课程名称: 智能仪器 英文名称：Intelligent Instrument 课程类型：必修 学 ???时：48学时 （理论与实验学时比为10：2） 学 ???分：3 适用对象：测控技术与仪器专业本科生 先修课程：微机原理及接口技术、数字信号处理、传感器技术 使用教材：微型计算机卡式仪器原理、设计与应用（林君 程德福 编著） 参?考?书：微型机在仪器、测控和高速信号处理中的应用与实例 （林君编著） ????????? 智能仪器设计基础 （赵新民 主编） ??????????智能仪器 （程德福 邱春玲 编著）   ※ 理论讲授部分  一、 课程性质、目的和任务 ????本课程是为测控技术与仪器专业的本科生而设置的专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握智能仪器、 虚拟仪器的基本工作原理和设计方法，培养学生的系统设计思想和工程实践能力。 二、 课程基本要求 1、 掌握智能仪器的输入、输出通道及接口技术的基本设计方法。 2、 掌握智能仪器外设接口技术的基本设计方法。 3、 学习智能仪器的自动校准和自诊断技术。 4、 学习智能仪器的软件基本编制方法——模块化设计。 5、 学习数据处理与信号分析的基本原理与方法。如：抑制或消除系统误差和随机误差的基本数据处理方法。 6、 掌握智能仪器的基本抗干扰设计方法（包括软件和硬件两方面措施）。 7、 了解虚拟仪器的特点、学会用Labview虚拟仪器软件开发工具进行虚拟仪器设计。 三、 教学内容及要求 第一章 绪论 （2学时） 第二章 智能仪器的数据采集技术 （8学时） 2．1 数据采集系统的组成 2．2 A/D转换器及接口技术 2．3 程控放大及量程自动切换技术 2．4 浮点数据采集技术 2．5 数据采集系统的设计 2．6 多通道并行采集技术 2．7 数据采集系统的误差分析 第三章 智能仪器外设及其接口技术 （3学时） 3．1 键盘设计 3．2 显示系统 3．3 输出通道及接口技术 第四章 智能仪器软件设计 （6学时） 4．1 软件设计方法学概述 4．2 微处理器为核心的智能仪器嵌入式操作系统软件设计 4．3 PC机为核心的智能仪器系统软件设计 4．4 多处理器的智能仪器系统软件设计 第五章 数据处理与信号处理技术 （8学时） 5．1 系统误差的软件校正技术 5．2 随机误差的软件处理技术 5．3 信号处理技术 第六章 自动校准和自动诊断技术 （3学时） 6．1 非线性自校正 6．2 自校零与自校准 第七章 智能仪器抗干扰技术 （4学时） 7．1 噪声和干扰的基本性质 7．2 串模干扰及其抑制 7．3 共模干扰及其抑制 7．4 电气隔离技术 7．5 接地方法 7．6 软件抗干扰技术 第八章 智能仪器工程设计 （6学时） 8．1 智能仪器工程设计方法 8．2 便携式智能仪器设计实例 8．3 多传感器智能仪器设计实例     ※ 实习实验部分  一、模拟信号调理实验(有源滤波器的设计) 1. 熟悉运算放大器和电阻电容构成的有源波器。 2. 掌握有源滤波器的调试。 二、D/A转换实验 1. 了解D/A转换的基本原理。 2. 了解D/A转换芯片0832的性能及编程方法。 3. 了解单片机系统中扩展D/A转换的基本方法。 三、A/D转换实验 1. 掌握A/D转换与单片机的接口方法。 2. 了解A/D转换芯片ADC0809转换性能及编程。 3. 通过试验了解单片机如何进行数据采集。 四、8279键盘显示试验(电子秒表试验) 1. 进一步掌握8279键盘显示电路的编程方法。 2. 进一步掌握定时器的使用和编程方法。 3. 进一步掌握中断处理程序的编程方法。 五、数字信号处理实验 1. 学习掌握数字滤波器设计方法。 2. 应用频谱知识和滤波器设计知识，对信号进行滤波。 六、虚拟仪器设计综合实验 1. 学习和掌握信号发生卡的性能、基本原理； 2. 学习和掌握基于LabVIEW开发环境的编程技术； 3. 了解基于自行研制信号发生卡的虚拟仪器系统的组建原理及编程技巧； 4. 学习和掌握LabVIEW中信号发生节点的使用。     ※ 教学安排和学时分配  周次 课 堂 讲 授 实 践、实 验 课 作 业 测 验 其 他   题目名称和内容 学时 题目名称和内容 学时 题目名称和内容 学时 题目名称和内容 学时  1 第一章 绪论 智能仪器的简史 智能仪器的现状与未来 智能仪器的设计要点 4 ? ? 智能仪器结构特点及发展 ? ? ?  2 第二章 总线技术 基本概念 IBM-PC系列总线标准 2 ? ? ? ? ? ?  3 GBIB总线协议 总线扩展、译码、驱动与控制技术及应用中注意事项 4 ? ? ? ? ? ?  4 第三章 数据采集技术 数据采集基础 2 ? ? ? ? ? ?  5 PC/AT、DMA高速、多通道并行和浮点数据采集技术 4 ? ? 写出各种数据采集技术的特点 ? ? ?  6 第四章 数据处理技术 常用数据处理算法 2 ? ? ? ? ? ?  7 克服误差方法 信号处理技术 4 ? ? 写出各种数据处理方法的特点及应用场合 ? ? ?  8 第五章 可靠性设计 基本概念 硬件可靠性设计 2 ? ? ? ? ? ?  