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研究生课程《嵌入式系统》教学大纲

一、课程简介

本课程面向农业信息化方向研究生，系统讲授嵌入式系统的基本理论、核心技术与工程实践方法。内容涵盖 STM32 单片机编程、实时操作系统、传感器与执行器驱动、闭环控制、嵌入式通信与物联网应用，强调理论与工程实践结合，培养学生分析、设计和实现嵌入式系统的能力。

二、课程目标

  1. 掌握嵌入式系统的基本原理与体系结构。
  2. 熟悉 STM32 单片机硬件平台（ARM Cortex-M3，Blue Pill 开发板）。
  3. 掌握 CubeMX/CubeIDE 开发工具链，能独立完成 GPIO/PWM/ADC/USART/SPI/I2C/CAN 等外设编程。
  4. 理解 FreeRTOS 实时操作系统的核心机制与多任务编程。
  5. 能使用 PicSimlab 进行硬件仿真与调试。
  6. 掌握常用传感器（超声波、温湿度、红外）的接口编程。
  7. 掌握 LED、OLED 等显示设备的驱动开发。
  8. 理解直流减速电机与步进电机的驱动原理与 PWM 控制方法。
  9. 理解闭环控制与 PID 控制器的原理及嵌入式实现。
  10. 了解嵌入式通信协议与物联网应用基础，具备农业信息化场景的系统设计能力。

三、主要内容

  1. 嵌入式系统概述与体系结构
  2. 嵌入式软件设计模式（分层架构、状态机、事件驱动）
  3. STM32 单片机与 Blue Pill 开发板编程（GPIO、时钟、接口）
  4. FreeRTOS 实时操作系统（任务调度、同步、通信、内存管理）
  5. STM32 定时器与 PWM 应用
  6. PicSimlab 硬件仿真环境与调试方法
  7. 传感器接口编程（超声波、温湿度、ADC、红外）
  8. 显示设备编程（LED、OLED、字符 LCD）
  9. 电机驱动（直流减速电机、步进电机、H 桥驱动）
  10. 闭环控制与 PID 控制器
  11. 嵌入式通信与物联网（CAN、MQTT、WiFi、LoRa）
  12. 嵌入式系统综合设计方法
  13. 课程综合项目实践

四、教学方式

  • 理论讲授与案例分析相结合
  • PicSimlab 仿真实验，兼顾无实物板的远程学习需求
  • 课程项目驱动，结合农业信息化实际场景
  • 鼓励学员结合本职工作探索嵌入式应用

五、考核方式

  • 平时作业与实验报告（30%）
  • 课程项目（40%）
  • 期末考试或论文（30%）

六、推荐教材与参考资料

  1. 《嵌入式系统设计》 Wayne Wolf 著
  2. Jonathan W. Valvano, "Embedded Systems: Introduction to ARM Cortex-M Microcontrollers"
  3. 《ARM Cortex-M3/M4 嵌入式系统设计与实践》
  4. 《嵌入式实时操作系统原理与实践》（FreeRTOS）
  5. STM32 官方参考手册与 HAL 库文档
  6. PicSimlab 官方文档与示例