少同学在刻意回避仪器设计中的硬件设计与调试过程，觉得那方面特别难。在此次《仪器系统设计》核心建设的过程中，课程建设小组将实验环节作为突破重点，一方面将实验时间从冬学期延伸到秋、冬整个长学期；另一方面也将实验内容进行了重新整理，将硬件电路设计、固件设计、驱动设计与应用软件设计都整合到实验内容，一环接一环，前一环的输出恰好是后一环的输入，最终实验结果要在学生的智能手机进行界面显示，这在某种程度上也打破了过去虚拟仪器依赖于计算机的现象。学生对于最终能在智能手机的APP编程与界面显示表现出很高的热情，对整个实验过程都是十分投入的，整体实验效果达到了预期目标。
实验的主要目标是研发一个温度采集仪，实现温度信号的实时采集与处理电路设计和固件设计，通过蓝牙通讯模块在智能手机上显示当前温度值。
实验的主要任务包括：掌握仪器设计的一般流程与核心技术；掌握仪器电路设计流程，完成温度信号的采集与调理电路设计；掌握仪器固件设计流程，完成温度信号采集与处理固件设计；掌握智能手机APP软件开发一般步骤，完成温度信号的显示。 实验主要步骤包括如下。
1.温度信号的采集与处理电路设计：（1）测温电桥设计：本仪器采用热阻效应测量温度，设计一个基于热敏电阻的测温电桥，根据热敏电阻PT1000的阻值变化求得温度值。热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10℃～6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。（2）前置放大电路：前置放大电路指位于信号源与放大器之间的电路，将测温电桥所采集到的信号进行放大，由于放大电路在放大信号的同时也放大了噪声，因此需要后续的滤波电路滤除噪声信号。（3）低通滤波电路：低通滤波的规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波需求而改变。（4）偏置电路：偏置电路的作用是为三极管提供正常的工作点，使三极管工作在线性放大状态。
2.IAR开发环境搭建：搭建基于STM32处理器的固件开发环境。
3.编写STM32程序：本实验采用STM32自带的ADC采样功能对所采集到的温度信号进行AD采样，并将所采集到的电压信号转换为对应的温度值，通过蓝牙模块将数据发送至手机。程序主要模块包括：（1）主函数：main函数调用初始化函数对硬件进行初始化，并将所采集的ADC值通过蓝牙传输给手機。（2）串口初始化函数，用于对串口进行初始化，实现参数配置。串口初始化函数对串口参数进行配置，实现串口通讯功能。同时，蓝牙本身也是通过串口的方式进行通讯，因此对蓝牙模块的配置与对串口的配置是一致的。（3）ADC初始化函数，用于对ADC采样进行参数配置。
4.编写智能手机APP程序。（1）建立工程：启动eclipse程序。依次选择【File】->【New】->Project命令，打开一个新工程向导。（2）程序编写：智能手机APP编写的主要工作集中在对蓝牙数据的收发和处理上，其中蓝牙数据接收函数如下所示，根据通讯协议对数据进行相应的处理。
5.实验结果考核：（1）STM32程序能够通过蓝牙将所采集的温度数据传输给手机，传输过程应严格遵守通讯协议，同时STM32应当通过串口将温度数据打印到PC机。（2）手机APP能通过蓝牙向STM32发送读取温度数据的请求，并将STM32返回的温度数据以文本或者图表的形式显示出来，精确至小数点后一位。（3）温度测量量程可调，当测量量程为0～100摄氏度时，所测得数据与实际温度的误差应当小于2摄氏度，当外界温度环境变化时温度数据及时变化，延迟应小于2秒。（4）经实物检查，根据综合实验结果，给出相应的实验成绩。
四、结语
通过本核心课程的建设，引导学生在浓厚的专业兴趣指导下进行自主学习与设计，同时通过本课程教学改革，还形成了一套完整的仪器设计教学实践教程，完成自主开发的开放式仪器设计实验平台设备的开发，并完成一本仪器设计教材编写工作。本核心课程建设的一些经验与教训，也可作为同类学科相关课程建设的参考。
参考文献：
[1]周泓.仪器系统设计[M].杭州：浙江大学出版社，2015.
