《智能控制終端技術》課課程教學大綱

《智能控制終端技術》教學大綱課程英文名Intelligentcontrolterminaltechnology課程代碼01M0134學分4總學時64理論學時32實驗/實踐學時32課程類別專業(yè)課課程性質(zhì)任選先修課程《微機原理及其應用》適用專業(yè)理工科專業(yè)（非計算機專業(yè)）開課學院機電工程學院注：課程類別是指公共基礎課/學科基礎課/專業(yè)課；課程性質(zhì)是指必修/限選/任選。一、課程地位與課程目標（一）課程地位《智能控制終端技術》是自動化專業(yè)選修的專業(yè)選修課，是檢測技術、C語言技術、面向?qū)ο蟪绦蛟O計和微機原理及其應用課程的后續(xù)綜合應用課程。其目的是使學生掌握嵌入式終端裝置的設計理論技術和實踐應用，能夠運用嵌入式技術、現(xiàn)場總線技術和數(shù)字信號處理技術進行控制終端的整體設計。通過對本課程的學習和實踐，使學生掌握計算機網(wǎng)絡體系的結構、通訊的基礎原理、現(xiàn)場總線技術的基礎原理、以及多協(xié)議網(wǎng)絡的組網(wǎng)過程、嵌入式技術的基本原理、多任務操作系統(tǒng)的運行機理、運動控制的基礎和各類常見電機的控制原理。為今后從事智能控制終端、嵌入式檢測裝置的開發(fā)和應用打下良好的基礎，具備初步的自動控制檢測裝置的設計能力。（二）課程目標（1）掌握智能控制終端系統(tǒng)設計的基本方法，能夠針對待檢測控制對象，給出多種解決方案并進行比較和分析，并能夠針對特定解決方案發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并就改進的可能性進行初步分析的能力，具有科學的鉆研精神。（2）熟悉使用專業(yè)軟件工具進行設計、開發(fā)、模擬和分析自動化領域工程問題，能夠熟練的運用QT開發(fā)軟件實現(xiàn)以太網(wǎng)、串行通訊，以及數(shù)據(jù)的顯示、記錄和歷史回顧功能，初步具備自動化領域的工程軟件設計能力和工程素質(zhì)。（3）理解自動化工程與環(huán)境保護的關系，了解自動化技術對于可持續(xù)發(fā)展的影響，在自動化系統(tǒng)的設計過程中，所設計的系統(tǒng)能夠考慮到其對環(huán)境的影響和保護所起的作用，具有社會責任和科學倫理意識。二、課程目標達成的途徑與方法《智能控制終端技術》課程教學采用課堂教學結合實踐教學的方法，針對智能控制終端裝置在實際生產(chǎn)生活中的應用，學習系統(tǒng)的整體設計方法，系統(tǒng)最小原型的測試方法和系統(tǒng)的調(diào)試方法，在細化功能的基礎上，結合嵌入式技術、通訊技術和電機控制技術，設計相應的智能控制終端裝置。培養(yǎng)學生運用工程基礎知識分析和解決控制科學與工程領域復雜工程問題的能力。（1）課堂教學主要講述計算機網(wǎng)絡體系結構，通訊的基本原理，主流現(xiàn)場總線技術的性能概況和他們的主要應用場合；現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢，以及工業(yè)以太網(wǎng)的性能優(yōu)勢；CAN總線的概念和CAN總線的由來；熟悉CAN的分層結構和通信協(xié)議，CAN報文的楨結構實時操作系統(tǒng)的概念，了解前后臺系統(tǒng)、代碼臨界段的定義；任務管理的實現(xiàn)過程，Cortex-M3體系結構，STM32程序設計和運動控制基礎。在課堂教學中，充分引入互動環(huán)節(jié)，提高教學效果。（2）針對某些較為容易或先期講解較為充分的知識點，列出部分內(nèi)容作為學生自主學習環(huán)節(jié)，訓練、形成良好的專業(yè)知識學習方法，培養(yǎng)學生自主學習意識和能力。（3）設計驗證性、設計性實驗，采用實驗教學方式，訓練實驗技能，培養(yǎng)理論知識的應用能力、實驗數(shù)據(jù)分析和處理能力和團隊協(xié)助能力。