9 软件可靠性设计 故障检测与诊断 可靠性的总体考虑 4 ? ? 简述仪器可靠性设计的重要性 ? ? ?  10 ? ? 温度测试仪 传感器及信号放大、滤波 2 ? ? ? ?  11 ? ? A/D、显示及软件编程 4 ? ? ? ?  12 第六章 仪器系统的调试与维护 调试仪器简介 卡式仪器调试 2 ? ? ? ? ? ?  13 仪器故障的调试过程 仪器故障的维护方法 4 ? ? 写出仪器故障的调试过程 ? ? ?  14 第七章 虚拟仪器 虚拟仪器的体系结构 2 ? ? ? ? ? ?  15 虚拟仪器的常用软件 虚拟仪器的性能、特点 虚拟仪器的进展 2 Labview平台 掌握该软件开发平台使用方法 2 说明虚拟仪器的性能和特点 ? ? ?  16 第八章 仪器设计实例 智能仪器设计过程 多功能工程测振仪 2 ? ? ? ? ? ?       ● 新教学大纲（2004年实施） ※ 理论讲授部分 ※ 实习实验部分 ※ 教学安排和学时分配  课程名称: 智能仪器 英文名称：Intelligent Instrument 课程类型：必修 学 ???时：48学时 （理论与实验学时比为5 ：1） 学 ???分：3 适用对象： 测控技术与仪器专业本科生（必修）、电气工程与自动化等相关专业本科生（选修） 先修课程：微机原理及接口技术（或单片机原理与应用）、数字信号处理、传感器技术 使用教材：智能仪器，程德福主编，机械工业出版社，2004年 参?考?书： 微型计算机卡式仪器原理、设计与应用（林君 程德福 编著） 微型机在仪器、测控和高速信号处理中的应用与实例 （林君编著） 智能仪器设计基础 （赵新民 主编）   ※ 理论讲授部分   一、 课程性质、目的和任务 本课程是为测控技术与仪器专业的本科生而设置的专业基础课。通过本课程的学习，使学生掌握智能仪器的基本 工作原理、主要技术、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。 二、 课程基本要求 1、 掌握智能仪器数据采集技术。 2、 掌握智能仪器外设接口与通信技术的基本设计方法。 3、 掌握智能仪器的基本数据处理算法。如：抑制或消除系统误差和随机误差的基本数据处理方法。 4、 学习智能仪器的软件设计方法。 5、 掌握智能仪器的基本抗干扰设计方法（包括软件和硬件两方面措施）。 6、 了解智能仪器可测试性原理 7、 了解虚拟仪器的特点、学会用Labview虚拟仪器软件开发工具进行虚拟仪器设计。 三、 教学内容及要求 第一章 概述 （2学时） 第一节 仪器仪表概述 一、仪器仪表的分类和多样性 二、从传统仪器到智能仪器 三、仪器仪表的重要性 第二节 智能仪器的分类、基本结构与特点 一、智能仪器的层次分类 二、智能仪器的基本结构 三、智能仪器的特点 第三节 推动智能仪器发展的主要技术 一、传感器技术 二、A/D等新器件的发展 三、DSP的应用 四、ASIC、FPGA／CPLD技术 五、LabVlEW等图形化软件技术 六、网络与通信技术 第二章 智能仪器的数据采集技术 （8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 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、Δ-Σ型ADC原理与技术 四、常用ADC集成芯片及其与微处理器的接口 第四节 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 第五节 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 四、数据采集系统误差的计算 五、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（6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 第三节 触摸屏 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 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基本特性 二、USB的传输内幕 三、主机与USB外设通信 四、基于USB接口的数据采集系统设计 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（5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 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（4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 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、概述 二、测量原理 三、硬件电路设计 四、软件设计 五、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、智能仪器到虚拟仪器 二、虚拟仪器的特点 三、虚拟仪器的体系结构 四、虚拟仪器的硬件 五、虚拟仪器的软件 六、虚拟仪器的应用 七、测试领域面临的挑战与VI的优势 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     ※ 实习实验部分   一、模拟信号调理实验(有源滤波器的设计) 1. 