《智能儀器》課程教學模式的探索研究

洪樹亮，程麗娟，潘江如

（新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830023）

0 引言

智能儀器是測控技術與儀器專業本科生必修的專業課，是全國高等學校儀器儀表類專業開設的主干課之一。隨著微型計算機及微電子技術在測試領域中的廣泛應用，儀器儀表在測量原理、準確度、靈敏度、可靠性、多種功能及自動化水平等方面都發生了巨大的變化，逐步形成了完全突破傳統概念的新一代儀器——智能儀器。在信息技術的高速發展和人工智能應用的推動下，智能儀器必將有更大的進展。因此，學習智能儀器的工作原理、掌握新技術和設計方法無疑是十分重要的[1]。

1 智能儀器教學現狀

（1）采用傳統的課堂教學模式，缺少實踐能力的培養，通過課程的學習，學生并沒有真正掌握電子產品的設計方法，只是對電子產品綜合設計概念有所了解，學生的潛力沒有得到充分的開發，學生能力培養的目的沒有達到，造成了教師教學和學生學習的浪費。（2）實驗教學采用傳統的MCS-51單片機，隨著微電子技術的快速發展，單片機的功能集成越來越豐富，而MCS-51單片機進行電子產品設計時需要大量的外圍電路，硬件電路設計缺乏集成度，從而造成智能儀器硬件系統設計的難度，降低了系統設計的效率，影響了智能儀器系統運行的精度[2]。（3）課堂+實驗教學模式無法進行深入的實驗研究，另外實驗課時的有限，以及實驗教學只是簡單的將單片機的引腳進行連接，無法進行硬件電路設計能力的訓練。

2 智能儀器課程教學改革

針對智能儀器課程實踐性強、采用微處理器老舊的特點，有必要進行智能儀器課程教學改革，具體如下：

（1）微處理器采用STC15W4K32S4單片機，是STC宏晶公司最新推出的一款單時鐘（1T）的新一代單片機，具有高速、高可靠性、寬電壓、低功耗特點，具有超強抗干擾能力，相比傳統的MCS-51單片機，內部集成的資源更加豐富，實用性和性價比更高。

（2）結合Proteus8.9硬件仿真平臺，Proteus硬件仿真平臺在8.9版本上集成了STC15W4K32S4單片機模塊，極大的方便了基于STC15W4K32S4單片機電子產品設計的教學和科研工作。本文以實際案例為主線，利用Proteus8.9和Keil完成電子產品綜合設計的硬件開發和軟件開發工作，降低教學成本，提高教學質量。將Proteus仿真軟件引入到智能儀器課程教學當中，使教學與仿真技術相結合，學生通過自己設計系統電路圖，很直觀的將電路圖和仿真運行畫面展現在學生面前，增加了學生學習智能儀器課程的興趣，提高了學生對系統原理的理解，同時提升了學生學習的效率和教師教學的效果[3]。

（3）采用項目式教學，將課程從傳統的講授型教學模式為主，轉變為知識的應用型教學模式為主，把學生傳統的被動學習，轉變為學生主動學習。堅持在“學”中“做”，在“做”中“學”，將極大的提升對單片機、智能儀器課程的興趣，增強學生的成就感與自豪感。

（4）注重過程性考核，促進學生的發展。傳統教學模式考核方式主要采用期末考試的方式，對于智能儀器課程來說，期末考試只能考查學生基本概念和基本理論知識，無法做到對學生智能儀器產品設計能力的考核。加強學生過程性考核的同時對教師的教學能力有了新的更高的要求，教師要了解智能儀器最新的學科前沿，本身要具備很強的動手能力，對智能儀器包含的所有項目能獨立完成，這樣才能解決學生在學習過程當中遇到的各種問題。每個案例有其對應的評分細則，真正的做到對學生綜合設計能力的考核，不斷完善學生的評價考核機制，注重學生應用型能力的培養、激發學生的學習積極性和自信心[4]。

3 教學設計思路

以項目任務為主線，將項目分解為若干知識點，設置評分細則，學生完成項目，教師進行項目過程性考核，形成過程性考核依據，作為學生最終成績的一部分，本文以智能數字電壓表設計為例來介紹項目式教學設計思路，具體如下[5]：

3.1 項目任務書下達

教師通過學習通平臺下發項目任務以及項目相關的基礎知識，比如用STC15W4K32S4單片機設計一個數字電壓表，測量范圍0～999V，測量精度10mV，顯示精度0.01V。學生領取到任務之后進行資料的查閱，這樣可以提高學生自主學習的能力和學習的主動性。

3.2 任務分析

教師利用學習通平臺問卷調查的形式了解學生對相關基礎知識的掌握的情況，比如智能數字電壓表的結構、功能以及基本原理。教師重點講解智能數字電壓表設計流程，主要包括設計方案的選擇、硬件電路設計、軟件設計以及系統調試。

（1）設計方案。分辨率的選擇：根據數字電壓表設計要求，把測量范圍0～999V劃分為四檔，即5V、50V、500V、1000V。使用基準源5V的A/D轉換器采樣測量輸入電壓。因為精度為10mV，基本測量范圍是0～5V，則輸入A/D轉換器的最大測量值為5V，理論計算5V/10mV，故至少需要選用分辨率有500個量化等級的A/D轉換器，即至少選用分辨率為9位A/D進行采樣測量。STC15W4K32S4單片機內部含有包含有10位A/D轉換器，能夠滿足此測量要求。

