《嵌入式单片机STM32原理及应用》(教案大纲)

嵌入式单片机原理及应用（三级项目）课程教学大纲嵌入式单片机原理及应用（三级项目）课程教学大纲英文名称：PrincipleofSingleChipMicrocomputerandItsApplication课程编码：03113820学时：48学分：3.0课程性质：专业必选课课程类别：理论课先修课程：大学物理、电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、微型计算机原理、C语言开课学期：第5学期适用专业：工业自动化及仪表一、课程教学目标1、课程目标1针对测控类复杂工程问题，能够综合运用嵌入式单片机STM32理论知识和技术手段，设计满足特定需求的嵌入式测控系统、单元或应用软件，并能够在设计环节中体现创新意识。设计中能够综合考虑社会、健康安全、法律文化以及环境等因素2、课程目标2能够在测控类复杂工程问题解决过程中，采用Keil5开发工具进行调试硬件和软件。实现数据采集、功能模拟、分析、预测、工程图样绘制、实验数据处理和软件系统开发。3、课程目标3针对测控类复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，培养学生具备一定的国际视野，在跨文化背景下进行技术引进、创新和交流。能够分组设计研究性质的实践题目，运用课堂所学的知识对以嵌入式单片机为核心的各种应用系统进行设计交流。4、教学目标4通过实践项目的训练，培养学生具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。二、课程教学目标与毕业要求的对应关系毕业要求指标点课程教学目标3、设计/开发解决方案:能够设计针对测控类复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的测控系统(装置)或单元，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(1)\t能明确用户需求或任务要求，制定设计目标教学目标15、使用现代工具:能够针对测控类复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5-2(2)\t能使用工程技术软件绘制电路图、结构图或流程图，能编写符合规范的技术文件教学目标29、个人和团队:能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。9-1(1)\t能合理分解、分配工程实践任务，并组织团队成员开展工作，能与团队成员开展合作，陈述意见，倾听他人建议教学目标312、终身学习:具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。12-1(1)\t掌握拓展知识和能力的多种途径教学目标412-2(2)\t具有通过自主学习解决工程问题的能力三、课程的基本内容3.1理论教学1、嵌入式单片机原理及应用（支撑教学目标1）教学目标:课程目标1针对测控类复杂工程问题，能够综合运用嵌入式单片机STM32理论知识和技术手段，设计满足特定需求的嵌入式测控系统、单元或应用软件，并能够在设计环节中体现创新意识。设计中能够综合考虑社会、健康安全、法律文化以及环境等因素。本单元主要内容：1.1嵌入式系统特点及发展趋势 1.2嵌入式处理器ARMCortex-M3特点 1.3STM32系列微控制器2、嵌入式单片机STM32硬件基础（支撑教学目标1，2）教学目标:掌握STM32系统总线构架、存储器的组织与映射、时钟系统以及最小系统设计。本单元主要内容：2.1STM32系列单片机外部结构2.2STM32系列单片机内部结构2.3STM32F103单片机输入输出口2.4STM32F103最小系统设计 3、嵌入式单片机STM32软件开发基础（支撑教学目标1，2）教学目标:掌握STM32系统函数库功能及应用，掌握MDK开发软件的安装和使用本单元主要内容：3.1Cortex-M3微控制器软件接口标准CMSIS 3.1.1CMSIS概述 3.1.2STM32F10x标准外设库 3.2基于MDK和函数库的STM32软件开发过程 3.3基于MDK5的STM32软件开发过程4、STM32单片机通用输入输出GPIO（支撑教学目标1,2,3,4）教学目标:掌握STM32GPIO功能及应用。本单元主要内容：4.1STM32F10x的IO端口的组成及功能 4.2GPIO常用库函数4.3GPIO使用流程 4.3.1普通GPIO配置4.3.2GPIO复用功能AFIO配置 4.4GPIO应用设计实例 5、STM32单片机外部中断EXTI（支撑教学目标1,2,3,4）教学目标:掌握STM32单片机外部中断功能及应用。