《智能仪器设计技术》课程教学大纲

《智能仪器设计技术》教学大纲一、课程基本信息课程名称智能仪器设计技术TechnologyofIntelligentInstrumentDesign课程编码CTL422611020开课院部控制科学与工程学院课程团队测控仪器学分2.0课内学时32讲授32实验0上机0实践0课外学时32适用专业测控技术与仪器授课语言中文先修课程工程制图、模拟电子技术、数字电子技术、微机原理、传感器与检测技术（2-1）、精密机械设计课程简介（必修）本课程是测控技术与仪器专业的一门必修课。本课程要求学生熟悉仪器基本特征，识别并描述智能仪器设计时的关键模块；通晓智能仪器机械设计及人机工程学一般知识；掌握以STM32微处理器为核心的系统设计方法；明晰输入输出通道、人机接口、数字通信接口等电路设计规则和编程技术；熟知智能化仪表的抗干扰技术和监控程序功能及设计方法。本课程强调课外实验和课内讨论环节，课外着重开展基于微处理器的功能性模型实验研究；课内针对具体智能仪器设计实例进行充分交流，使学生掌握仪器实际设计过程中所涉及的具体方法与技巧，具备智能仪器的初步设计能力；对仪器各组成单元的基本工作原理、性能指标以及它们在整体仪器中的作用形成明确认识，具有解决现代仪器设计开发过程中实际问题的专业基础水平。Thisisacompulsorycourseforstudentswhomajorinmeasurement&controltechnologyandinstrument.Afterlearningthiscourse,studentswillbefamiliarwiththebasicfeaturesofinstruments,canrecognizeanddescribekeymodulesduringtheprocessofinstrumentdesign,haveacomprehensiveknowledgeonthemechanicaldesignandhuman-machineinterfacedesignofintelligentinstruments.StudentscanmasterthesystemdesignmethodbasedonSTM32MCU，suchasinputandoutputchannels,human-machineinterface,digitalcommunicationinterface,andsoon.Thiscourseemphasizestheimportanceofoff-classexperiments,andin-classdiscussions.StudentsarerequiredtomakeexperimentsonSTM32developingboardafterclass,andarerequiredtoexchangeideasonhowtodesignarealinstrument.Therefore,studentscanmasterdetailedmethodsandskillsinvolvedinthedesignprocess,andacquirebasicabilitiesindesigningintelligentinstruments.Studentscanformaclearunderstandingofbasicworkingprinciplesofinstrumentcomponents,performanceandfunctionsintheoverallinstrument,thusgainprofessionalskillsofsolvingpracticalproblemsinthedesigningofmoderninstruments.负责人大纲执笔人、审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：掌握本专业所需的数学、工程基础和专业知识，并能将相关知识用于复杂仪器系统的设计与综合。是1.42M2目标2：掌握智能仪器基本概念，熟悉智能仪器基本特征，识别并描述智能仪器设计的关键模块。是2.13M3目标3：针对具体的仪器设计要求，能够给出多种硬件和软件解决方案，通过分析对比确定合适的方案，并体现一定的创新意识。是3.24M4目标4：掌握以STM32微处理器为核心的智能仪器设计方法，能熟练使用电路设计和仿真软件，能熟练使用STM32微处理器软件开发工具软件，并熟悉程序设计和调试方法。是5.25M5目标5：针对智能仪器设计，能熟练使用机械建模软件、电路设计和仿真软件，对复杂问题进行预测和模拟，并能理解其局限性。是5.46M6目标6：能组建团队完成一个仪器设计项目，小组成员之间分工明确，能够完成自身的任务，培养团结合作精神。是9.27M7目标7：了解智能仪器发展现状及趋势，具有自主学习能力，能够适应和理解测控技术与仪器领域新技术或设备的发展。是12.2三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第1章第一章仪器设计技术概论本章重点难点：仪器设计要求、设计步骤及模块化设计思想/////21.11.1仪器的构成及其特点仪器概念，信息与仪器，现代仪器设计技术的研究现状与发展趋势M1,M2,M71讲授1自学31.21.2仪器设计的基本要求及一般步骤仪器总体设计要求，设计依托原理，设计任务分析，设计原则，技术指标及模块化设计思想M1,M2,M71讲授1自学4第二章第二章人机工程学设计基础人机特性及人—机关系，CreO三维机械结构造型基本方法/////52.12.1人机工程学主要研究内容人特性、机特性、环境特性的研究，人—机、人—机—环的关系M3,M51讲授/讨论1自学62.22.2人机工程学主要研究方法观察法、实测法、实验法、计算机数值仿真法、分析法、调查研究法M2,M3,M51讲授/讨论1自学72.32.3仪器机械结构计算机辅助设计方法计算机辅助设计，CreO设计软件，装配基础知识、基本造型方法M2,M3,M52讲授/讨论4作业8第三章第三章基于STM32的智能仪器设计基础本章重点难点：STM32F4开发工具软件的使用，常用外设的接口电路和软件编程/////93.13.1嵌入式处理器概述各种单片机、DSP、ARM处理器功能特点和适用场景，特别是STM32系列处理器的分类和应用场景，STM32F4处理器基本结构和功能，开发板的功能。