三、課程目標與相關畢業(yè)要求的對應關系課程目標畢業(yè)要求（支撐程度H、M、L）3-35-27-1課程目標（1）H課程目標（2）M課程目標（3）M注：1.支撐強度分別填寫H、M或L（其中H表示支撐程度高、M為中等、L為低）；2.畢業(yè)要求須根據(jù)課程所在專業(yè)培養(yǎng)方案進行描述。四、課程主要內(nèi)容與基本要求第一章計算機網(wǎng)絡基礎了解計算機網(wǎng)絡體系結構；熟悉通訊的基本原理；熟悉ISO/OSI七層結構的定義和原理；熟悉TCP/IP協(xié)議的基本原理和應用場合；掌握C/S通訊構架的基本原理和實現(xiàn)過程。第二章常用現(xiàn)場總線技術了解現(xiàn)場總線技術的概念和由來；熟悉主流現(xiàn)場總線技術的性能概況和他們的主要應用場合；熟悉現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢，以及工業(yè)以太網(wǎng)的性能優(yōu)勢；第三章CAN技術規(guī)范了解CAN總線的概念和CAN總線的由來；熟悉CAN的分層結構和通信協(xié)議，以及它和ISO/OSI七層協(xié)議的不同；熟悉CAN報文的楨結構，包括數(shù)據(jù)幀、遠程幀、超載幀和錯誤幀。；熟悉CAN的報文濾波技術，一對多、一對一和一多所有通訊方式的實現(xiàn)原理。第四章實時操作系統(tǒng)的概念了解前后臺系統(tǒng)、代碼臨界段的定義；了解資源、共享資源、多任務和任務切換的概率；了解內(nèi)核、調(diào)度、不可剝奪型內(nèi)核和可剝奪型內(nèi)核的定義；熟悉可重入性、時間片輪番調(diào)度法和優(yōu)先級的概念。第五章任務管理的實現(xiàn)過程了解建立任務、任務堆棧和堆棧檢驗的過程；熟悉刪除任務、請求刪除任務和改變?nèi)蝿盏膬?yōu)先級的實現(xiàn)原理；熟悉掛起任務、恢復任務和獲得有關任務的信息。第六章Cortex-M3體系結構了解M3微處理器核結構以及其和51單片機的區(qū)別；了解處理器的工作模式及狀態(tài)，主頻的設置過程；了解寄存器、總線接口、存儲器的組織與映射；熟悉指令集、流水線和異常和中斷的實現(xiàn)過程。第七章STM32程序設計了解Cortex微控制器軟件接口標準；熟悉FWLib固件庫、嵌入式C編程標準；掌握STM32的GPIO、中斷系統(tǒng)和通用同步/異步收發(fā)器；掌握STM32定時器的設置與應用和A/D轉(zhuǎn)換器的應用。第八章運動控制基礎熟悉PWM的基本原理和實現(xiàn)過程；熟悉直流電機的調(diào)速原理和實現(xiàn)過程；熟悉步進電機的調(diào)速原理和實現(xiàn)過程；熟悉舵機的驅(qū)動原理和實現(xiàn)過程。五、課程教學學時安排章節(jié)號教學內(nèi)容教學時數(shù)學生任務對應課程目標第1章1計算機網(wǎng)絡基礎1.1計算機網(wǎng)絡體系的結構1.2通訊的基本原理1.3ISO/OSI七層結構1.4TCP/IP協(xié)議的基本原理1.5C/S通訊構架的基本原理1.6網(wǎng)絡硬件基礎4了解計算機網(wǎng)絡的特點、組成、應用和發(fā)展趨勢；理解ISO/OSI七層網(wǎng)絡結構；掌握C/S通訊的創(chuàng)建過程1.完成課堂作業(yè)：QQ通訊的原理。課程目標1課程目標3第2章2常用現(xiàn)場總線技術2.1現(xiàn)場總線技術概況2.2主流現(xiàn)場總線技術的性能概況2.3現(xiàn)場總線技術的發(fā)展趨勢2.4工業(yè)以太網(wǎng)6了解現(xiàn)場總線的定義以及它和DCS的區(qū)別；理解IEC611158主流現(xiàn)場總線的性能；1.