《嵌入式系统设计》实验教学大纲
课程代码：TELE2131 | 课程学分：2.5 |
课程名称（中/英）：嵌入式系统设计/Embedded System Design | |
课程学时：54 | 实验学时：27 |
适用专业：电子信息工程、通信工程、电子科学与技术等专业 | |
先修课程：微机原理与接口技术、数字电路、C语言程序设计 | |
开课单位：电子信息学院 | 课程负责人：邓晶 |
实验室名称：电工电子实验教学中心嵌入式系统实验室 | |
一、课程简介
课程性质：嵌入式系统设计是电子信息类专业一门重要的专业选修课程。本课程是一门实践性很强的课程，课程以理论教学与实验教学并重的方式，培养学生嵌入式技术方面的软硬件设计能力，并通过该课程的学习扩大学生知识面，为今后的研究和技术工作打下坚实的基础。
教学目标：嵌入式系统设计以ST公司的32位基于ARM Cortex﹣M3内核的STM32单片机为例，介绍嵌入式系统的定义、特点和发展；ARM Cortex﹣M3体系结构；STM32程序设计与片上外围资源等，通过理论学习、实验、综合设计等环节，使学生了解嵌入式系统的发展状况和应用领域，掌握嵌入式系统的硬件设计、软件设计和系统综合设计能力，培养学生利用本课程分析和解决实际问题的能力，为今后从事嵌入式系统方面的应用与研究打下基础。本课程的具体教学目标如下：
1、掌握嵌入式系统的基础知识；学习ARM Cortex﹣M3体系结构；学习STM32 MCU的结构、STM32最小系统、片内外设资源和外部引脚，学习嵌入式系统硬件分析和设计方法；【1-2】
2、学习STM32 MCU的软件开发技术，掌握利用嵌入式C语言设计STM32程序的方法；【1-2】
3、学习嵌入式系统硬件设计技术，掌握STM32最小系统硬件和外围扩展单元设计，并能够综合运用嵌入式系统软件和硬件设计技术解决实际工程问题，并能够根据需求设计基于STM32 MCU的嵌入式系统的解决方案；【3-1】
4、学习ARM Keil集成开发环境的使用方法，熟练使用STM32 MCU开发板，并在此基础上完成规定的必修实验，设计综合性实验。【5-2】
二、课程目标与毕业要求的对应关系
毕业要求 | 指标点 | 课程目标 |
1、工程知识 | 1-2能针对电子信息领域的具体对象建立数学模型并求解，并具备对工程问题进行软硬件分析与设计的基本能力。 | 教学目标1、2 |
3、设计/开发解决方案 | 3-1能利用专业知识，根据给定的设计指标，设计电子信息领域的单元或过程。 | 教学目标3 |
5、使用现代工具 | 5-2能够选择与使用恰当的仪器、信息资源、工程工具和专业模拟软件，对复杂工程问题进行分析，计算与设计。 | 教学目标4 |
三、实验项目及学时分配
序号 | 实验项目 名称 | 目的要求 | 学时 分配 | 实验 类型 | 每组 人数 | 必修/ 选修 |
1 | STM32程序的编写、调试和分析 | 熟悉STM32教学开发板，熟悉STM32基本固件库的应用，熟悉STM32软件开发环境，用C语言编写并调试STM32程序。 | 3 | 验证性 | 1 | 必修 |
2 | GPIO端口控制流水灯闪烁 | 实现PA0～PA3所接4个LED指示灯闪烁。掌握GPIO的引脚功能，输入/输出模式，相关寄存器的配置与使用，GPIO常用库函数的使用。熟悉和掌握通用GPIO的应用， | 3 | 设计性 | 1 | 必修 |
3 | EXIT外部中断实验 | 按下PC0～PC3所接按键，触发外部中断，相应PA0～PA3所接4个LED指示灯状态改变，掌握EXTI配置、NVIC配置、中断服务程序的编写，外部中断控制的应用。 | 3 | 设计性 | 1 | 必修 |
4 | USART同步/异步串行通信实验 | 从STM32的FLASH固定地址读出STM32 CPU芯片的ID序列码；通过串口上传到PC机，通过串口工具软件显示出来。掌握USART 基本工作原理、寄存器配置，波特率设置，掌握USART中断服务程序的编写，以及收发功能的应用。 | 3 | 设计性 | 1 | 必修 |
5 | 定时器实验 | 了解STM32通用定时器的功能、结构、计数模式，掌握定时时间的计算，掌握定时器的配置，中断程序的编写，以及定时器的应用。利用定时器TIM2产生中断，LED指示灯以2Hz频率闪烁。 | 3 | 设计性 | 1 | 必修 |
6 | ADC转换采样数据实验 | 了解STM32 A/D转换器的硬件结构，基本参数与功能，工作模式，掌握ADC初始化配置，ADC程序设计与应用。 | 3 | 设计性 | 1 | 必修 |
7 | 基于nRF24L01的近距无线通信系统的设计 | 两人一组，实现双方的数据发送与接收，并在显示器上显示。了解和掌握近距无线数据传输原理，了解和掌握24L01的工作原理与特点，了解和掌握24L01的程序设计与应用。 | 9 | 综合性 | 2 | 选修 |