（2）硬件電路設計。采用STC15W4K32S4單片機作為智能數字電壓表的控制器，LCD1602作為智能數字電壓表的顯示部件，SW切換開關選擇量程，原理圖如圖1所示。

圖1 智能數字電壓表原理圖

（3）軟件設計。系統主要完成A/D采樣、數據處理、數據顯示等功能，利用Keil進行軟件程序的設計，程序設計如圖2所示，數據處理算法主要解決標度變換的問題，利用標度變換表達式：

圖2 智能儀器軟件設計

因此，只要采樣到數字量B，利用上面的公示，就能運算處理得出當前的被測電壓。

（4）數據處理。智能儀器具有傳統儀器不具備的數據處理功能，對檢測到的數據進行數據處理，得到智能儀器的最佳值，極大地減輕了人工測量和計算的工作，提高了工作效率。

智能儀器測量的誤差處理，無論什么測量，都會有誤差的產生，對于智能儀器來說，最大的優勢就是利用自身微處理器的數據處理功能減小測量誤差，提高系統的測量精度。

數字電壓表的設計主要進行隨機誤差處理和粗大誤差處理，當干擾信號疊加到待測量信號上后，使得檢測值偏離真實值，導致同一信號多次測量的額結果互不相同，這時產生的測量誤差稱為“隨機誤差”。常用隨機誤差處理的辦法是采集多次多次測量結果求平均值，即：

（5）可靠性設計。理論上智能儀器可以正常運行，但在實際中，受到外界各種干擾因素，智能儀器的硬件系統有可能會出現故障或性能出現變化，這些情況的存在使得系統運行不可靠。

智能數字電壓表自身帶微處理器，主要采用數字濾波算法，消除外界的隨機干擾。所謂的數字濾波算法就是指從原始數據中提取逼近真值數據的軟件算法，常用的數字濾波算法有程序判斷濾波、中指濾波、算術平均濾波、去極致平均濾波、移動平均濾波、加權平均濾波、低通濾波。每種數字濾波算法所具有的特點和使用場合不同。智能數字電壓表可以采用中值濾波、算術平均濾波、去極致平均濾波以及加權平均濾波進行隨機干擾的消除[6]。

3.3 項目實施

項目實施主要訓練學生動手能力，學生將所學知識應用到實踐當中，能做到真正的將知識消化吸收，學生利用Proteus8.9和Keil軟件進行硬件電路設計和軟件設計，教師對學生在項目實施過程中遇到的問題進行答疑。

（1）硬件設計。學生利用Proteus8.9進行智能儀器硬件電路的設計，Proteus8.9硬件仿真平臺雖不是實物設計，但相比較實驗室設備只是單純的進行引腳連線，學生利用Proteus8.9硬件仿真平臺能更好的掌握和理解硬件電路的設計，從而節約了實驗成本，真正的提高了實驗效果。系統硬件設計是智能儀器關鍵任務之一，針對微處理器外圍電路的設計，主要考核學生對前期學過的電路理論、模擬電子技術以及數字電子技術相關知識的考核，其中涉及到系統可靠性設計，為智能儀器產品設計打下良好的基礎[7]。

（2）軟件設計。軟件設計之前，硬件系統設計方案已確定，并完成了硬件電路的設計。軟件設計是智能儀器另一重要組成部分，軟件設計就是將各個功能模塊合理地組織到主程序和各個中斷子程序中去。因所有的軟件設計模塊都在一定程度上與硬件電路有關，對應不同的硬件系統采用的軟件設計方法不同。

軟件系統設計的前提是完成系統所有預期實現的功能，功能模塊主要完成A/D采樣、數據處理、數據顯示等功能。因此軟件一般包括自檢模塊、初始化模塊、A/D采集模塊、數據處理模塊、輸出顯示模塊。軟件設計的大概的層次結構包括：主程序、中斷程序、A/D采樣程序、顯示程序。

3.4 項目考核

為了真正體現以學生為主體，以學生的學來評價教師的教，根據項目式教學的特點，加強過程性考核，提升學生知識的應用型能力，進一步完善考核評價體系，克服傳統考核方式的弊端，充分發揮過程性考核的優勢，考核評分細則如表1所示。

表1 考核評定標準表

3.5 項目評價

教師對學生項目實施進行過程性考核完成之后，對學生項目實施的過程進行總結性評價，將學生在項目實施過程當中出現的共性的問題進行分析和解答，以及對學生項目實施的情況進行點評。

4 結論

智能儀器課程具有很強實踐性的特點，采用項目式教學提升學生學習主動性和學習熱情,尤其要建立與理論教學相對應的實踐教學內容。學生通過項目任務分析、系統硬件設計、系統軟件設計以及設計文檔的編寫，真正意義上掌握了智能儀器和課程所涵蓋的內容和智能儀器儀表產品開發的流程。在實踐中開發學生的潛力,取得了很好的教學效果。