M2,M3,M5,M71讲授/讨论1自学103.23.2STM32软件开发环境的基本使用各种STM32开发IDE工具软件的对比，STM32CubeMX和STM32CubeIDE软件的特点和基本使用。M3,M4,M52讲授2自学113.33.3中断系统和外部中断STM32F4的中断向量表NVIC的结构，中断处理的一般流程。外部中断EXTI的功能和使用。M3,M4,M52讲授2自学123.43.4FSMC接口与TFTLCD驱动FSMC接口功能，与TFTLCD的接口原理和初始化配置。LCD驱动程序的使用。M3,M4,M52讲授2自学133.53.5定时器三类定时器的功能特点和基本结构，定时器的定时、PWM输出的原理和使用。M3,M4,M5,M62讲授/讨论2自学/作业14(Err)作业1定时器输出PWM波控制蜂鸣器，灵活改变PWM波频率，演奏乐谱。/////153.63.6实时时钟RTCRTC结构原理，RTC的周期唤醒、闹钟、入侵检测等工作模式的原理和使用。M3,M4,M51讲授1自学163.73.7UART接口和DMAUART通讯原理和编程方法，串口通讯协议的设计原理。DMA的原理，UART使用DMA通讯的原理。M3,M4,M52讲授2自学173.83.8ADC数据采集片上ADC功能特点、参数设置和编程方法。轮询、中断、DMA模式的ADC数据采集方法。M3,M4,M52讲授2自学183.93.9SPI接口SPI接口原理、参数设置和编程方法。SPI接口的Flash存储芯片的驱动程序原理和使用。M3,M4,M52讲授2自学193.103.10I2C接口I2C接口原理、参数配置和编程方法。EEPROM存储器24C02的电路接口、通讯协议和编程使用方法。M3,M4,M5,M62讲授/讨论2自学/作业20(Err)作业2针对开发板上的MPU6050传感器，研究其接口和通讯协议，编程实现MPU6050数据的采集与显示。/////213.113.11低功耗设计STM32F4的三种低功耗模式的特点和使用，STM32CubeMX中功耗分析工具的使用。M3,M4,M52讲授2自学22第四章第四章智能仪器的抗干扰技术本章重点难点：形成干扰的三个条件，抑制干扰的常用措施/////234.14.1干扰的来源和特点干扰的来源及其传输途径，干扰信号的耦合方式，差模干扰和共模干扰。M1,M21讲授/讨论1自学244.24.2抗干扰技术常用的抑制干扰措施。M1,M21讲授/讨论1自学25第五章第五章监控程序功能及设计方法本章重点难点：监控程序的功能和组成/////265.15.1监控程序设计监控程序的功能和组成，监控主程序和初始化管理，键盘管理的多种方式，显示、中断与时钟管理以及硬件故障的自检。M3,M5,M72讲授/讨论2自学27第六章第六章仪器设计研讨专题本章重点：设计仪器的基本方法、设计仪器的一般思路本章难点：设计仪器的一般思路/////286.16.1项目讨论从学生仪器开发项目中选择1~2个实例进行专题研讨。M3,M4,M5,M62讲授/讨论4报告四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1.根据教学内容布置2-3个编程任务作业。2.成绩采用百分制，根据程序质量、报告质量评、以及是否及时独立完成等评分。3.考核学生对STM32开发编程的掌握情况，学生要综合应用所学的知识和工具软件开发程序，并在开发板上测试通过。25%2大作业1.本课程要求学生分组开展设计类实验；给出针对某一智能仪器的设计方案（包括硬件、软件和实验）。2.根据设计报告评分。30%3期末考试1.闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。3.主要考核学生对智能仪器设计基本知识的掌握能力以及学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有简答题和论述题等。40%4考勤随机点名、刷卡点名等5%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1大作业40%A-需求及功能分析完整；器件选型及电路设计正确；仪器性能指标明确；功能验证实验设计合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图美观规范;B-需求及功能分析较完整；器件选型及电路设计较正确；仪器性能指标较明确；功能验证实验设计较合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图基本规范;C-需求及功能分析基本完整；器件选型及电路设计基本正确；仪器性能指标基本明确；功能验证实验设计基本合理；有机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图;D-需求及功能分析基本不完整；器件选型及电路设计不正确；仪器性能指标不明确；功能验证实验设计不合理；缺少机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图.2M1期末考试60%（见试卷评分标准）3M2平时作业20%A-独立思考、按时完成，程序运行结果正确。设计思路清晰简洁，报告内容详尽，格式合理;B-独立思考、按时完成，程序运行结果正确。