8 | 基于MF RC522 RFID读写器的设计 | 应用MF RC522 RFID模块，设计一个RFID读写器，实现对电子标签的读写操作，可读取校园卡的ID等。了解和掌握RFID的工作原理与特点，了解和掌握RFID的程序设计与应用。 | 9 | 综合性 | 2 | 选修 |
9 | 音乐播放器的设计 | 应用VS1053B音频编解码模块，设计音乐播放器实现音乐播放。了解和掌握音乐播放器的工作原理、程序设计与应用，了解和掌握VS1053B模块的特点和应用。 | 9 | 综合性 | 2 | 选修 |
10 | 基于WIFI模块的无线数据传输系统 | 应用WIFI模块，1个STM32开发板工作在AP模式，作为路由器，另一个STM32开发板工作在STA模式，做为客户端，进行数据传输。了解和掌握WIFI无线数据传输的工作原理和特点，了解和掌握WIFI无线数据传输的程序设计与应用。 | 9 | 综合性 | 2 | 选修 |
四、实验内容及教学要求
实验项目1：STM32程序的编写、调试和分析
1.教学内容
（1）实现1个LED指示灯闪烁。
2.教学目标
（1）了解和熟悉STM32教学开发板，熟悉STM32基本固件库的应用；
（2）了解和熟悉STM32软件开发环境；
（3）用C语言编写并调试STM32程序。
实验项目2：GPIO端口控制流水灯闪烁
1.教学内容
（1）PA0～PA3所连接4个LED指示灯以不同频率闪烁。
2.教学目标
（1）了解和掌握GPIO硬件结构、引脚功能以及输入/输出模式；
（2）了解和掌握GPIO相关寄存器的配置与使用，GPIO常用库函数的使用；
（3）熟悉和掌握通用GPIO的特点和应用。
实验项目3：EXIT外部中断实验
1.教学内容
（1）依次按下PC0～PC3所连接4个按键，触发外部中断；
（2）相应PA0～PA3所连接4个LED指示灯状态发生改变。
2.教学目标
（1）了解和掌握STM32 CPU EXTI硬件结构和软件配置；
（2）了解和掌握STM32 CPU NVIC硬件结构、软件配置以及中断优先级；
（3）了解和掌握STM32 CPU中断服务程序的编写以及外部中断控制的应用。
实验项目4：USART同步/异步串行通信实验
1.教学内容
（1）从STM32 CPU的FLASH固定地址读出STM32 CPU芯片的ID序列码；
（2）通过串口上传到PC上位机，通过串口工具软件显示出来。
2.教学目标
（1）了解和掌握STM32 CPU USART 工作原理、相关寄存器和波特率设置；
（2）了解和掌握STM32 CPU USART初始化配置以及发送和接收数据的过程；
（3）了解和掌握STM32 CPU串口中断服务程序的编写以及收发功能的应用。
实验项目5：定时器实验
1.教学内容
（1）利用通用定时器TIM2产生定时中断；
（2）LED指示灯以2Hz频率闪烁。
2.教学目标
（1）了解STM32通用定时器的功能、结构、计数模式；
（2）掌握定时时间的计算，掌握相关寄存器、库函数的应用及初始化配置；
（3）掌握通用定时器中断服务程序的编写，以及定时器的应用。
实验项目6：ADC转换采样数据实验
1.教学内容
（1）利用STM32 CPU内部温度传感器检测温度；
（2）在显示器上实时显示检测的温度数据。
2.教学目标
（1）了解STM32 A/D转换器的硬件结构、工作模式和基本功能；
（2）掌握STM32 ADC相关寄存器、库函数的应用以及初始化配置；
（3）掌握STM32ADC程序设计与应用。
实验项目7：基于nRF24L01的近距无线通信系统的设计
1.教学内容
两人一组，实现双方的数据发送与接收，并在显示器上显示。
（1）实现nRF24L01点对点无线通信；进一步可实现点对多点无线通信；
（2）发送端通过按键控制发送数据；
（3）接收端实时显示接收到的数据。
2.教学目标
（1）了解和熟悉基于nRF24L01无线通信系统的工作原理、系统组成及特点；
（2）了解和掌握nRF24L01的特性及使用；熟悉SPI串行总线的使用；
（3）了解和掌握基于nRF24L01无线通信系统的软件设计与应用。
实验项目8：基于MF RC522 RFID读写器的设计
1.教学内容
设计一个基于MF RC522的 RFID读写器，具体要求如下：
（1）STM32 CPU与MF RC522模块采用UART进行通信；
（2）实现对电子标签的读写操作，可读取校园卡的ID等；
（3）采用LCD显示电子标签的ID信息。
2.教学目标
（1）了解和掌握基于MF RC522的 RFID读写器的工作原理、系统组成及特点；
（2）了解和熟悉MF RC522模块的特性及使用，熟悉电子标签的内部结构及使用；
（3）了解和掌握基于MF RC522的RFID读写器的软件设计。
实验项目9：音乐播放器的设计
1.教学内容
设计一个音乐播放器，具体要求如下：
（1）播放可识别格式的音频文件，实现音乐播放；
（2）采用键盘选择工作模式；