熟悉运算放大器和电阻电容构成的有源波器。 2. 掌握有源滤波器的调试。 二、D/A转换实验 1．理解D/A转换的基本原理。 2．了解D/A转换芯片DAC1210的性能及编程方法。 3．掌握单片机系统中扩展D/A转换的基本方法。 4．实现频率可变的正弦波、3个不同频率正弦波迭加的合成信号。 三、A/D转换实验 1. 掌握A/D转换与MCU的接口方法。 2. 了解A/D转换芯片ADC1674转换性能及编程。 3. 通过试验进一步掌握数据采集技术。 四、键盘显示试验 1．进一步掌握键盘显示电路（如8279）的编程方法。 2. 掌握自定义键盘的数字键和功能键的编程方法。 3. 进一步掌握中断处理程序的编程方法。 4．实现8031为核心，4*4非编码键盘：0—9数字键、6个功能键，5位LED显示，不同的功能键显示不同标志。 五、数据处理算法实验 1. 学习掌握数字滤波器设计方法。 2. 应用频谱知识和滤波器设计知识，对信号进行滤波。 3．直流电压数据中，迭加了脉冲干扰，采用不同的滤波算法，观察处理效果。 六、基于单片机的智能仪器综合设计实验 1． 将实验一到实验五的单元内容综合，完成具有信号采集、数据处理、键盘控制、LED显示等功能的智能仪器。 2． 以温度为测量对象，选择热敏电阻或AD590为传感器，设计检测电路和信号调理电路。 3． 掌握标定原理和工程量变换方法。 4． 对实验结果进行分析。 七、虚拟仪器设计实验 1. 学习信号发生卡的性能、基本原理； 2. 学习基于LabVIEW开发环境的编程技术； 3. 了解基于自行研制信号发生卡的虚拟仪器系统的组建原理及编程技巧； 4. 学习和掌握LabVIEW中信号发生节点的使用。     ※ 教学安排和学时分配  周次 课 堂 讲 授 实 践、实 验 课 作 业 测 验 其 他   题目名称和内容 学时 题目名称和内容 学时 题目名称和内容 学时 题目名称和内容 学时  1 第一章 概述 仪器仪表概述 智能仪器的分类、基本结构与特点 推动智能仪器发展的主要技术 2 ? ? 智能仪器结构特点及发展 ? ? ?  2 第二章 智能仪器的数据采集技术 数据采集系统的组成结构 模拟信号调理 A/D转换器及接口技术 2 模拟信号调理实验 2 典型数据采集系统组成及其特点 ? ? ?  3 数据采集系统设计及举例 2 ? ? ? ? ? ?  4 数据采集系统的误差分析 2 D/A转换实验 A/D转换实验 2 简要阐述Δ-Σ型ADC原理与技术 ? ? ?  5 第三章 人机对话与数据通信 键盘 LCD显示器 触摸屏 标准串行总线数据通信 2 ? ? ? ? ? ?  6 USB通用串行总线及应用 PTR2000无线数据通信 2 键盘显示实验 2 基于USB接口的外设即插即用原理 ? ? ?  7 第四章 智能仪器的基本数据处理算法 克服随机误差的数字滤波算法 2 ? ? ? ? ? ?  8 消除系统误差的软件算法 标度变换 2 数据处理算法实验 2 举例说明采用最小二乘法实现仪器非线性误差校正过程 ? ? ?  9 第五章 智能仪器软件设计 软件概述 软件开发模型与设计方法 2 ? ? 软件设计与程序设计的关系 简要概述软件工程学的主要思想 ? ? ?  10 基于裸机的软件设计 基于嵌入式操作系统的软件设计 软件测试 4 ?  简单智能仪器的键控程序与嵌入式操作系统有哪些不同之处。 ? ? ?  11 六章 智能仪器可靠性与抗干扰技术 可靠性概述 可靠性设计 2 ?  总结影响仪器可靠性的因素及设计策略 ? ? ?  12 智能仪器干扰源分析 抑制电磁干扰的主要技术及应用 第七章 智能仪器可测试性设计 可测试性概述 固有测试性设计 2 2 ? ? 第屏蔽为什么能达到抗干扰的目的？静电屏蔽及电磁屏蔽的原理是什么？为了使它们能达到很好的效果，应采取什么措施？ ? ? ?  13  机内测试技术—BIT 设计实例 2 ? ? 设计测试RAM的电路和程序 ? ? ?  14 第八章 智能仪器的设计实例 智能仪器的设计原则及研制步骤 固体密度测试仪的研制 基于TMS320VC5402的地下管道漏水检测仪设计 2 基于单片机的智能仪器综合设计实验 2 选择“智能频率测试仪”或“工频有效值与功率参数测试仪”或自定课题，完成设计报告 ? ? ?  15 第九章 智能仪器的新发展 虚拟仪器、网络化仪器 2 ?  说明虚拟仪器的性能和特点。 ? ? ?  16 课程讨论与总结 2 Labview 平台 掌握该软件开发平台使用方法 2 ? 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