关键词：仪器系统设计；核心课程建设；实验环节
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）32-0204-02
一、《仪器系统设计》课程建设背景
作为测控技术及仪器专业，《仪器系统设计》课程无疑是专业的最主要课程之一。在本专业课程建设过程中，前几年，《仪器系统设计》内容分为了《现代仪器概论》与《現代仪器系统设计》两门独立的课程，其中《现代仪器概念》在大三秋学期，主要偏重仪器基础原理；《现代仪器系统设计》在大三冬学期，主要偏重仪器设计与应用，并附有实验环节。两门课程的主讲教师都是热衷于教学，也都结合了自己的科研实践跟学生进行了讲解与交流，课程评价均分别多次评为优秀。但在上课过程中，通过与学生课后的交流，发现两门课有些知识点存在着一定的重复性，同时也存在着仪器相关知识的缺漏部分。某些知识点在《现代仪器系统设计》中认为学生应该已经掌握了，但事实上学生这方面的知识还很欠缺。此外，由于《现代仪器概念》课程没有实验，而《现代仪器系统设计》实验只有一个冬学期，实验时间不够充足，而课堂知识点又是比较丰富，事实上存在实验课程无法完全让学生全方面深入掌握课堂知识的缺点。为了进一步打造专业精品课程，在学校与学院的大力支持下，本专业在《现代仪器概论》与《现代仪器系统设计》两门课程的基础上，进行了全部重新梳理与建设，将两门课程合二为一，打造出一门《仪器系统设计》专业核心课程。核心课程组织了课程建设小组，以原有两位教师为主要负责教师，并组织其他相关教师一起参与，重新审视与打造这门课程的大纲与内容。作为一门长学期课程，《仪器系统设计》就在大三秋、冬两个学期连上，在内容上进行了统一的编排与整理，并突出实验环节的实践性与扩展性，希望学生通过该课程的学习去完成仪器专业科研工作的基本设计流程，并能将课程知识直接应用到类似毕业设计等科研实践环节中去，成为仪器专业综合应用的基础课程。
二、《仪器系统设计》课程建设相关措施
为了建设好《仪器系统设计》专业这门核心课程，课程建设小组首先重新对国内外相关课程体系进行了调研与分析。在国外，也有多个学校设置了仪器相关课程，如美国麻省理工学院、美国加州大学伯克利分校、普渡大学、日本东京大学、加拿大多伦多大学、德国柏林工业大学等高等院校。但在这些学校里，仪器课程一般都设置在机械学院，以“精密机械设计”、“机电一体化”等课程为主，与我国的天津大学、清华大学等相关院校的课程设置更接近，而类似本专业这样以电子技术与系统设计为核心的仪器专业课程往往没有单独设置，都以电气学科为多。因此，在设置与讨论本课程大纲内容的时候，一方面要积极参考国外的同类专业课程大纲，另一方面也需要参考电气学院相关课程大纲，重新拟定出适合本专业学生培养目标的课程结构与内容。本课程的理念还贯穿了“原理与应用并重”原则，一方面要加强对于学生仪器设计原理知识点的讲授，让学生充分领略专业的知识内涵；另一方面强调了“学以致用”，通过应用示例的讲授，让学生进一步理解与掌握仪器设计原理。通过本课程的学习，学生对前期学习的专业基础知识有了很好的理解，可以真正理解传感器技术、微机原理、模拟电路、数字电路、微弱信号处理、数字信号处理、嵌入式系统原理、嵌入式操作系统等课程知识在仪器设计实践中是如何应用的，从而对专业产生浓厚的兴趣。同时，通过本课程的学习，学生会对仪器设计有了完整的概念，并能够应用课程讲授的知识点自主进行仪器设计，对于后期的科研工作将产生直接的引导作用。教学思想是“引导学生的专业兴趣为第一要务”。在讲授过程中，教师会多用自身的科研实例进行分析讲授，这样可以引导学生的专业兴趣。同时，在讲授过程中会特意留下一些发散性的提问，引导学生自己进行探索与研究。
三、《仪器系统设计》课程实验环节建设思想
