《测控总线技术》教学大纲

《测控总线技术》教学大纲适用范围：202X版本科人才培养方案课程代码：05147101课程性质：专业必修课学分：3学分学时：48学时（理论40学时，实验8学时）先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、数字信号处理、测控电路后续课程：测控仪器设计、无线传感器网络(WSN)等适用专业：测控技术与仪器开课单位：电气工程与自动化学院一、课程说明《测控总线技术》是测控技术与仪器专业的一门实用性很强的专业课。它是智能仪器中的通信基础，学生应通过该课程的学习，掌握智能仪器设计中通信部分的软硬件设计技术。本课程在介绍通信和总线的基本概念的基础上，从应用的角度讲述各种总线的原理和优缺点、应用实例。包括：片间总线通信技术、内总线通信技术、系统总线通信技术、标准总线通信技术、现场总线通信技术、网络通信技术、仪器通信技术以及无线通信技术等。使学生掌握仪器与仪器之间，仪器与微机之间以及微机与微机之间进行正确通信的硬件设计和软件编程技能。本课程注重基本理论知识的深入学习，重在培养运用基础理论知识解决生产实际中问题的能力，强调理论、分析设计方法、工程应用三者之间的协调，培养“厚基础、宽口径、高素质、强能力”的人才。二、课程目标通过本课程的学习，使学生达到如下目标：课程目标1：理解并掌握测控总线与仪器通信的一般原理和方法，包括数据通信基础、工业控制计算机网络、简单接口通信技术、标准总线通信、仪器专用总线、通用串行总线和无线通信技术。课程目标2：掌握仪器与仪器之间，仪器与微机之间以及微机与微机之间进行正确通信的硬件设计和软件编程技能。课程目标3：具有获取课程相关信息和资源的能力；具有独立从事实际工业测控系统运行、管理与维护的基本能力；能够跟踪了解本专业测控总线与仪器通信的技术前沿与发展动态；具有较强的学习和适应能力，能够不断开拓创新。课程目标4：具有坚定正确的政治方向，具有为国家富强昌盛而努力奋斗的坚强意志；形成良好的劳动习惯，能适应工业过程控制场合复杂、艰巨的劳动强度和恶劣的劳动环境；具有严谨的科学态度和现代社会的竞争意识、环境保护意识、价值效益意识、求实创新意识等专业素质。三、课程目标与毕业要求《测控总线技术》课程教学目标对测控技术与仪器专业毕业要求的支撑见表1。表1课程教学目标与毕业要求关系毕业要求指标点课程目标支撑强度3.设计/开发解决方案：能够设计针对复杂测控工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统和单元（部件），并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。3.1掌握测控系统工程设计和产品开发全流程的基本设计方法，根据工程需求明确设计目标，确定总体及各环节技术方案。课程目标1：理解并掌握测控总线与仪器通信的一般原理和方法，包括数据通信基础、工业控制计算机网络、简单接口通信技术、标准总线通信、仪器专用总线、通用串行总线、航空航天测控总线和无线通信技术及网络。课程目标2：掌握仪器与仪器之间，仪器与微机之间以及微机与微机之间进行正确通信的硬件设计和软件编程技能。M6.工程与社会：能够基于测控工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题的解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。6.2能够分析和评价测控领域工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，以及这些制约因素对项目实施的影响，并理解应承担的责任。课程目标3：具有获取课程相关信息和资源的能力；具有独立从事实际工业测控系统运行、管理与维护的基本能力；能够跟踪了解本专业测控总线与仪器通信的技术前沿与发展动态；具有较强的学习和适应能力，能够不断开拓创新。H11.项目管理：理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。11.1理解测控技术与仪器工程活动中的管理原理，把握资源分配和经济评估的原则，并掌握测控技术与仪器领域复杂工程问题决策的方法和方向。课程目标4：具有坚定正确的政治方向，具有为国家富强昌盛而努力奋斗的坚强意志；形成良好的劳动习惯，能适应工业过程控制场合复杂、艰巨的劳动强度和恶劣的劳动环境；具有严谨的科学态度和现代社会的竞争意识、环境保护意识、价值效益意识、求实创新意识等专业素质。M注：表中“H（高）、M（中）”表示课程与相关毕业要求的关联度。四、教学内容、基本要求与学时分配1.理论部分理论部分的教学内容、基本要求与学时分配见表2。表2教学内容、基本要求与学时分配教学内容教学要求，教学重点难点理论学时实验学时对应的课程目标1．绪论1.1智能仪器与个人仪器1.2自动测试系统1.3过程控制系统1.4测控系统的典型应用教学要求：了解本课程的性质和任务以及测控系统的发展概况和基本组成；理解智能仪器与自动测试系统的组成和工作原理；掌握测控系统的典型应用。