《嵌入式系统设计》课程教学大纲

《嵌入式系统设计》课程教学大纲课程编号：04210872课程性质：专业方向课适合专业：电子信息工程先修课程：数字、模拟电子技术基础、单片机原理及应用、C语言程序设计开设学期：第六学期考核方式：闭卷考试总学时数：36学分：2（一）课程教学目标嵌入式系统具有体积小、功能强、可靠性高、面向控制和价格低廉等一系列优点，不仅已成为工业控制，智能工具，领域普遍采用的智能化控制工具，而且已渗入到人们工作和生活的各个角落，有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景广阔。（二）课程的目的与任务本课程通过对ARM嵌入式芯片的系统其内部结构，工作原理，软件、硬件的设计方法及接口技术应用的介绍，使学生掌握嵌入式系统设计和开发的基本技能。通过本课程的学习，使学生掌握系统的的架构、工作原理、指令系统、编程技术、接口技术和实际应用。为学生将来在工作中，能够应用嵌入式技术解决实际问题打下基础。（三）理论教学的基本要求通过本课程的学习帮助学生获得必要的嵌入式系统设计的基本知识，理解嵌入式系统设计的基本理念，掌握利用嵌入式系统进行设计开发的基本原理和方法，了解学科发展前沿，提高学生解决工程实际问题的能力。（四）实践教学要求（包括但不限于以下内容）无。（五）教学学时分配数章次各章名称总学时学时分配讲课实验上机课外小计第一章嵌入式系统开发技术111第二章ARM技术概述111第三章基于STM32的嵌入式系统的应用开发333第四章DevStm4.0开发板硬件及设计333第五章STM32基本应用技术555第六章STM32F103的进阶设计及应用666第七章STM32F103的通信接口及应用666第八章μC/OS口在STM32上的应用555第九章STM32中嵌入式应用信号处理算法333第十章STM32开发工业级控制器应用333总计363636（六）大纲内容第一章嵌入式系统开发技术具体内容：1.嵌入式开发的基本概念2.嵌入式系统发展历史与现状3.嵌入式系统的组成4.嵌入式系统相关概念5.嵌入式系统的应用领域基本要求：了解嵌入式系统特点及发展历史；理解嵌入式系统的组成结构，掌握硬件层，中间层，系统软件层，三个层次的功能及关系；了解嵌入式处理器及嵌入式操作系统的相关概念，理解实时操作系统RTOS；了解VxWorks，µC/OS-II，WindowsCE，嵌入式Linux，µClinux，PalmOS，QNX，DeltaOS及pSOS几种常用的嵌入式操作系统。重点与难点：本章主要介绍了嵌入式系统的基本概念，讲解的内容比较简单，但是有些概念比较难以理解，重点理解嵌入式系统的组成，处理器及操作系统的相关概念。第二章ARM技术概述具体内容：1.ARM体系构架2.ARM的RISC结构特性3.常用ARM处理器系列4.ARM体系结构和技术特征5.ARM的流水线6.Thumb指令集7.Thumb口2指令基本要求：了解哈弗结构和冯诺依曼结构两种计算机系统结构；掌握计算机相关指令及RISC指令集；理解ARM指令的基本处理过程及三级流水线的指令处理过程；了解Thumb指令集、Thumb-2指令集及ARM指令集的关系及区别；了解常用的ARM处理器。重点与难点：重点理解掌握计算机相关指令及RISC指令集；理解ARM指令的基本处理过程及三级流水线的指令处理过程。基于STM32的嵌入式系统的应用开发具体内容：1.STM32F103系列MCU简介2.低功耗版本STM32L系列3.STM32的开发工具4.STM32的固件库文件5.STM32的启动文件6.JTAG简介7.JTAG调试STM32F103过程8.SWD仿真模式9.JTAG接口及仿真器接口定义10.ISP下载器及常用工具基本要求：了解STM32F10x的内部结构；了解STM32F103的片上资源及STM32F103的相关性能；了解STM32L1低功耗系列；熟悉KeilMDK和EWARM两个常用的STM32开发工具，STM32的固件库文件及启动文件，JTAG接口，FlashLoaderDemo下载工具软件及MCUISP下载器。