Лабораторний учбовий комплекс на основі стенду AVRLK-02
Розробленоучбовий лабораторний комплекс, що включає в себе методичні вказівки,лабораторний стенд AVRLK02 на основі мікроконтролера ATmega16A та віртуальну модель всередовищі Proteus, що дозволяє проводити графічне моделювання роботи лабораторного стенду. Лабораторнийстенд включає всі основні блоки типового радіоелектронного пристрою на основі МК – пристрої вводу/виводу(клавіатуру, РКІ, пристрій виводу звуку, годинник реального часу, інтерфейси зв’язку з ЕОМ (міст UARTUSB) іSDкартою пам’яті (SPI МК), АЦП, таймери, (використовуються вбудовані в МК модулі). Комплекс може бутивикористаний для навчання основам проектування мікропроцесорних систем на основі мікроконтролерів а такожвикористовуватись, як лабораторний контролер для автоматизації експерименту.
ВСТУП В сучаснійтехніці надзвичайно широкого використання набули мікропроцесорні засоби.Особливо поширений принцип використання мікроконтролерів в ролі основногоінтелектуального керуючого пристрою радіоелектронного приладу. Тому підготовкависококваліфікованих фахівців є однією з найважливіших задач в сучасних умовахстрімкого розвитку науки і техніки. Одним із важливих засобів глибокогозасвоєння навчального матеріалу, а також придбання практичних навичокпрограмування є комплексне виконання студентами практичних завдань моделювання,а також та практичної апробації проектованих схем з використанням учбовихапаратно-технічних засобів. АНАЛІЗ ОСТАННІХДОСЛІДЖЕНЬ І ПУБЛІКАЦІЙ За зазначених умовнавчальними закладами робляться спроби розробки навчального обладнання з подальшимїх дрібносерійним випуском самостійно або в співпраці з підприємствами малогобізнесу. Прикладами таких рішень можуть бути лабораторний комплекс«IE-NX-DSPIC30F» [1] призначений для вивчення принципів роботиdsPIC-мікроконтролерів. Недоліком даного пристрою є його складність при використаннідля початкової підготовки спеціалістів. Апаратно-програмнийкомплекс для вивчення 8-, 16- та 32-розрядних мікроконтролерів [2] що представляєсобою конструктор з набору функціональних модулів – розробка фірмиMikroelektronika, яка добре відома серед розробників програмного коду длявбудованих систем своїми компіляторами та середовищами розробки. Одним ізнедоліків якраз і є орієнтованість апаратних засобів на використання в комплексіз досить дорогими програмними продуктами Mikroelektronika. Програмно-апаратнийкомплекс "EV8031/AVR", що призначений для застосування в навчальних ціляхз курсів програмування (мова Асемблер, Сі), а також як засіб розробкипрограмного забезпечення для контролерів на базі однокристальної ЕОМ серіїMSC-51 [3]. Фірма «Open System» при створенні своїх навчальних стендівздебільшого керуються вимогами вітчизняної вищої школи, що знайшло відображенняу навчальних програмах багатьох спеціалізованих навчальних закладів. Стенд вцілому непоганий, але також можна виділити декілька недоліків. Насамперед –його надлишковість і складність, це пояснюється тим, що розроблений стенд наоснові промислового контролера і з використанням застарілого на даний час контролераAT89S52 (можливе використання ATMEGA8515), з використанням загальноїпаралельної шини для зв’язку з масивом пам’яті, організації доступу допериферійних пристроїв. Можливо, для середнього рівня підготовки така організаціяі виправдана, але для початкового – вносить додаткові складнощі. Лабораторнийстенд на базі AVR-мікроконтролерів, призначений для вивчення основ мікропроцесорноїтехніки від учбово-наукового центру “Паллада”[4]. Цей стенд має широкіфункціональні можливості: дискретні входи-виходи, аналогові входи, вхідлічильника імпульсів, широтно-імпульсна модуляція, цифро-аналоговийперетворювач, світлодіодна індикація. Таке рішення теж досить оптимальне з точкизору наочності і дешевизни виконання, але має ряд складностей при використаннів якості завершеного пристрою – відсутні дружелюбні інтерфейси користувача,складно реалізується ввід-вивід з периферійними пристроями. Хоча вірогідно,такі завдання надлишкові для учбового обладнання. До стенду додаєтьсякомпакт-диск із відповідним програмним та методичним забезпеченням. Також заслуговуєуваги «Учебно-лабораторный стенд для практического изучения микроконтроллеров»[5], розроблений у Тольятінському державному університеті. Стенд містить обчислювальнийблок, інтерфейсний блок вводу/виводу, а також елементи скидання, генератор прямокутнихімпульсів, RC-ланку в якості часозадаючого елемента, джерело регульованої напруги,програматор, кнопки наборного поля та блок світлодіодів. Авторами навітьзапропонована корисна модель на учбово-лабораторний стенд що призначений дляпрактичного вивчення мікроконтролерів. Судячи з аналізу опису, та доданих доопису корисної моделі структурних та функціональних схем – підходи до їх реалізаціїдещо застарілі, і не надто придатний для навчальних цілей. Розглянутіприклади зазначених приладів досить цікаві, але реалізація залишає бажатикращого як в плані зручності використання (через великі