（3）采用LCD显示播放曲目的相关信息。
2.教学目标
（1）了解和掌握音乐播放器的工作原理、系统组成及特点；
（2）熟悉VS1053B音频编码器、解码器的工作过程、特性及使用；
（3）了解和掌握音乐播放器的软件设计。
实验项目10：基于WIFI模块的无线数据传输系统
1.教学内容
两人一组，应用WIFI模块进行无线数据传输，并在显示器上显示。
（1）1个STM32开发板工作在AP模式，作为路由器；
（2）另一个STM32开发板工作在STA模式，做为客户端；
（3）通过按键控制发送数据；另一端实时显示接收到的数据。
2.教学目标
（1）了解和掌握AT命令集；
（2）了解和掌握WIFI无线数据传输的工作原理和特点；
（3）了解和掌握WIFI无线数据传输的软件设计与应用。
五、考核及成绩评定方式
1、考核方式
考核方式：作品与报告
成绩评定方式：
课程目标达成情况及考试成绩评定占比（%）
课程教学目标 | 支撑毕业要求 | 考试和评价方式成绩占比（%） | 成绩比例（%） | |||
期末考试 | 平时成绩 | 实验成绩 | 实验报告 | |||
教学目标1、2 | 支撑毕业要求1-2 | 12 | 8 | 14 | 6 | 40 |
教学目标3 | 支撑毕业要求3-1 | 12 | 8 | 14 | 6 | 40 |
教学目标4 | 支撑毕业要求5-2 | 6 | 4 | 7 | 3 | 20 |
合计 | 30 | 20 | 35 | 15 | 100 | |
2、考核评价标准
实验成绩考核评价标准
| 基本要求 | 评价标准 | 成绩比例（%） | |||
优秀 | 良好 | 合格 | 不合格 | |||
实验 成绩 | 应用STM32开发板和ARM Keil集成开发环境，应用所学理论知识，熟悉和掌握STM32的片上资源，培养学生独立进行设计和分析工程问题的能力，并启发学生的创新思维、自主开展创新性实验活动。（支撑毕业要求1-2、3-1、5-2） | 能根据实验要求合理设计电路，给出实现方案；独立完成实验，对实验结果能进行有效分析。 | 能根据实验要求合理设计电路，给出实现方案；独立完成实验，对实验结果进行分析。 | 基本能根据实验要求设计电路，给出实现方案；基本完成实验，对实验结果能进行部分分析。 | 不能根据实验要求设计电路，给出实现方案；不能完成实验，对实验结果没有分析。 | 35 |
实验报告考核评价标准
| 基本要求 | 评价标准 | 成绩比例（%） | |||
优秀 | 良好 | 合格 | 不合格 | |||
实验报告 | 能运用嵌入式系统设计课程知识识别、判断和思考实验中的现象和应用方式（支撑毕业要求1-2、3-1） | 实验报告撰写规范，内容完整,条理清晰；报告中对实验过程叙述清晰，逻辑性强，自己努力完成，没有抄袭。实验记录正确、充分、完整，对实验结果有分析，有结论。 | 实验报告撰写较规范，内容较完整，条理清晰；报告中对实验过程叙述较清晰，逻辑性较强，自己努力完成，没有抄袭。实验记录正确、完整，对实验结果有分析，对结论说明不够。 | 实验报告撰写尚规范，内容基本完整；报告中对实验过程叙述尚清晰,自己完成，无抄袭。实验记录正确、完整，对结果有一定分析，无结论。 | 实验报告撰写不规范或为提交实验报告；不独立完成,有抄袭现象,或为完成实验。 | 15 |
六、主要仪器设备及现有台套数
1．计算机（安装Keil μVision4软件）： 30台
2．系统开发板（STM32 CPU）： 30套
3．示波器： 30台
4．万用表： 30台
5．直流电源： 30台
6．信号发生器： 30台
7．工具箱： 1套/人
8．电子元器件： 若干
七、教材及参考书目
教材：
1、陈志旺. STM32嵌入式微控制器快速上手（第2版）[M]. 北京：电子工业出版社，2014
2、自编实验讲义
参考文献：
1、彭刚，秦志强. 基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M] . 北京：电子工业出版社，2011
2、李宁. 基于MDK的STM32处理器开发应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008
3、王永虹，徐炜，郝立平. STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践 [M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008
4、蒙博宇. STM32自学笔记[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011
5、范书瑞，李琦，赵燕飞. Cortex-M3嵌入式处理器原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2011