程序设计不够优化，报告内容比较全面，格式合理;C-按时完成，程序运行结果正确，设计思路基本正确，报告内容基本完整;D-作业抄袭，未能按时完成，程序设计思路混乱，报告内容不完整，格式混乱;4M2大作业30%A-需求及功能分析完整；器件选型及电路设计正确；仪器性能指标明确；功能验证实验设计合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图美观规范;B-需求及功能分析较完整；器件选型及电路设计较正确；仪器性能指标较明确；功能验证实验设计较合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图基本规范;C-需求及功能分析基本完整；器件选型及电路设计基本正确；仪器性能指标基本明确；功能验证实验设计基本合理；有机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图;D-需求及功能分析基本不完整；器件选型及电路设计不正确；仪器性能指标不明确；功能验证实验设计不合理；缺少机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图.5M2期末考试50%（见试卷评分标准）6M3平时作业20%A-独立思考、按时完成，程序运行结果正确。设计思路清晰简洁，报告内容详尽，格式合理;B-独立思考、按时完成，程序运行结果正确。程序设计不够优化，报告内容比较全面，格式合理;C-按时完成，程序运行结果正确，设计思路基本正确，报告内容基本完整;D-作业抄袭，未能按时完成，程序设计思路混乱，报告内容不完整，格式混乱;7M3大作业30%A-需求及功能分析完整；器件选型及电路设计正确；仪器性能指标明确；功能验证实验设计合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图美观规范;B-需求及功能分析较完整；器件选型及电路设计较正确；仪器性能指标较明确；功能验证实验设计较合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图基本规范;C-需求及功能分析基本完整；器件选型及电路设计基本正确；仪器性能指标基本明确；功能验证实验设计基本合理；有机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图;D-需求及功能分析基本不完整；器件选型及电路设计不正确；仪器性能指标不明确；功能验证实验设计不合理；缺少机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图.8M3期末考试50%（见试卷评分标准）9M4平时作业20%A-独立思考、按时完成，程序运行结果正确。设计思路清晰简洁，报告内容详尽，格式合理;B-独立思考、按时完成，程序运行结果正确。程序设计不够优化，报告内容比较全面，格式合理;C-按时完成，程序运行结果正确，设计思路基本正确，报告内容基本完整;D-作业抄袭，未能按时完成，程序设计思路混乱，报告内容不完整，格式混乱;10M4大作业30%A-需求及功能分析完整；器件选型及电路设计正确；仪器性能指标明确；功能验证实验设计合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图美观规范;B-需求及功能分析较完整；器件选型及电路设计较正确；仪器性能指标较明确；功能验证实验设计较合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图基本规范;C-需求及功能分析基本完整；器件选型及电路设计基本正确；仪器性能指标基本明确；功能验证实验设计基本合理；有机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图;D-需求及功能分析基本不完整；器件选型及电路设计不正确；仪器性能指标不明确；功能验证实验设计不合理；缺少机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图.11M4期末考试50%（见试卷评分标准）12M5平时作业20%A-独立思考、按时完成，程序运行结果正确。设计思路清晰简洁，报告内容详尽，格式合理;B-独立思考、按时完成，程序运行结果正确。程序设计不够优化，报告内容比较全面，格式合理;C-按时完成，程序运行结果正确，设计思路基本正确，报告内容基本完整;D-作业抄袭，未能按时完成，程序设计思路混乱，报告内容不完整，格式混乱;13M5大作业30%A-需求及功能分析完整；器件选型及电路设计正确；仪器性能指标明确；功能验证实验设计合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图美观规范;B-需求及功能分析较完整；器件选型及电路设计较正确；仪器性能指标较明确；功能验证实验设计较合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图基本规范;C-需求及功能分析基本完整；器件选型及电路设计基本正确；仪器性能指标基本明确；功能验证实验设计基本合理；有机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图;D-需求及功能分析基本不完整；器件选型及电路设计不正确；仪器性能指标不明确；功能验证实验设计不合理；缺少机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图.14M5期末考试50%（见试卷评分标准）15M6大作业100%A-需求及功能分析完整；器件选型及电路设计正确；仪器性能指标明确；功能验证实验设计合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图美观规范;B-需求及功能分析较完整；器件选型及电路设计较正确；仪器性能指标较明确；功能验证实验设计较合理；机械设计图（2D或3D）、电路结构框图和软件流程图基本规范;C-需求及功能分析基本完整；器件选型及电路设计基本正确；仪器性能指标基本明确；功能验证实验设计基本合理；有