габарити), так і вплані ціни - всі вони достатньо дорогі. Метою статті є розробленнялабораторного учбового комплексу робіт який дозволить студентам набути навики розробленнята створення як апаратної, так і програмної частини мікропроцесорної системи. ОСНОВНА ЧАСТИНА В основі розробкилабораторного учбового комплексу лежить низка методичних принципів: -індивідуалізація виконання лабораторних робіт, що сприяє розвитку в студентівнавиків самостійної роботи; - фронтальнийметод, за яким студенти виконують одну роботу, пов’язану з тематикою курсу і розглянутоюна лекціях; - уведення влабораторні роботи дослідницьких елементів, що детально описані у методичних рекомендаціях; - використаннясхемотехнічного моделювання під час виконання лабораторних робіт. Лабораторнийучбовий комплекс складається з таких частин: 1. Лабораторнийстенд AVRLK-02 на основі мікроконтролера ATmega16A. 2. Методичнівказівки виконання лабораторних робіт; 3. Віртуальноїмоделі для схемотехнічного моделювання в середовищі Proteus; Стендлабораторний «AVRLK V2» призначений для вивчення основ мікропроцесорноїтехніки. Структурна схемалабораторного стенду представлена на рис. 1. Центральнимвузлом лабораторного стенду є мікроконтролер ATmega16A. Вибір даного мікроконтролерапояснюється тим, що існує велика кількість літератури, прикладів, засобіврозробки для даного сімейства мікроконтролерів. Згодом, коли фахівець набудедостатнього багажу знань у програмуванні вбудованих систем йому буде достатньофірмового опису мікроконтролера. Тому на етапі освоєння програмуваннямікроконтролера – необхідно мати найбільш доступні засоби програмування/відладкита готових прикладів пристроїв на основі мікроконтролера, що вивчається. Цим вимогамповністю задовольняє сімейство МК ATmega фірми Atmel. Вибраний нами длянавчання мікроконтролер ATmega16 [6] має збалансовану систему команд,8-розрядне RISC ядро, вбудований 8-канальний 10-розрядний АЦП, 4 таймерилічильники, з яких 2 можуть бути генераторами ШІМ, підтримку стандартнихпослідовних інтерфейсів – USART та SPI, внутрішній тактовий генератор, щодозволяє обходитись без зовнішніх тактуючих пристроїв, контролер зберігаєпрацездатність в широкому діапазоні живлячих напруг – від 2,7 до 5,5 В, це даєможливість використовувати його як разом із застарілими мікросхемами зживленням 5 В, так і з новими, з напругою живлення 3,3 В. Пам'ять програм,об’ємом в 16 К слів дає можливість зберігати досить великі програми керування,а вбудований 1Кбайт EEPROM – дозволяє зберігати дані, які не губляться привиключеному живленні. Окрім того, МК ATmega16 має розвинуту систему переривань,опціональне апаратне «підтягування» ліній цифрових входів до потенціалуживлення, та багато інших рішень, що дозволяють мінімізувати зовнішні апаратнізасоби і підвищити ефективність взаємодії з ними. Матричнателефонна клавіатура служить основним пристроєм вводу даних в діалозі«користувач стенд». Також використовується для вводу цифрових та символьнихданих, за методикою прийнятою у телефонії. Клавіатура розмірністю 3х4 зтелефонним розміщенням клавіш вибрана тому, що є досить поширеною в пристроях,які часто зустрічаються в повсякденному житті – кодових замках, панелях керуванняпобутовими пристроями, телефонах. Крім того, вона при мінімальних розмірах ікількості клавіш є повнофункціональним пристроєм введення, за допомогою якоговводять навіть невеликі тексти (тому приклад – введення повідомлень СМС). Знакосимвольнийіндикатор служить для відображення найважливіших на поточний момент часу даних,а також як пристрій виведення інформації при використанні діалогових меню. Длязручності використано дисплей на контролері Hitachi HD44780 [7]. Розмірністьдисплея – 16 символів у 2х рядках. Це формат, який найчастіше зустрічається напрактиці завдяки оптимальному співвідношенню ціни і густини інформаційноговідображення. Лабораторнийстенд обладнаний картотримачем для карт пам’яті типу SD [8] та годинником реальногочасу – це дозволяє використовувати стенд для оцифрування та запам’ятовуванняданих в реальному часі, освоювати створення файлових систем типу FAT, FAT16,[9] та ін., а також створювати придатні для практичного застосування пристрої зфункціями накопичення даних та обміном з ЕОМ. Універсальнийрозширювач представляє собою роз’їм, через який мікроконтролер може обмінюватисьданими із зовнішнім світом. Враховуючи, що внутрішній 10-розрядний АЦП МК мультиплексованийіз даним портом – отримуємо можливість оцифрування рівнів напруги на 8 входах універсальногорозширювача. Різністандартні протоколи (I2C, SPI, UART)можна реалізувати програмно з використанням будь яких виводів порта «А» – всівони двонаправлені, а швидкодії ядра вистачає для реалізації нескладних (але достатніхв більшості випадків для практичного використання) функцій послідовноговводу-виводу. Живленнястенду забезпечується з допомогою зовнішнього блока напругою 6..15 вольт (в автономномурежимі можна використати акумулятор чи гальванічну батарею), або безпосередньочерез шину USB [10].