本单元主要内容：5.1中断的相关概念 5.2STM32F103中断系统组成结构5.3中断控制 5.4STM32中断控制库函数 5.5外部中断使用流程 5.6STM32外部中断应用设计实例6、STM32通用同步/异步通信USART（支撑教学目标1,2,3,4）教学目标:掌握串行口结构与工作原理、波特率设计、掌握串行通信方式及应用。本单元主要内容：6.1串行通信简介 6.2STM32的USART的结构及工作方式 6.3USART常用库函数 6.4USART使用流程6.5USART应用设计实例 6.6串行通信接口抗干扰设计7、STM32通用定时器TIM（支撑教学目标1,2,3,4）教学目标:掌握串行口结构与工作原理、波特率设计、掌握串行通信方式及应用。本单元主要内容：7.1STM32定时/计数器概述 7.2STM32通用定时器的结构7.3STM32通用定时器的功能 7.4通用定时器常用库函数 7.5通用定时器使用流程 7.6通用定时器应用设计8、STM32直接存储器存取DMA（支撑教学目标1,2,3,4）教学目标:掌握STM32单片机的DMA原理、结构及应用。本单元主要内容：8.1DMA简介 8.2STM32的DMA结构 8.3DMA的工作过程8.4DMA常用库函数 8.5DMA使用流程 8.6DMA应用设计实例—数据传输9、STM32的模数转换器ADC（支撑教学目标1,2,3,4）教学目标:掌握STM32单片机A/D转换技术及应用。本单元主要内容：9.1STM32应用系统简介 9.2STM32的ADC的结构 9.3ADC的工作模式 9.4ADC常用库函数 9.5ADC使用流程 9.6ADC应用设计10、STM32的集成电路总线I2C（支撑教学目标2,3,4）教学目标:掌握STM32单片机I2C技术及应用。本单元主要内容：10.1I2C总线通信简介 10.2STM32的I2C的功能及结构 10.3I2C的通信方式 10.4I2C常用库函数 10.5I2C使用流程 10.6I2C应用设计实例11、STM32的串行外设接口SPI（支撑教学目标2,3,4）教学目标:掌握STM32单片机SPI原理及应用。本单元主要内容：11.1SPI总线通信简介 11.2STM32的SPI特性及结构11.3SPI通信的实现 11.4SPI常用库函数 11.5SPI使用流程 11.6SPI应用设计实例3.2课内实验内容1、课内实验(支撑教学目标2,3)教学目标:课程目标2能够在测控类复杂工程问题解决过程中，采用Keil5开发工具进行调试硬件和软件。实现数据采集、通信、功能模拟、分析、预测、实验数据处理和软件系统开发。主要内容:实验一Keil环境下的STM32工程建立和调试实验二利用中断及定时器控制LED灯实验三USART串行通信实验四DMA传输实验五AD数据采集实验六_I2C总线读取EEPROM3.3讨论课内容1、讨论课(支撑教学目标3,4)讨论课目标:(1) 通过基于团队的学生上台讲演和课程讨论这种体验式教学方式，使学生加深对嵌入式单片机知识的理解，接触并了解工程实际中的应用，锻炼和提高学生的交流、沟通和表达能力以及团队合作能力。(2) 训练学生查阅文献、阅读相关技术资料和调查研究的能力，拓宽知识面，培养学生综合运用本课程知识，分析、理解和解决本专业及相关行业的理论和实践问题的能力。(3) 加强学生积极思考、主动学习的意识，培养学生的责任岗和职业道德。(4) 进一步了解嵌入式单片机在工程实际中的应用。讨论课内容:1.Keil环境下的STM32工程建立和调试STM32工程建立包括：STM32工程模板下新建6个文件夹（CMSIS、Listings、Output、Project、STM32F10x_Stdperiph_Driver、User）、向建立的工程文件夹中添加库文件、使用MDK(Keil)新建工程模板、工程配置、完善工程、将文本文档的扩展名改为.bat、JLINK下载与调试程序等环节，通过讨论课，让学生实际动手建立正确的工程项目。为后续程序调试打好基础。2.GPIO、定时器、中断、串行通信等功能模块的项目的构建及调试熟悉GPIO功能和使用方法，实现LED闪烁。具体包括：GPIO输入输出方式、C程序文件的版权和版本的声明、基本输入输出设置、STM32实现GPIO控制LED灯程序设计及代码编写方法；.熟悉通用定时器定时中断功能寄存器配置，实现LED灯根据定时器设定延时闪烁；熟悉版本V3.5.0固件库、掌握原理图查看方法、掌握基本输入输出设置、理解通用定时器基本工作原理、掌握定时器中断的程序设计原理。