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课程编码：08265022

课程名称：智能仪器

英文名称：Intelligent Instrument

开课学期：6

学时/学分：48/3（其中实验学时：16）

课程类型：专业课

开课专业：测控技术与仪器专业本科生（必修）、电气工程及其自动化本科生（选修）

选用教材：《智能仪器》吉林大学、机械工业出版社 2005年2月第一版

主要参考书：

1、赵茂泰．智能仪器原理及应用（第２版）．北京：电子工业出版社，2004

2、朱欣华，姚天忠，邹丽新．智能仪器原理与设计．北京：中国计量出版社，2002

3、林君，程德福．微型计算机卡式仪器原理、设计与应用．北京：国防工业出版社，1996

4、赵新民．智能仪器设计基础．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999

5、马明建，周长城．数据采集与处理技术，陕西：西安交通大学出版社，1998

执笔人：程德福

一、课程性质、目的与任务

智能仪器是测控技术与仪器专业本科生必修的专业课，是全国高等学校仪器仪表类专业开设的主干课之一。随着微型计算机及微电子技术在测试领域中的广泛应用，仪器仪表在测量原理、准确度、灵敏度、可靠性、多种功能及自动化水平等方面都发生了巨大的变化，逐步形成了完全突破传统概念的新一代仪器——智能仪器。仪器的智能化已是现代仪器仪表发展的主流方向。在信息技术的高速发展和人工智能应用的推动下，智能仪器必将有更大的进展。因此，学习智能仪器的工作原理、掌握新技术和设计方法无疑是十分重要的。

通过本课程的学习，使学生建立仪器整机系统的概念，掌握智能仪器软硬件相结合的基本工作原理、主要技术和设计方法，培养学生综合运用所学知识与技术进行仪器设计的能力，提高学生灵活性和创新（创造）意识。

二、教学基本要求

1.掌握微机内嵌式智能仪器和个人计算机仪器的基本结构及工作原理。

2.全面掌握多种类型信号的数据采集方法和系统实现技术。

3.掌握智能仪器外设接口与通信技术的集成化应用。

4.掌握智能仪器的基本数据处理算法，能够灵活运用。

5.全面了解软件设计方法，学习并掌握典型智能仪器模块化软件设计方法。

6.建立仪器可靠性的概念，掌握智能仪器基本的抗干扰软硬件技术。

7.了解智能仪器可测试性原理。

8.对仪器的高级智能化、自动化、网络化等新发展有一定了解。

9.注重培养和提高学生的综合集成设计能力，课堂讲述与设计实例紧密结合，主要单元教学内容与实验相结合，单元实验与仪器系统综合设计实现相结合。使学生完成本门课程的学习任务之后，能够提出仪器系统的设计思路、论证设计方案，具备技术实现能力，基本上能够处理实践过程中出现的问题并提出解决办法。

三、各章节内容及学时分配

第一章 概述 （2学时）

第一节 仪器仪表概述

第二节 智能仪器的分类、基本结构与特点

第三节 推动智能仪器发展的六项主要技术

第二章 智能仪器的数据采集技术 （6学时）

第一节 数据采集系统的组成结构

一、集中采集式(集中式)

二、分散采集式(分布式)

第二节 模拟信号调理

一、传感器的选用

二、运用前置放大器的依据

三、信号调理通道中的常用放大器

第三节 传统A/D转换器及接口技术

一、A/D转换器概述

二、比较型、积分型、V/F型ADC的转换原理

三、常用ADC集成芯片及其与微处理器的接口

第四节 Σ-Δ型ADC原理与接口技术

一、Σ-Δ型A/D转换器的理论基础

二、工作原理

三、Σ-Δ调制器中阶数、过采样与精度的关系

四、CS5360及其与微处理器的接口

第五节 数据采集系统设计及举例

一、系统设计考虑的因素

二、A/D转换器的选择要点

三、采样保持器S/H的选择

四、多路测量通道的串音问题

五、主放大器的设置

六、数据采集系统实例

第六节 数据采集系统的误差分析

一、采样误差

二、模拟电路的误差

三、A/D转换器的误差

五、数据采集系统误差的计算

六、数据采集系统的误差分配举例

第三章 人机对话与数据通信（4学时）

第一节 键盘

一、键盘简介

二、非编码键盘

三、编码键盘

第二节LCD显示器

一、段码式LCD显示器

二、字符式LCD显示器

三、图形式LCD显示器

四、液晶条图显示

第三节 触摸屏(自学)