重点与难点：了解STM32F103的片上资源及STM32F103的相关性能，熟练掌握STM32相关开发工具。DevStm4.0开发板硬件及设计具体内容：1.电源电路2.MCU外围电路3.复位电路4.晶振电路5.启动模式设置电路6.EEPROM电路7.串口电路8.RS485接口电路9.SD卡接口电路10.JTAG电路11.按键检测电路12.开关检测电路13.网络接口电路14.PWM驱动LED电路15.片载A/D转换电路16.AD770816位高精度A/D转换电路17.CAN总线接口电路18.OLED显示接口电路19.继电器驱动电路20.SeiSite接口21.开发板原件PCB布局及接口指示说明基本要求：了解DevStm4.0开发板基本功能；掌握DevStm4.0原理总图，及电源系统设计，MCU外围电路，复位电路，晶振电路，启动模式设计电路，EEPROM电路，串口电路，RS485接口电路，SD卡接口电路，Jtag电路，按键检测电路，开关量检测电路，PWM驱动LED电路，片载AD转换电路，AD7708A/D转换电路，CAN总线接口电路，OLED接口电路，继电器驱动电路各部分电路原理；了解SeiSite接口电路。重点与难点：为了能够清楚的讲明问题，我们专门为本书配套设计了相应的开发板，开发板使用STM32F103RET6增强型芯片进行设计，既可以通过ISP进行程序下载也可以通过JTAG进行程序下载，方便大家在学习的过程中间灵活的选择调试方式。该开发板我们命名为DevStm4.0。本章需要熟练掌握DevStm4.0开发板的电源电路，MCU外围电路，复位电路，晶振电路等相关电路的工作原理。第五章STM32基本应用技术具体内容：1.GPIO通用输入/输出接口2.系统滴答定时器3.复位、系统时钟及实时时钟RTC4.NVIC嵌套向量中断控制器5.EXTI外部中断6.电源控制PWR基本要求：了解STM32的启动模式,外设资源及存储结构基础资料；熟悉STM32的每个GPIO口的基本情况，GPIO的通用操作步骤；理解STM32系统时基滴答定时器工作原理，SysTicktimer端口的结构及使用方法；掌握系统复位、电源复位和备份区域复位三种复位形式，由HSE/128、LSE或LSI时钟提供的RTC时钟源的区别，内部高速震荡时钟（HSI）、外部高速震荡时钟（HSE）及PLL时钟三种系统时钟的时钟源驱动及系统时钟设定方式；掌握STM32的5个中断优先级分组，NVIC_TypeDef具体每一位对应的中断关系，EXTI外部中断原理及两种使用方法；了解电源控制PWR的电池备份区域，电源管理器及三种低功耗模式。重点与难点：STM32基本开发技术，详细的阐述STM32基础应用的开发过程，重点的讲述利用3.5版本库函数进行STM32开发的详细过程和示例，帮助初学者解决实际中的应用问题。本章需要熟练掌握GPIO，SysTick操作，复位及时钟操作，NVIC操作及EXTI操作的使用方法。第六章STM32F103的进阶设计及应用具体内容：1.TIMx定时器2.外设DMA技术3.备份域寄存器4.ADC模/数转换器5.DAC数/模转换器6.看门狗定时器基本要求：掌握TIM1和TIM8高级定时器，普通定时器TIMx及基本定时器TIM6和TIM7的主要功能；了解TIMx定时器相关的时钟源；掌握TIMx定时器的计数器模式，实现通用定时器，PWM控制，定时器的级联等功能；掌握直接存储器存取(DMA)的主要功能及工作方式，了解DMA主要特性，DMA处理，DMA仲裁器，DMA通道，DMA1请求，DMA2请求等相关知识；掌握备份域寄存器功能及结构，侵入检测，RTC校准BKP的工作机制，了解备份数据寄存器，RTC时钟校准寄存器，备份控制寄存器，备份控制/状态寄存器的功能及注意事项；掌握ADC模/数转换器，DAC数/模转换器，独立看门狗IWDG及WWDG主要特征及功能。