通过深入研讨STM32功能模块的实现和调试知识点及其用于工程实际中各种典型案例，以具体问题的理论解析和提出解决问题的方法为讨论内容，引导学生积极思考、主动学习，提高学生综合运用本专业知识，分析和解决问题的实践能力。3.虚拟硬件仿真实验系统的建立和调试除了原有授课每章节中的实例，在小班研讨项目中每一部分功能增加使用Proteus虚拟硬件仿真，改变嵌入式系统硬件实验受时间和空间的限制而不易融入教学中的局面，同时也减少教学硬件投入，节省资金。4.研讨实践项目案例库的建立和调试通过深入研讨STM32功能模块的实现和调试知识点及其用于工程实际中各种典型案例，以具体问题的理论解析和提出解决问题的方法为讨论内容，引导学生积极思考、主动学习，提高学生综合运用本专业知识，分析和解决问题的实践能力。设计研讨项目案例主题20个，供学生们设计研讨。讨论课的实施:教师负责整个大班授课环节，负责确定大班授课和小班研讨的时间安排以及研讨方案内容的初步设计。研讨教师负责在小班研讨前通过共同备课和讨论等方式完成对小班研讨教学内容的准备和方案的细化。小班研讨通过课前布置、指导，让学生利用课外时间查阅相关教材及参考资料，进行分析、归纳、实践及提炼，以学生上台演示和讨论为主要教学形式。讨论课的要求与成绩评定:1、基本要求（1）每位同学必须说明自己的组内分工和工作贡献，单独完成自己的工作汇报。（2）每个案例的演示汇报时间不超过5分钟，另外有15分钟的提问讨论时间。每个小组必须严格控制演示时间，汇报时间不足及超过时间1分钟以上要扣分。每一个同学都要事先练习好，避免超时。（3）演示汇报要清楚地说明讨论和研究的主题、主要内容、总结和结论等。2、成绩评定（1）每位同学的项目作业成绩由小组成绩和组内成绩两部分构成。（2）小组得分为组内所有同学的平均分，每位同学的得分依据其在组内的贡献，在小组平均分的基础上浮动，但最高分与最低分差值不得小于15%。组内得分定由各小组成员自行讨论确定，签字后由小组组长上报。（3）在项目研究中表现突出的学生将给予奖励，并记入考核成绩。3.4三级项目内容1、三级项目(支撑教学目标3，4)三级项目目标:课程目标3：针对测控类复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，培养学生具备一定的国际视野，在跨文化背景下进行技术引进、创新和交流。能够分组设计研究性质的实践题目，运用课堂所学的知识对以嵌入式单片机为核心的各种应用系统进行设计交流。课程目标4：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。三级项目内容:项目作业针对某一类物理量的测量进行自由选题。鼓励学生根据兴趣自主拟定题目。教师提供可供学生选择的题目，如：(1)运用GPIO控制系统工作指示灯 (2)运用GPIO进行开关量状态监测 (3)运用外部中断进行按键控制LED模拟手术室工作状态指示(4)运用外部中断进行烟雾监测外部中断紧急报警(5)交通信号灯控制器(6)空调温度控制(7)其它自拟题目等三级项目的实施:(1) 项目作业采用独立方式进行。每名同学选择题目，独立完成技术路线和程序调试，以及结果的分析工作。鼓励不同技术方案不同结论利用课堂所学知识和查阅的资料文献等进行解释说明，鼓励同学讨论和交流。(2) 由教师负责，同学依据所选择的项目作业题目及同学的实际情况进行工作。(3) 学生应根据项目题目及课程的进度，按时完成资料的查阅及分析方法的设计方法。(4) 项目的课内学时要求学生必须集中进行项目的研究讨论工作。(5) 项目作业将以答辩的形式进行验收。(6) 答辩结束后，学生需及时上交项目研究报告。(7) 研究内容的质量会影响到每组的最终成绩，鼓励学生自己在项目框架内选取感兴趣的研究内容进行创新设计和深入研究。进程安排:项目题目下发后，各小组应积极开展资料搜集、查阅、整理等前期工作，完成实际项目的设计软硬件实验、程序调试等。项目课内学时安排如下：1、利用课外学时制定方案，硬件软件方法确定、程序编制、调试、结果分析；2、在课内学时(8学时)进行项目项目作业布置、实施，解决实践中遇到的问题，最后项目汇报答辩。要求和成绩评定:1、基本要求（1）每位同学必须说明自己的组内分工和工作贡献，单独完成自己的工作汇报。（2）演示汇报的主要目的是让老师和其他同学了解各小组的主要内容和工作。（3）每个案例的演示汇报时间不超过5分钟，另外有15分钟的提问讨论时间。每个小组必须严格控制演示时间，汇报时间不足及超过时间1分钟以上要扣分。每一个同学都要事先练习好，避免超时。（4）演示汇报要清楚地说明讨论和研究的主题、主要内容、总结和结论等。2、成绩评定（1）每位同学的项目作业成绩由小组成绩和组内成绩两部分构成。（2）小组得分为组内所有同学的平均分，每位同学的得分依据其在组内的贡献，在小组平均分的基础上浮动，但最高分与最低分差值不得小于15%。