一、触摸屏简介

二、触摸屏的种类

三、触摸屏控制器ADS7843

第四节 标准串行总线数据通信（复习）

一、RS-232C总线标准及应用

二、RS-422/485标准总线

第五节USB通用串行总线及应用

一、USB的特点与基本特性

二、USB的传输主机和设备

三、USB数据传输过程

四、USB接口

五、基于USB的数据采集系统的设计

第六节 PTR2000无线数据通信

一、调制解调器技术简介

二、PTR2000无线收发MODEM的应用

第四章 智能仪器的基本数据处理算法（5学时）

第一节 克服随机误差的数字滤波算法

一、克服脉冲干扰的数字滤波法

二、抑制小幅度高频噪声的平均滤波法

三、复合滤波法

第二节 消除系统误差的软件算法

一、仪器零位误差和增益误差的校正方法

二、系统非线性校正

三、系统误差的标准数据校正法

四、传感器温度误差的校正方法

第三节 标度变换

一、线性标度变换

二、非线性参数的标度变换

第五章 智能仪器软件设计（3学时）

第一节 软件概述

一、软件的含义、特点、种类

二、智能仪器软件的主要功能

第二节 软件开发模型与设计方法

一、软件工程开发模式

二、软件开发阶段

三、模块化与结构化程序设计

四、面向对象程序设计方法（自学）

第二节 基于裸机的软件设计

一、设计步骤

二、程序流程图与子程序设计

三、系统监控程序设计

四、常用功能模块的设计

第三节 基于嵌入式操作系统的软件设计

一、嵌入式操作系统

二、嵌入式软件开发过程

三、开发方法简介

第四节 软件测试

一、软件测试的基础知识

二、软件测试方法与步骤

三、嵌入式软件测试

第六章 智能仪器可靠性与抗干扰技术 （4学时）

第一节 可靠性概述

一、可靠性的基本概念

二、可靠性的总体考虑

第二节 可靠性设计

一、硬件可靠性设计

二、软件可靠性设计

第三节 智能仪器干扰源分析

一、干扰与噪声及其分类

二、噪声形成干扰作用的三要素与耦合方式

第四节 抑制电磁干扰的主要技术及应用

一、抑制电磁干扰的基本方法

二、抑制电磁干扰的基本措施

三、抗干扰技术的应用

第七章 智能仪器可测试性设计（2学时）

第一节 可测试性概述

一、可测试性与可测试性设计

二、测试性要求

三、测试方案

四、可测试性设计的优点

第二节 固有测试性设计

一、固有测试性总体设计

二、测试性通用设计准则

第三节 机内测试技术—BIT（自学）

一、BIT简介

二、常规BIT技术

三、智能BIT技术

第四节 设计实例

一、RAM测试

二、A/D与D/A测试

第八章 智能仪器的设计实例 （4学时）

第一节 智能仪器的设计原则及研制步骤

一、智能仪器设计的基本要求

二、智能仪器的设计原则

三、智能仪器的研制步骤

第二节 固体密度测试仪的研制

一、测量原理

二、硬件电路设计

三、软件设计

四、测试结果分析

第三节 基于TMS320VC5402的地下管道漏水检测仪设计

一、TMS320VC5402性能特点及应用开发过程简介

二、地下管道漏水相关检测仪原理

三、相关测漏仪硬件设计

四．软件设计与处理算法

第九章 智能仪器的新发展（2学时）

第一节 虚拟仪器

一、虚拟仪器的体系结构、硬件及软件

二、虚拟仪器的应用

第二节 网络化仪器

一、基于Web的虚拟仪器

二、嵌入式Internet的网络化智能传感器

三、IEEE1451网络化智能传感器标准