本课程总学分为5.0学分，每周的课时为2.0～4.0，实验在教学过程中会占据比较大的比例。因此，在本课程的教学过程中，课程组会花费比较大的时间来重新组织构建课程实践体系，实现“课程教学与实验教学并重”的模式，让学生进一步“学以致用”。《仪器系统设计》课程内容涵盖面是比较广的，有硬件设计相关知识、固件设计相关知识、驱动程序设计相关知识、应用程序设计相关知识，而在过去由于时间不充足，实验环节中更多地强调了软件设计环节而将硬件设计过程变成了“学习”过程，就给学生已经设计完成的硬件电路而让他们在该电路基础上进行软件编程，这样的方式可能使一部分同学产生了知识误区，不少同学在刻意回避仪器设计中的硬件设计与调试过程，觉得那方面特别难。在此次《仪器系统设计》核心建设的过程中，课程建设小组将实验环节作为突破重点，一方面将实验时间从冬学期延伸到秋、冬整个长学期；另一方面也将实验内容进行了重新整理，将硬件电路设计、固件设计、驱动设计与应用软件设计都整合到实验内容，一环接一环，前一环的输出恰好是后一环的输入，最终实验结果要在学生的智能手机进行界面显示，这在某种程度上也打破了过去虚拟仪器依赖于计算机的现象。学生对于最终能在智能手机的APP编程与界面显示表现出很高的热情，对整个实验过程都是十分投入的，整体实验效果达到了预期目标。
实验的主要目标是研发一个温度采集仪，实现温度信号的实时采集与处理电路设计和固件设计，通过蓝牙通讯模块在智能手机上显示当前温度值。
实验的主要任务包括：掌握仪器设计的一般流程与核心技术；掌握仪器电路设计流程，完成温度信号的采集与调理电路设计；掌握仪器固件设计流程，完成温度信号采集与处理固件设计；掌握智能手机APP软件开发一般步骤，完成温度信号的显示。 实验主要步骤包括如下。
1.温度信号的采集与处理电路设计：（1）测温电桥设计：本仪器采用热阻效应测量温度，设计一个基于热敏电阻的测温电桥，根据热敏电阻PT1000的阻值变化求得温度值。热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10℃～6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。（2）前置放大电路：前置放大电路指位于信号源与放大器之间的电路，将测温电桥所采集到的信号进行放大，由于放大电路在放大信号的同时也放大了噪声，因此需要后续的滤波电路滤除噪声信号。（3）低通滤波电路：低通滤波的规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波需求而改变。（4）偏置电路：偏置电路的作用是为三极管提供正常的工作点，使三极管工作在线性放大状态。
2.IAR开发环境搭建：搭建基于STM32处理器的固件开发环境。
3.编写STM32程序：本实验采用STM32自带的ADC采样功能对所采集到的温度信号进行AD采样，并将所采集到的电压信号转换为对应的温度值，通过蓝牙模块将数据发送至手机。程序主要模块包括：（1）主函数：main函数调用初始化函数对硬件进行初始化，并将所采集的ADC值通过蓝牙传输给手機。（2）串口初始化函数，用于对串口进行初始化，实现参数配置。串口初始化函数对串口参数进行配置，实现串口通讯功能。同时，蓝牙本身也是通过串口的方式进行通讯，因此对蓝牙模块的配置与对串口的配置是一致的。（3）ADC初始化函数，用于对ADC采样进行参数配置。
4.编写智能手机APP程序。（1）建立工程：启动eclipse程序。依次选择【File】->【New】->Project命令，打开一个新工程向导。（2）程序编写：智能手机APP编写的主要工作集中在对蓝牙数据的收发和处理上，其中蓝牙数据接收函数如下所示，根据通讯协议对数据进行相应的处理。
5.实验结果考核：（1）STM32程序能够通过蓝牙将所采集的温度数据传输给手机，传输过程应严格遵守通讯协议，同时STM32应当通过串口将温度数据打印到PC机。（2）手机APP能通过蓝牙向STM32发送读取温度数据的请求，并将STM32返回的温度数据以文本或者图表的形式显示出来，精确至小数点后一位。（3）温度测量量程可调，当测量量程为0～100摄氏度时，所测得数据与实际温度的误差应当小于2摄氏度，当外界温度环境变化时温度数据及时变化，延迟应小于2秒。（4）经实物检查，根据综合实验结果，给出相应的实验成绩。
四、结语
通过本核心课程的建设，引导学生在浓厚的专业兴趣指导下进行自主学习与设计，同时通过本课程教学改革，还形成了一套完整的仪器设计教学实践教程，完成自主开发的开放式仪器设计实验平台设备的开发，并完成一本仪器设计教材编写工作。本核心课程建设的一些经验与教训，也可作为同类学科相关课程建设的参考。
参考文献：
[1]周泓.仪器系统设计[M].杭州：浙江大学出版社，2015.