重点:智能仪器与个人仪器，测控技术的应用。难点:智能仪器与自动测试系统。203、42.数据通信基础2.1数据通信系统的基本组成2.2信道、调制/解调与编码/解码2.3传输编码2.4传输方式、传输形式2.5传输中的差错处理、常用检错码2.6通信链路的拓扑结构教学要求：掌握数据通信系统的构成及信道的基本特性；理解并掌握调制/解调与编码/解码技术传输编码技术；深入理解数据通信系统的传输方式、传输形式、传输中的差错处理；掌握通信链路的拓扑结构。重点:通信的基本概念和术语，模拟数据和数字数据传输；串行传输的时序控制技术（同步和异步传输），数据传输过程（单工传输、半双工传输、全双工传输），数字数据通信的差错类型，数字数据通信的差错检测，数字数据通信的差错纠正，复用技术，拓扑结构。难点:模拟信号编码技术，数字信号编码技术；同步技术。801、23.工业控制计算机网络3.1绪论3.2计算机网络的体系结构3.3数据链路层3.4网络层教学要求：掌握计算机网络的基本概念；理解网络交换技术等核心技术和OSI七层参考模型；理解并掌握数据链路层、网络层主要功能，掌握滑动窗口流控制技术；理解ARQ协议及算法、熟悉面向字符的数据链路层通信协议和TCP/IP协议；掌握局域网的相关技术，握IP地址的规划与配置。重点:交换技术，数据链路层、网络层主要功能，ARQ协议及算法，局域网的特点及存取控制方法，TCP/IP协议。难点:计算机网络体系结构，滑动窗口流控制技术，面向字符的数据链路层通信协议，以太网技术。821、2、34.简单接口通信技术4.1简单接口通信信道与通信协议4.2主从式多微机并行接口通信4.3总线互连的多微机并口通信与串口通信4.4星型互连的多微机通信4.5菊花链和环型互连的多微机并口通信教学要求：了解I/O信道的两种基本形式；理解简单接口通信的基本原理、主从式多微机并行接口通信的工作原理，总线互连的多微机并口通信、串口通信工作原理，星型互连的多微机通信、菊花链和环型互连的多微机并口通信工作原理；掌握简单接口通信的连接方式；重点:主从式多微机并行接口通信，总线互连的多微机串口通信。难点:简单接口通信协议，菊花链和环型互连的多微机并口通信。441、25.共享存储区通信技术5.1共享存储区的物理结构与逻辑结构5.2共享存储区的分配与管理5.3双端口存储器及其应用5.4交叉内存双通信池及其应用5.5简易总线窗口的设计教学要求：理解共享存储区的物理结构、逻辑结构；掌握共享存储区的分配与管理方法、简易总线窗口的设计；理解双端口存储器及其应用、交叉内存双通信池及其应用；了解共享存储区技术在多机备份系统中的应用。重点:共享存储区的物理结构、逻辑结构，双端口存储器及其应用。难点:共享存储区的分配与管理，交叉内存双通信池及其应用。201、26.标准总线通信6.1总线、总线标准及标准总线6.2开放型系统6.3MultiBus标准总线6.4STD总线6.5STD多微处理器系统教学要求：理解总线、总线标准及标准总线的基本概念；了解开放系统的基本理论；熟悉STD总线和MultiBus标准总线；理解STD多微处理器系统。重点:总线、总线标准及标准总线，STD总线，MultiBus标准总线。难点:开放型系统，STD多微处理器系统。402、37.现场总线7.1概述7.2现场总线类型7.3CAN总线7.4工业以太网技术教学要求：理解现场总线的基本概念了解现场总线的类型；熟悉CAN总线的基本特点；理解并掌握CAN总线的分层及帧格式，理解并掌握工业以太网技术。重点:现场总线，CAN总线的基本特点，CAN总线的分层及帧格式。难点:CAN总线的介质访问控制方式，智能CANI/O节点设计。622、3、48.仪器专用总线8.1引言8.2VXI总线8.3PCI总线8.4PXI总线教学要求：掌握基本机箱标准；了解PCI总线系统；了解VXI系统的总线结构；PXI总线标准的组成。重点:基本机箱标准，VXI总线系统，PCI总线系统，PXI总线标准的组成。难点:VXI总线仪器协议。402、3、49.通用串行总线9.1USB体系结构9.2USB通信协议教学要求：掌握USB体系结构，理解并掌握USB通信协议。重点：USB体系结构。难点：USB通信协议。202、3、4合计4082.实验部分实验部分的教学内容、基本要求与学时分配见表3。表3实验项目、实验内容与学时实验项目实验内容和要求实验学时对应的课程目标1.局域网组网基础实验实验内容：组建局域网并测试其联通性。实验要求：掌握局域网的软硬件组成及其配置操作、测试方法。21、2、32.三单片机通信系统设计实验内容：利用单片机本身的接口实现三片单片机之间的串行或并行通信。实验要求：设计三单片机通信系统，并采用Proteus与Keil软件联调的方式进行实时仿真。41、2、3工业网络组网基础实验实验内容：认识现场总线网络必要的软硬件构成及其应用。实验要求：掌握以太网的软硬件组成及其配置测试方法。22、3、4合计8五、教学方法及手段本课程以课堂讲授为主，结合讨论、案例、视频资源共享、实验等教学手段完成课程教学任务和相关能力的培养。