四、实验

1．实验目的与任务

为达到本课程教学基本要求，主要单元教学内容通过相应的设计性或综合性实验，才能加深理解并切实掌握所学的知识和技术，发现并解决实验中出现的问题，培养独立开展设计实验的能力，积累实践经验。综合单元实验成果，形成较完整的仪器系统，培养学生的综合集成设计能力和技术实现能力。为此开设四个单元实验和一个综合实验计32学时（其中：计划内16学时、计划外16学时），课内外紧密结合，才能保证实验项目实施。还设立了实验室开放课题，提高设计水平。

2．实验教学基本要求

（1）小信号放大与滤波电路实验：能够根据被测对象或传感器输出信号的特性，选择合适的运算放大器和阻容器件，设计小信号放大器和抗混叠滤波器，掌握电路调试方法。

（2）电压信号数据采集子系统设计实验：能够依据仪器数据采集系统的性能指标要求，选择A/D转换方式、芯片及接口电路，设计采集系统硬件及软件，实现单路电压信号的数据采集。

（3）基本数据处理算法：在理解数据处理基本理论的基础上，编写基本数据处理算法的程序，拟定被处理数据，验证程序的正确性和处理的有效性及局限性；能够根据信号和噪声（干扰）特征，选择合适处理算法和流程。

（4）键盘及LCD显示：部分实验内容在单片机实验中已有，本项实验重点是根据仪器整机功能需要设计键盘和显示，定义键盘功能，编写键盘扫描和LCD显示等子程序，掌握仪器监控程序设计和调试方法。

（5）微机内嵌式智能仪器综合实验：本实验以温度为测量对象，将实验一到实验四的单元内容综合，完成具有信号采集、处理、键盘控制、显示等功能的智能仪器；掌握标定原理和工程量变换方法；能够对测量结果进行分析。

3．实验教材或指导书

《智能仪器实验教学指导书》，智能仪器课程组，吉林大学校内印刷，2006年5月

4．实验项目一览表

序号	实验项目	内容提要	实验 类型	学时分配		主要仪器 设 备	实验 地点	备注
				内	外
1	小信号放大与滤波电路实验	选择合适的集成运算放大器和阻容器件的类型及参数，设计实现小信号放大、抗混叠滤波器，测试频率特性等性能	设计性实验	2	2	示波器、信号发生器等	单片机实验室	进入实验前自行完成电路设计
2	电压信号数据采集子系统设计实验	根据信号幅度分辨率和频率等要求，设计采集系统硬件电路和程序	设计性和综合性	4	4	微机、单片机开发系统、信号发生器、示波器等	同上	先期完成硬件设计和编写采集程序
3	基本数据处理算法	调试数字滤波算法程序，拟定恰当的数据，验证算法效果	设计性	4	4	微机	同上	先期编写算法程序，拟定实验数据
4	键盘及LCD显示	以8031为核心，4*4非编码键盘：0—9数字键、6个功能键，字符型LCD显示，不同的功能键显示不同标志	设计性	2	2	微机、单片机开发系统	同上	先期完成硬件设计并焊接、编写程序
5	微机内嵌式智能仪器综合实验	以温度为测量对象，将实验一到实验四的单元内容综合，完成具有信号采集、处理、控制、显示等功能的智能仪器；掌握标定原理和工程量变换方法；对实验结果进行分析	综合性	4	4	微机、单片机开发系统、信号发生器、示波器、温度计等	同上	完成前四个实验并保留其软硬件成果
6	多通道采集系统设计	完善实验五，增加多路开关，实现4路信号的分时采集及处理，自测试功能，抗干扰措施	开放课题	8		同上	同上	个人提出申请
7	24位音频信号采集与处理	运用Σ-Δ型ADC器件实现双路信号的高精度采集与处理	开放课题	8		同上	同上	个人提出申请

一、 考核方式：考试