Студентмає можливість перевірити роботу SD-карти, форматування FAT, зв'язок з ЕОМ по протоколуUSART, функціонування інтегрального годинника реального часу DS1307, рідкокристалічногодисплея, пристрою виводу звуку – віртуально, без використання лабораторногостенду – це дозволяє виконувати домашні завдання за межами навчального закладу,а також надає спрощену можливість студентам обмінюватись своїми напрацюваннямичерез мережу Internet при колективному вирішенні задач. Дляроботи з віртуальними моделями можна використовувати демонстраційну версіюпрограми «Proteus». Демонстраційна версія дозволяє проводити моделюванняпристроїв в повному об’ємі. Схема віртуальної моделі лабораторно-учбовогостенду представлена на рис. 3. Передбаченийтакож роз’їм для під’єднання зовнішніх пристроїв. Інтерфейс розширення призначенийдля підключення розроблюваних зовнішніх пристроїв. Апаратно інтерфейспредставляє собою продовження порту «А» мікроконтролера (рис. 2), який дозволяєвикористовувати кожну окрему лінію як приймач/передавач цифрового рівня або яквхід АЦП. Це дає користувачеві можливості реалізовувати будь які способи вводу-виводу на свій смак.
Таблиця 1. Технічніхарактеристики стенду учбово-лабораторного KROK AVRLK V2
Лабораторно-учбовий стенд розробленийз урахуванням специфіки учбового процесу. Основна увага приділенаінтуїтивності і зрозумілості будови стенду та роботи з ним. Робота із стендомзводиться до декількох простих кроків:
ВИСНОВКИ
Розроблений комплекс лабораторних робіт може бутивикористаний для вивчення основ цифрової техніки, програмування вбудованих систем, а також як лабораторний блоккерування, який може наприклад виконувати функції системи збору та накопичення даних, універсального таймера,та інші. Комплекс може бути використаний як в навчальних курсах середніх та вищих учбових закладів,так і для навчання радіолюбителів і програмістів-початківців вбудованих систем, тому що являєсобою цілісну практичну систему навчання, забезпечену як методичними розробками, так і самодостатнімиапаратними засобами. Література 1. Панисько А. Лабораторные комплексы для разработчиков и учебных заведений / Новости электроники №14, 2007 [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.terraelectronica.ru/files/mail/s071126.pdf 2. Бродин В. Перевозчиков П. Аппаратно-программный комплекс на базе универсального лабораторного стенда для изучения 8-, 16- и 32-разрядных микроконтроллеров / Компоненты и технологии № 8, 2008 [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2008_08_154.pdf 3. Програмно-апаратний комплекс "EV8031/AVR" / Офіційний сайт ПМП «Open System» [Електроний ресурс] // Режим доступу: http://opensys.com.ua/Stend/Ev8031 4. Лабораторні стенди для вивчення мікропроцесорної техніки на базі AVR-мікроконтролерів фірми ATMEL // Официальный сайт компании ТОВ «Учбово-науковий центр «Паллада» [Електроний ресурс] - Режим доступу: http://pallada.vinnitsa.com/products/prod05.html 5. Сесин А.А., Ройтбург Ю.С., Прентсель А.А. Полезная модель № 126865 «Учебно-лабораторный стенд для практического изучения микроконтроллеров» // [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://poleznayamodel.ru/model/12/126865.html 6. ATmega16A 8-bit Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash DATASHEET [Electronic resource] – Access mode: http://www.atmel.com/Images/Atmel-8154-8-bit-AVR ATmega16A_Datasheet.pdf 7. Алфавитно-цифровые индицирующие ЖК-модули на основе контроллера HD44780 [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/lcd/chips/hd44780/start.htm 8. SD Standard Overview [Electronic resource] – Access mode: https://www.sdcard.org/developers/overview 9. FAT File System [Electronic resource] – Access mode: https://technet.microsoft.com/enus/library/cc938438.aspx 10. USB 2.0 Specification [Electronic resource] – Access mode: http://www.usb.org/developers/docs/usb20_docs/ 11. AVR ATmega Xmega Bootloader - chip45boot2 [Electronic resource] – Access mode: http://www.chip45.com/avr_bootloader_atmega_xmega_chip45boot2.php |
Використання віртуальної моделі лабораторного стенду дозволяє проводитивідладку роботи програми МК у режимі реального часу. Це дає можливість складатисвої моделі перед тим, як починати щоб наглядно представляти тільки всінеобхідні для програмування вузли і пристрої, водночас не переобтяжуючинаглядність і не вносячи надлишковості, це дає можливість студенту сконцентруватисьна основному і не допускати лишніх помилок. В моделі не внесено електричні кола,що забезпечують функціональність стенду, але не несуть змістового навантаження зточки зору алгоритмічного функціонування електронної схеми – кола живлення,обмежуючі резистори, та інше.