《现场总线-工业通信与网络技术》 教学大纲

-PAGE5-《工业通信与网络技术》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：22EE32017课程名称：工业通信与网络技术课程英文名称：IndustrialCommunicationandNetworkTechnique总学时：32理论学时：32学分：2学分开课单位：电气工程及自动化学院授课对象：电类与仪器仪表及计算机与控制专业（电气工程及其自动化，建筑电气与智能化，智能测控工程，计算机科学与技术、控制科学与工程）开课学期：3春先修课程：电子技术基础；嵌入式系统原理及应用（单片机原理）二、课程目标应用于工业领域/环境中的工业通信与网络技术，即以通信和网络技术为基础的现场总线技术，是3C（Computer,CommunicationandControl）技术发展汇集成的结合点，是网络通信技术、数字化技术、智能化技术发展到现场的结果。工业通信与网络技术是自动化及电气工程领域当前和今后的发展热点之一，已在各民用和国防领域中获得了广泛应用。例如，对于电气工程与智能建筑及智能测控领域，在现代电机驱动与控制装置（如变频器）中、在数字化变电站、配电系统/继电保护装置中、在智能电器中、在楼宇自动化与智能化装置中、在各类智能化仪器仪表中，几乎均要求配置现场通信接口，并构成通信网络；对于国防领域，在航空航天设备、舰船、装甲车辆中均使用了现场总线系统。在当今蓬勃发展的智能电网和工业互联网中，基于工业通信与网络技术的网络化、信息化/数字化、互动化是其主要特征。本课程以数字通信、网络的基本技术以及应用广泛的主流（典型）现场总线/以太网技术为主要内容，目的是使学生掌握现代工业通信与网络的基本概念、基础知识，学会阅读并理解现场总线/以太网的协议/规范/标准；能够初步设计一般设备的现场总线/以太网通信接口，掌握或了解典型现场总线/以太网系统的基本应用技术；并为学生进行工业通信网络设计和网络（系统）分析以及撰写工业通信领域的各种通信网络规范奠定一定的基础。课程目标对学生的能力要求如下：课程目标1.掌握网络与通信的基本原理、现场总线/以太网的主要技术，具备主流现场总线/以太网问题分析的知识基础，了解现场总线/以太网的发展趋势及前沿应用；课程目标2.学会阅读并理解现场总线协议/规范/标准，了解和掌握现场总线节点的基本设计方法，具备分析和解决工程实践中工业系统通信与网络问题的基本能力。三、课程目标与毕业要求对应关系毕业要求毕业要求具体描述课程目标1.工程知识5.使用现代工具1-1掌握数理、电子方面的基础知识，并能将其用于电气工程问题的分析和求解。5-3能熟练运用科技文献检索工具，了解电气工程领域理论与技术的最新进展。课程目标12.问题分析3.设计/开发解决方案6.工程与社会2-2能够对分解后的电气工程复杂工程问题进行表达、建模、求解，并获得有效结论。3-2能针对特定需求分析完成电气系统或相关模块的设计与实现，并在设计中体现创新意识。6-1了解与电气工程相关的技术标准、知识产权、产业政策和法律法规。课程目标2四、课程目标与课程内容对应关系序号教学内容教学要求学时教学方式对应课程目标1工业通信网络（现场总线）的概念，典型现场总线的组成和网络架构，现场总线的技术特点与优点，现场总线主流国际标准、中国标准。1.掌握工业通信网络（现场总线）的概念；2.了解现场总线的组成和网络架构、技术特点与优点；3.了解现场总线国际、中国标准。2授课课程目标1课程目标22低层与多层现场总线网络，基于传输技术的两种网络、基于网络尺度的几种网络，协议层次结构、服务与协议、面向连接的服务与无连接服务。1.了解现场总线网络概观；2.掌握通信的网络硬件；3.掌握通信的网络软件。2授课课程目标13OSI与TCP/IP参考模型及其比较，标准以及协议层、服务原语和参数，网络拓扑的定义、网络拓扑结构的分类与特点。1.掌握OSI与TCP/IP参考模型；2.了解网络体系结构内的标准化；3.掌握网络拓扑结构。2授课课程目标1课程目标24载波监听多点访问（CSMA）、无冲突协议，导向传输介质、无线传输。1.掌握介质访问控制方式；2.了解网络传输介质。2授课课程目标15数字信号编码技术，模拟信号编码技术。1.掌握数字信号编码技术；2.解模拟信号编码技术。2授课课程目标1课程目标26串行传输的时序控制技术，数据传输过程1.掌握异步传输和同步传输方法；2.