通过本课程学习使学生理解测控总线系统的结构和组成，掌握智能仪器中通信有关的专业基础知识；使学生掌握智能仪器设计中的通信部分的软硬件设计技术和能力。在实验教学环节中，采用教师讲授和学生动手操作的方法，通过启发式教学、讨论式教学进一步培养学生过程控制系统分析设计的基本理论、基本知识和基本技能。培养学生自主学习能力、实际动手能力，激发学生的创新思维。在实验前学生应复习和掌握与本实验有关的教学内容、认真阅读实验指导书；在实验中要严格遵守实验纪律，按操作规程使用仪器；实验结束后，按规定对仪器进行维护保养；每完成一项实验，要认真完成一份实验报告。六、课程资源1.推荐教材：王全德，王先培.测控总线及仪器通信技术（第2版）[M].北京:科学出版社.2016.2.参考书：（1）王先培.测控总线及仪器通信技术[M].北京:机械工业出版社.2019.（2）于洋.测控系统网络化技术及应用[M].北京:机械工业出版社.2012.（3）HolgerZeltwanger.现场总线CANopen设计与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社.2011.（4）郭琼.现场总线技术及其应用（第3版）[M].北京:机械工业出版社.2021.3.期刊：（1）\t"/kcms2/article/_blank"沈群书，\t"/kcms2/article/_blank"李久超.测控技术与测控网络系统应用[J].\t"/kcms2/article/_blank"电子技术与软件工程.\t"/kcms2/article/_blank"2018(01):118.（2）李定川.论现场总线的技术构成和发展趋势[J].智慧工厂.2019（03）:97-99.（3）陈尚文.现场总线标准的发展与工业以太网技术[J].通信电源技术.2020（07）:54-56.（4）胡毅，于东，刘明烈.工业控制网络的研究现状及发展趋势[J].计算机科学.2018(01):63-66.（5）DmitriyProschenko,SergeyGolik,AlexeyChekhlenok,IrinaPostnova,YuriShchipunov,YuriKulchin.ASimpleSwitchedEthernetProtocolforHardReal-TimeCommunication[J].AdvancedMaterialsResearch.2017(677):124-127.4.网络资源：（1）现场总线资料下载_动态资讯_产品选型_中国工控网：/bus.（2）现场总线_中华工控网_工控论坛：.七、课程考核对课程目标的支撑课程成绩由过程性考核成绩和期末考核成绩两部分构成，具体考核/评价细则及对课程目标的支撑关系见表4。表4课程考核对课程目标的支撑考核环节占比考核/评价细则课程目标1234过程性考核课堂表现4（1）根据课堂出勤情况和课堂回答问题情况进行考核，满分100分。（2）以平时考核成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√1111实验12（1）根据每个实验的实验操作完成情况和实验报告质量单独评分，满分100分；（2）每次实验单独评分，取各次实验成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以实验成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√3522作业12（1）主要考核学生对各章节知识点的复习、理解和掌握程度，满分100分；（2）每次作业单独评分，取各次成绩的平均值作为此环节的最终成绩。（3）以作业成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√5421期中测试12（1）学期期中进行一次期中测试，满分100分。（2）以测试成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。√√√√5421期末考核60（1）卷面成绩100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。（2）主要考核测控总线与仪器通信的一般原理和方法，包括数据通信基础、工业控制计算机网络、简单接口通信技术、标准总线通信、仪器专用总线、通用串行总线、航空航天测控总线和无线通信技术及网络。（3）考试题型为：选择题、填空题、判断题、简答题、名词解释、分析题和设计题等。√√√√2515155合计：100分39292210八、考核与成绩评定1.考核方式及成绩评定考核方式：本课程主要以课堂表现、实验、作业、期中考试、期末考试等方式对学生进行考核评价。考核基本要求：考核总成绩由期末试卷成绩和过程性考核成绩组成。其中：期末试卷成绩为100分（权重60%），试题类型为填空题、选择题、判断题、简答题、名词解释、分析题和设计题等等类型中的五种，试卷中基本知识、基本理论、基本技能