課前預習現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢，工業(yè)以太網(wǎng)的性能優(yōu)勢課程目標1課程目標3第3章3CAN技術規(guī)范3.1CAN總線的概念3.2CAN的分層結構和通信協(xié)議3.3CAN報文的楨結構3.4CAN的報文濾波技術3.5CAN總線的通信錯誤及其處理6了解CAN總線的定義以及它和485通訊的區(qū)別；理解CAN總線的報文幀結構；掌握CAN總線的報文濾波設置方法1.完成課堂作業(yè)：如何實現(xiàn)CAN總線群發(fā)。課程目標2第4章4實時操作系統(tǒng)的概念4.1前后臺系統(tǒng)、代碼臨界段的定義4.2資源、共享資源、多任務和任務切換的概率4.3內(nèi)核、調(diào)度、不可剝奪型內(nèi)核和可剝奪型內(nèi)核的定義4.4可重入性、時間片輪番調(diào)度法和優(yōu)先級的概念4理解實時操作系統(tǒng)的基本概念；掌握可重入性、時間輪番調(diào)度法和優(yōu)先級的概念1.完成課堂作業(yè)：常用的嵌入操作都有什么優(yōu)點？課程目標1第5章5任務管理的實現(xiàn)過程5.1建立任務、任務堆棧和堆棧檢驗5.2刪除任務、請求刪除任務和改變?nèi)蝿盏膬?yōu)先級2理解任務的建立過程；掌握任務的調(diào)度和切換方法1.課前預習uc/os操作系統(tǒng)的特點。課程目標2第6章6Cortex-M3體系結構6.1M3微處理器核結構6.2處理器的工作模式及狀態(tài)6.3寄存器、總線接口、存儲器的組織與映射6.4指令集、流水線和異常和中斷2了解M3微處理器的結構、工作模式和寄存器；掌握指令集、流水線和中斷的概率1.課前預習ARM公司的發(fā)展由來。課程目標2第7章7STM32程序設計7.1Cortex微控制器軟件接口標準7.2FWLib固件庫、嵌入式C編程標準7.3STM32的GPIO、中斷系統(tǒng)和通用同步/異步收發(fā)器7.4STM32定時器和A/D轉(zhuǎn)換器4了解STM32的庫函數(shù)編程方法；理解stm32的GPIO操作、中斷、串行通訊和AD采集原理1課前預習IAR和KEIL軟件的區(qū)別？課程目標2第8章8運動控制基礎8.1PWM的基本原理8.2直流電機的調(diào)速原理8.3步進電機的調(diào)速原理8.4舵機的驅(qū)動原理4理解PWM波形的基本原理，掌握直流電機、步進電機和舵機的驅(qū)動原理。1完成電機伺服驅(qū)動方面的擴展閱讀？課程目標2備注：根據(jù)學生學情適當調(diào)整教學進度，并安排部分教學內(nèi)容為自學內(nèi)容，通過大作業(yè)來對學生自學情況進行考核。六、實踐環(huán)節(jié)及基本要求序號實驗項目名稱學時基本要求學生任務實驗性質(zhì)實驗類別1基于TCP的以太網(wǎng)C/S構架通訊實驗掌握C/S通訊構架在實際工程應用中的使用方法采用VC++或者QT軟件實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊功能驗證必做2串行通訊助手開發(fā)掌握基于C++的上位機串口通訊軟件開發(fā)采用VC++或者QT軟件實現(xiàn)串口通訊功能驗證必做3以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串行通訊實驗掌握基于C++的以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口通訊軟件開發(fā)采用VC++或者QT軟件實現(xiàn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口通訊功能驗證必做4RS485通訊收發(fā)實驗理解主從通訊的基本原理和掌握485通訊的收發(fā)原理；采用Keil軟件實現(xiàn)485通訊功能驗證必做5CAN總線通訊收發(fā)實驗理解CAN總線點對點通訊、廣播通訊和多節(jié)點通訊組網(wǎng)原理采用Keil軟件實現(xiàn)CAN總線的多點收發(fā)功能驗證必做6基于modbus的環(huán)境檢測裝置實驗理解modbus協(