重点与难点：STM32进阶设计及应用，这些应用是建立在上一章的基础之上的应用介绍，掌握好上一章的基本知识之后，才能进行本章知识的了解和学习。重点为熟练掌握定时器，DMA，BKP，ADC，DAC及看门狗等相关操作。第七章STM32F103的通信接口及应用具体内容：1.USART串行通信技术2.通信接口应用3.I2C通信接口应用4.CAN总线通信接口应用5.SDIO接口应用基本要求：了解USART主要特性及功能；了解SPI通信接口功能，主要特性及与SPI外部器件相连的4个引脚的主要功能，掌握配置SPI为主模式及配置SPI为从模式时，数据发送及接送的过程；了解I2C通信接口的主要功能及特点，I2C总线协议，掌握I2C接口工作在从模式时从发送器的传输序列图，主接收器的接收序列图；了解SMBus应用用途，地址解析协议(ARP)，SMBus提醒模式，超时错误以及如何使用SMBus模式的接口，了解DMA请求，利用DMA发送及接收方法；了解CAN总线及bxCAN基本特点，bxCAN工作模式；了解SD模式，SPI模式两种SD卡允许在两种模式，在SD模式下STM32的SDIO适配器原理，SD命令格式，SD通用命令，SD应用命令，响应格式及SD上电过程。重点与难点：STM32提供非常强大的通信和数据交换接口，这些接口可以达到13个之多。需要重点掌握I2C接口，USART接口，SPI接口，CAN接口，SDIO接口的功能及使用。第八章μC/OS口在STM32上的应用具体内容：1.μC/OS口的发展历史

2.μC/OS口体系结构3.μC/OS口关键函数4.μC/OS口中断编程5.μC/OS口的学习方法6.μC/OS口的使用实例解析基本要求：了解μC/OS-II在STM32上的应用，μC/OS-II的发展历史，μC/OS-II体系结构，任务管理，时间管理，内存管理，通信同步等功能；熟悉μC/OS-II关键函数，μC/OS-II中断编程及μC/OS-II的学习方法。重点与难点：熟练掌握μC/OS-II的基本工作机制（不是全部及细节），熟悉μC/OS-II的各种函数及它的入口出口函数，尤其常用函数。。第九章STM32中嵌入式应用信号处理算法具体内容：1.线性滤波算法2.常用滤波算法3.PID过程控制算法4.开关量滤波算法基本要求：理解卡尔曼滤波算法功能，应用及机理；了解程序判数滤波，中值滤波，滑动算术平均值滤波，滑动加权平均值滤波，防脉冲干扰平均值滤波，低通数字滤波等常用滤波算法；了解PID过程控制算法中的模拟控制系统，微机过程控制系统及数字控制系统DDC等系统，掌握模拟PID调节器，数字PID控制器，PID算法的程序流程，标准PID算法的改进，数字PID控制的参数选择，数字PID控制的工程实现及偏差处理；了解开关量滤波算法。重点与难点：STM32系统已经具备了强大的运算能力，那么如果我们合理运用这些运算性能，将起到事半功倍的效果，本章将详细的介绍一些可以应用在STM32系统上的经典算法，需要重点掌握卡尔曼滤波算法，PID过程控制算法的机制与应用。STM32开发工业级控制器应用具体内容：1.工业级控制器的基本要求2.基于STM32F103设计的工业级控制器设计原理图3.硬件关键设计驱动解析4.Modbus通信协议基本要求：了解基于STM32F103设计的工业级控制器的基本要求；了解光耦隔离输入检测电路，基于达灵顿管的信号继电器驱动及OLED显示驱动接口驱动；理解MODBUSRTU通信协议，Modbus协议的数据帧，MODBUSRTU协议的实现，ModbusRTU主站流程及ModbusRTU从站流程。重点与难点：熟练掌握支持MODBUS通信协议的通用控制器开发与应用。五、课程考核办法：1．实验操作与实验报告：20％2．课堂参与/作业：10％3．考试：70％六、教材与主