组内得分定由各小组成员自行讨论确定，签字后由小组组长上报。（3）在项目研究中表现突出的学生将给予奖励，并记入考核成绩。3.5课程其他内容四、教学安排本课程安排在第5学期，是电气工程学院院级专业基础平台课程；以课堂教学为主，并安排适当的三级项目实践课，以项目作业的形式加深学生对嵌入式单片机的理解，培养学生认识问题、解决问题以及独立开发嵌入式系统功能的能力；建议学时分配如下表：讲课内容学时讲课实验（践）上机1第1章嵌入式系统简介：嵌入式系统定义、发展、应用；ARM处理器；STM32系列微控制器22第2章嵌入式单片机硬件基础：STM32F103微控制器外部结构、命名规则；STM32F103总线结构、存储器结构和映射、位带功能；时钟电路、复位电路、启动配置；最小系统设计43第3章嵌入式单片机STM32软件开发基础；KeilMDK概述及开发过程24项目实践：嵌入式单片机工程的建立25第4章STM32通用输入输出GPIO：GPIO功能特点；GPIO常用库函数；GPIO设计流程；GPIO闪烁灯实例26第5章STM32单片机外部中断EXTI：中断相关该概念stm32中断系统组成中断控制中断执行过程和中断嵌套外部中断应用设计47第6章STM32通用同步/异步通信USART：串行通信基本概念；STM32的USART功能特点；USART相关库函数；USART设计流程；USART与上位机通信实例48第7章STM32通用定时器TIM：TM32通用定时器结构特性时钟选择、时基单元、计数器模式；TIM相关功能寄存器29项目实践：中断及定时工程的建立和实验仿真调试210第8章STM32直接存储器存取DMA：DMA简介；STM32的DMA功能特点；STM32的DMA应用设计211第9章STM32的模数转换器ADC：模数转换基础ADC性能指标STM32的ADC特性结构STM32的工作模式控制ADC应用设计412项目实践：数据采集及传输项目实践213第10章STM32的集成电路总线I2C：I2C总线特点、发展、术语；I2C总线硬件构成、位传输、数据传输格式；STM32的I2C总线功能特点；STM32的I2C通信主模式和从模式的实现；I2C常用库函数；I2C设计流程；I2C扩展实例214第11章STM32的串行外设接口SPI：SPI基础；STM32的SPI功能特点；STM32的SPI应用设计215实验1Keil环境下的STM32工程建立和调试216实验2利用中断及定时器控制LED灯217实验3USART串行通信实现数据传输218实验4利用DMA传输实现数据块传输219实验5利用ADC实现数据采集及传输220实验6I2C总线读取EEPROM2合计48五、教学方法以课堂教学为主，并安排适当的习题课时间培养学生认识问题和解决问题的能力；以项目作业的形式加深学生对误差与数据处理的理解，强化学生分析和解决问题能力的培养；在项目作业中通过分组作业的形式允许学生相互讨论，培养学生的团队意识、合作精神及与人的交流、沟通与合作能力；规范作业文本格式，培养学生严谨、务实的学习态度；独立完成预留作业培养学生的独立思考、分析和解决实际问题以及实际动手能力等。六、教学目标达成度评价1、课程目标1达成情况的评价办法(1)形成性评价在课程进行过程当中，分别在主要章节内容结束后布置课后习题作业，对章节作业完成情况进行抽检，并在习题课上，随机点名学生上台讲解作业，对学生完成作业情况进行点评，解答学生疑问，并对学生普遍存在疑问的知识难点进行重点讲解。形成性评价用于对正在进行的教学过程中反映出的教学方面可能存在的问题进行及时改进。最后，将学生普遍存在的共性问题、难度较大的知识点、教学中存在的不足之处，以及做出的调整和改进写入课程考核分析报告。(2)达成情况评价采用闭卷考试方式进行考核。利用全体学生考试的平均成绩作为达成情况评价指标，并对成绩分布情况进行统计分析。分析数据和结论写入课程考核分析报告。2、课程目标2达成情况的评价办法采用实验课成绩进行考核。利用全体学生实验课成绩的平均成绩作为该项课程目标的达成情况评价指标，并对成绩分布情况进行统计分析。分析数据和结论写入课程考核分析报告。3、课程目标3达成情况的评价办法采用项目报告成绩(含项目验收汇报成绩)进行考核。对学生分组内的每一名同学按照其工作量和完成情况进行不同的评分。利用全体学生项目作业的平均成绩作为该项课程目标的达成情况评价指标，并对成绩分布情况进行统计分析。分析数据和结论写入课程考核分析报告。4、课程目标4达成情况的评价办法采用实验及三级实践项目调试及报告成绩进行考核。对学生分组内的每一名同学按照其工作量和完成情况进行不同的评分。利用全体学生实验及三级项目作为该项目标的达成情况评价指标，并对成绩