xié)議的基本概念和應用方法采用VC++或者QT軟件軟件實現(xiàn)modbus通訊協(xié)議驗證必做7基于UC/OS-II操作系統(tǒng)的跑馬燈實驗掌握基于UC/OS-II的多任務創(chuàng)建和任務調(diào)度的應用采用VC++或者keil軟件軟件實現(xiàn)多任務的創(chuàng)建和調(diào)度驗證必做8基于多線程的計時器實驗掌握基C++的多線程任務創(chuàng)建和應用采用VC++或者QT軟件實現(xiàn)多線程的運行驗證必做9STM32基礎實驗熟悉STM32的程序燒寫過程，跑馬燈實驗和AD采集實驗的基本原理采用Keil軟件實現(xiàn)跑馬燈和AD采集功能驗證必做10基于QT的嵌入式節(jié)點數(shù)據(jù)采集實驗掌握基于STM32的傳感器采集，并通過串行通訊和QT上位機進行通訊采用Keil軟件和QT軟件實現(xiàn)串口的上下位機通訊驗證必做11基于STM32的電機驅(qū)動實驗掌握硬件PWM波形輸出，直流電機、步進電機和舵機的控制。采用Keil軟件實現(xiàn)PWM的輸出和電機的控制驗證必做12密室逃脫控制裝置設計實驗掌握定時器設置，以太網(wǎng)遠程控制，串行通訊協(xié)議解析，下位機繼電器控制采用VC++或者QT軟件實現(xiàn)密室逃脫功能驗證必做13光照窗簾智能控制實驗理解數(shù)字光照傳感器的采集原理，掌握基于stm32的串行通訊協(xié)議定制和上位機遠程監(jiān)控采用Keil軟件和QT軟件實現(xiàn)智能窗簾的監(jiān)控和控制功能驗證必做14溫濕度智能植物澆灌實驗理解數(shù)字溫濕度傳感器的采集原理，掌握上位機監(jiān)控軟件開發(fā)和澆灌聯(lián)動控制采用Keil軟件和QT軟件實現(xiàn)溫濕度的監(jiān)控和控制功能驗證必做15具有多傳感檢測的四輪驅(qū)動小車控制實驗熟悉基于STM32的傳感器采集，熟悉采用LM298的電機調(diào)速，掌握舵機的二維平移臺轉(zhuǎn)角控制，掌握基于串行通訊和以太網(wǎng)通訊的小車遠程控制功能采用Keil軟件和QT軟件實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的采集和小車的控制功能綜合選作16音樂噴泉控制實驗掌握水泵控制的控制功能，基于PWM調(diào)節(jié)的噴水強度動態(tài)控制功能，音頻文件的讀取功能和音樂噴泉的遠程控制功能。采用Keil軟件和QT軟件實現(xiàn)結合音樂的水泵水量控制綜合選作17日月湖水環(huán)境綜合監(jiān)控實驗掌握太陽能供電的基礎原理，實現(xiàn)基于嵌入式的水位采集功能，數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控功能和數(shù)據(jù)庫記錄功能采用Keil軟件和QT軟件實現(xiàn)水環(huán)境檢測和遠程監(jiān)控功能綜合選作共計32個實驗學時考核方法及成績評定表1考核方式及成績評定表考核內(nèi)容考核方式評定標準（依據(jù)）占總成績比例過程考核大作業(yè)知識點表述完整性10%實驗成績實驗指導書，實驗功能要求和實驗現(xiàn)象分析30%課堂表現(xiàn)成績學生到課情況、互動表現(xiàn)、中國計量學院學生課程平時成績考核細則10%期末考核閉卷試卷參考答案和評分標準50%考核類別考試成績登記方式百分制表2課程目標考核環(huán)節(jié)和達成標準課程目標教學環(huán)節(jié)考核環(huán)節(jié)合格標準課程目標1講授大作業(yè)A0.6實驗成績B課堂表現(xiàn)C期末考試成績D1課程目標2講授、討論大作業(yè)A0.6實驗成績B課堂表現(xiàn)C期末考試成績D2課程目標3講授、討論大作業(yè)A0.6實驗成績B課堂表現(xiàn)C期末考試成績D3注：試卷中，課程目標1總分D10,課程目標2總分D20，課程目標3總分D30；試卷中，學生實際獲得