智能硬件应用实验¶
约 1854 个字 预计阅读时间 6 分钟
版权声明与课程信息
北京大学信息科学技术学院 杨延军 老师，电子学院 吕国成 老师版权所有，若有侵权请联系删除。
| 课程号 | 04833530 | 学分 | 2 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 英文名称 | Experiment on Intelligent Hardware Applications | ||||||||
| 先修课程 | 计算概论 | ||||||||
| 开课院系 | 信息科学技术学院 | ||||||||
| 授课语言 | 中文 | ||||||||
| 教材 | 树莓派开发实战（第 2 版）,[英]Simon Monk, 人民邮电出版社，2017, | ||||||||
前言¶
“智能硬件应用实验”是一门面向低年级本科生的基础课程，目的是让同学们可以在大学学习的早期阶段了解人工智能的基本概念和应用领域，同时了解计算机硬件设备的简单工作原理。课程内容分成三个主线：Python 语言编程、树莓派硬件控制、人工智能算法。
本讲义通过单元实验把相关的知识串联起来，希望学生通过实验可以对本课程三条主线的知识有充分了解。讲义仅对实验本身需要了解的内容进行了简要的介绍，通过实验步骤帮助同学们完成实验。同学们如果需要深入了解相关知识还需要参考讲义中提供的其它参考书籍和网络资料与在线论文。
每个实验内容具有一定的独立性，学生在实验之前必须做好预习，了解实验中所使用硬件的基本原理，掌握相关算法的实现方案，这样才能在实验的过程中充分利用实验室的资源，在有限的实验时间内完成实验，并在学有余力的情况下对相关算法进行深入研究。如果在做实验的过程中遇到困难，也要及时和老师或助教沟通，以免耽误太多时间，不能按时完成实验。
课程的最后还需要同学们完成一个综合项目，利用现有的硬件资源，实现一个有一定趣味性、创新性的智能应用。项目独立完成，可以参考网络上的现有资源，可以使用开源的代码和程序，但必须有自己设计的部分，最后的作品应可以演示。
课程简介¶
计算机技术的主要应用场景除了 “计算” 之外，就是进行 控制。通过利用微处理器的计算能力，人们可以实现非常复杂的控制逻辑。随着电子技术的不断发展，微处理器的功能不断得到增强，而其芯片尺寸却不断的缩小，芯片的功耗也可以控制在合理的水平。这使得微处理器的应用场景越来越多，更多的工业产品被电子化，并被赋予了 “智能”。
实现控制系统的核心微处理器可以是 8 位的 MCS-51 单片机，也可以是通用的 x86 处理器平台。如今 ARM 处理器获得了极为广泛的应用，从低成本的家用电子产品，到高端的服务器计算平台，到处都可以看到 ARM 处理器的影子。本课程就使用目前非常流行的基于 ARM 处理器的 树莓派（Raspberry Pi） 开发平台进行教学，完成一个智能硬件的设计。
Raspberry Pi 是一款性价比极高的 ARM 平台，自从推出就受到了市场的广泛认可。它具有开放的接口，很多个人和机构都设计了基于 Raspberry Pi 的外设模块，用来完成特定的应用。本课程配套的接口模块可以实现数字量输入输出、传感器数据读入等多种实验项目，便于学生快速掌握 Raspberry Pi 的使用。
通过完成几个基础实验对开发平台进行熟悉，学生将完成一个较为复杂的智能系统的项目设计。项目实验自主命题，学生可以在 Raspberry Pi 平台上将自己的创意变成现实。
课程大纲¶
本课程通过使用 Raspberry Pi 平台，让学生了解通过程序如何控制硬件工作，如何获取各种传感器数据，如何实现一个以处理器为中心的控制系统。
选择 Raspberry Pi 作为平台可以让学生了解除了 PC 外的其他处理器平台，也可以让学生了解除了 Windows 外的其他操作系统。另外，使用 Raspberry Pi 实现的系统更加贴近实际系统的应用情况，性价比都要远高于使用 PC 实现。
通过本课程的学习，学生可以掌握 ARM 硬件的基本原理和软硬件协同设计的基本方法。通过项目实验的设计，学生可以掌握较复杂数字系统的实现方法，增加对硬件系统设计的兴趣。
- 理论大课一（2 课时）：Raspberry Pi 介绍与智能硬件设计方法简介。
- 理论大课二（2 课时）：Raspberry Pi 开发方法和 Linux 操作系统
- 实验一（4 课时）：Raspberry Pi 与 Python 编程语言
- 实验二（4 课时）：GPIO 的使用与线性回归模型
- 实验三（4 课时）：1-Wire 总线与聚类算法
- 实验四（4 课时）：SPI 总线与支持向量机
- 实验五（4 课时）：I2C 总线与专家系统简介
- 实验六（4 课时）：AD/DA 与人工神经网络模型
- 实验七（4 课时）：摄像头的使用
- 实验八（4 课时）：语音识别
- 项目实验（28 课时）：自主命题，实现一个创意智能硬件
本课程为实验课，以实验为主。为了让学生能更好的理解实验内容，课程安排两次大课对先修知识进行补充。但智能硬件的相关技术更新很快，为了更好的进行实验，学生需要提前阅读参考资料和网上的信息。
每次实验的内容安排为 4 个课时，其中教师讲授的时间不少于 20 分钟。主要对实验的要求和主要知识点进行讲解，学生在实验中遇到的问题都将由教师进行指导，以最终完成实验内容为目的。
项目实验完全自主命题，使用 Raspberry Pi 平台完成一个创意作品的实现。在实现的过程中需要使用实验室提供的扩展模块，如果现有模块不能满足要求，经过和任课教师的沟通，也可以购买新的模块使用，费用由课程承担。
最后安排一次展示环节，学生可以将自己的作品介绍给同学和其他老师，通过交流掌握更多的智能硬件设计细节。
学生的成绩由二部分组成。
- 单元实验成绩占百分之五十，根据平时实验的完成情况给定
- 项目实验成绩占百分之五十，包括题目的完成度和最后展示的效果
每次实验的结果都需要上交实验报告，实验报告的完成程度也会反映到成绩中。