掌握单工传输、半双工传输、全双工传输过程。2授课课程目标17数字数据通信的差错类型、差错检测、差错纠正、差错控制1.掌握数字数据通信的差错类型、差错检测方法；2.了解差错纠正、差错控制方法。2授课课程目标18流量控制，高级数据链路控制（HDLC）1.了解流量控制的基础知识；2.理解HDLC的帧结构及字段含义。2授课课程目标1课程目标29基于UART的串行通信的数据传输、节点硬件一般构成，EIA-232与485接口标准与电路、EIA-485节点信号波形与电平。1.掌握UART串行通信的数据传输与节点硬件构成；2.了解EIA-232与485接口标准与电路。2授课课程目标1课程目标210Modbus协议简要描述、数据编码与数据模型、寻址方式、功能码分类、数据链路层的两种串行传输模式、物理层的电气与机械特性，Modbus关键技术分析。1.掌握Modbus协议核心内容；2.理解Modbus关键技术。2授课课程目标1课程目标211CAN节点的分层结构、帧类型，MAC机制，错误类型及其界定，位定时。1.掌握CAN节点的分层结构、帧类型、MAC机制、错误类型；2.了解CAN的位定时方式。2授课课程目标1课程目标212CAN控制器及接口芯片，CAN节点设计，CAN系统应用实例。1.初步掌握CAN节点设计技术；2.了解CAN系统的应用。2授课课程目标213CAN标识符区的DeviceNet使用、连接建立概述，显式信息、输入/输出信息、分段/重组、重复MACID检测协议。1.掌握DeviceNet的连接技术；2.了解DeviceNet的信息协议。2授课课程目标1课程目标214DeviceNet链路生产者与消费者对象类、连接对象类、DeviceNet对象类定义，预定义主从连接组报文、从站与主站连接对象特性，指示器与开关。1.掌握DeviceNet通信对象类；2.掌握预定义主/从连接组；3.了解DeviceNet指示器与开关。2课程目标1课程目标215以太网的特征，以太网MAC机制，以太网MAC帧/包格式，MAC参数。以太网概述，传统以太网，交换式以太网，快速以太网，千兆位以太网，10G以太网，100G以太网。1.掌握以太网的特征、以太网MAC帧/包格式的组成与含义；2.理解以太网CSMA/CD的MAC截断二进制指数退避算法、MAC参数。2授课课程目标1课程目标216传统以太网与高速以太网，IEEE802.1QVLAN标准在802.3中的应用。1.掌握传统以太网、高速以太网的MAC子层与物理层的主要技术。2.理解VLAN的概念、带标签控制信息的IEEE802.3MAC帧格式。2授课课程目标1课程目标2五、课程教学方法1.课堂授课1.1采用启发式教学，通过提问和互动来激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力。例如，对介质访问控制方式、数字数据通信的差错类型、流量控制等内容。1.2采用教学模型、CAI课件、网络视频等多种辅助方式增强教学的直观性，提高课堂教学信息量，同时使学生加深对相应知识的理解。例如，对开放系统互联参考模型、HDLC的帧结构及字段含义等内容。1.3采用案例教学方式，通过一些实际问题的分析使学生学会理论与工程实际相结合，学会应用自然科学和工程科学的基本原理，进行机理研究等，进而培养学生分析和解决本领域相关工程问题的思维方法和实践能力。例如，对CAN节点设计、CAN系统应用等内容。2．自主学习鼓励和引导学生课外进行自主学习和探究式学习，培养创新意识和解决实际工程问题的能力。六、课程考核方法课程考核以检验课程目标的达成度为手段，进而评价学生学习成果的达成度。考核的环节包括平时作业及考核、期末考试，总成绩以百分计，满分100分，各考核环节所占分值比例及考核细则如下表。考核环节所占分值考核与评价细则对应课程目标平时作业及考核20（1）考核学生们平时上课的表现，对提问的回答等；（2）课堂作业交4次，单独评分；（3）以上两项最后合计，给出成绩。课程目标2期末考试80（1）卷面成绩100分，以卷面成绩按比例折算成实际得分；（2）考试命题以大纲中的应知应会内容为主，题型主要是填空、简答、分析和计算，并保证逐年有所变化。课程目标1七、主要教材与参考书佟为明.现场总线——工业通信与网络技术.2024.WilliamS.DataandComputerCommunications(TenthEdition)[M].Beij