Библиографическая проработка темы дипломной работы

Исследуемой теме дипломной работы просвещён ряд работ отечественных и зарубежных авторов [1ч12]. Среди этих работ особый интерес с точки зрения проектирования учебно-лабораторного комплекса представляют работы [1,3,6,7].

В работе [1] изучается проектирование микропроцессорных систем на базе микроконтроллеров AVRфирмы Atmel. Он состоит из 9 лабораторных работ в которых раскрывается принцип действия микроконтроллеров данной серии. Данный практикум дает навыки работы с микропроцессорными системами.

Лабораторные работы познакомят Вас с одним из интересных и активно развиваемых AtmelCorp. направлений современной микроэлектроники — линией 8-разрядных высокопроизводительных RISC (ReducedInstructionSetComputers) микроконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR.

Можно считать, что AVR постепенно становится еще одним индустриальным стандартом среди 8-разрядных микроконтроллеров общего назначения. В настоящее время в производстве у AtmelCorp. находятся три семейства AVR:"tiny", «classic» и «mega».

VisualMicroLab (VMLab) представляет собой программный продукт, позволяющий производить моделирование, тестирование, разработку и отладку программных и технических средств микропроцессорных систем, содержащих микроконтроллеры AVR фирмы Atmel и различные компоненты, в том числе резисторы, конденсаторы, ключи, светодиоды, аналоговые, импульсные и другие генераторы, источники напряжения, операционные усилители и компараторы, логические элементы, 8-разрядные цифроаналоговые преобразователи, интерфейс RS232, LCD модули, I2C интерфейсы и другие устройства. С помощью пакета можно проектировать простейшую мультипроцессорную сеть, состоящую из двух микроконтроллеров (микропроцессорных систем) и проводить их совместное моделирование и тестирование.

Для работы программного комплекса необходим IBM — совместимый компьютер с процессором Pentium 4 и выше. Операционная система WindowsXP и выше.

Эффективность использования пакета VMLab определяется:

• ? достаточно простым интерфейсом пользователя;
• ? большим количеством моделей микроконтроллеров и компонентов микропроцессорной системы;
• ? возможностью разрабатывать программы на языке высокого уровня СИ;
• ? свободным распространением пакета VMlab (версия 3.12) и транслятора с языка СИ WinAVR.

В работе [3] приводится практикум предназначенный, для изучения студентами, основных принципов построения и программирования, цифровых систем управления и обработки данных и является частью учебно-методических разработок по дисциплинам «Микропроцессорные системы», «Микропроцессорные устройства систем управления», «Микропроцессорные системы управления», «Машинно-ориентированные языки программирования». Приведенные в практикуме лабораторные работы позволят получить практические навыки по разработке аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения микроконтроллерных систем управления и обработки данных.

В данном лабораторном практикуме наряду с описаниями лабораторных работ приводятся основные справочные и теоретические положения по теме выполняемой работы или ссылки на соответствующий материал данного учебного пособия, необходимый при подготовке и выполнении работы, а также контрольные вопросы, которые позволяют оценить степень подготовленности к работе.

Все работы проводятся на учебно-лабораторном стенде УЛС-ATmega8535, разработанным автором по единой по схеме «Получение задания Анализ задания Разработка алгоритма решения задачи Разработка и отладка программного обеспечения на отладчике AVR Studio 4 Программирование реальной системы с использованием PonyProg2000Проверка работоспособности и демонстрации реальной системы Составление и защита отчета».

Отличительными особенностями стенда являются:

a. универсальность;

b. возможность подключения различных типов датчиков и исполнительных устройств;

c. возможность использования современных аппаратно-программных средств отладки и программирования микроконтроллеров в реальных условиях;

Преимущество использования учебно-лабораторного стенда в учебном процессе, определяются:

• 1. Получением дополнительных навыков по работе с различными периферийными устройствами (системами индикации на основе ЖКИ, интерфейсами UART, SPI, IIC и RS-232) и т. д;
• 2. Возможностью разработки собственных вариантов лабораторных работ.

В работе [6] рассматривается система отладки AVR микроконтроллеров фирмы Atmel. Данное пособие предназначено студентам специальности 210 300₆₈ и 210 302₆₅ — Радиотехника для изучения АVR микроконтроллеров фирмы Atmel в курсе «Информационно-измерительные и управляющие системы.

В работе [7] описывается модуль BM9300, который предназначен для применения в различных системах автоматизации и контроля. Модуль можно использовать в учебных целях для изучения работы микроконтроллеров и программирования. Радиолюбители найдут широкое применение в собственных разработках.

Модуль включает в себя все необходимые узлы для автономной работы или работы в составе комплекта модулей BM93XX, а также в составе систем с реализацией отличной от BM93XX.

Модуль поддерживает работу с большинством часто используемых последовательных интерфейсов, как приборных (для коротких межмодульных связей, таких как I2C, SPI, MicroLan), так и терминальных/сетевых (для удаленных соединений и сетей, например RS485). Это позволяет создавать устройства с многомодульной структурой, легко сопрягать с необходимыми датчиками/исполнительными механизмами. Наличие гальванически развязанного интерфейса RS485 позволяет подключать модуль к сетям с протяженностью до 1200 м. Удобной особенностью модуля является наличие гальванически развязанного USB. Это позволяет оперативно, без всяких преобразователей подключать модуль непосредственно к компьютеру.

Одной из главных особенностей модуля является наличие встроенного интерпретатора бейсика. Размещение интерпретатора непосредственно в модуле позволяет обходиться минимальными программно-аппаратными средствами для создания/редактирования/отладки программ. В минимальном варианте необходим терминал с интерфейсом USB. Это может быть как КПК, так и мощный компьютер с любой операционной системой в которой может работать простейшая терминальная программа. Для большего удобства работы с модулем разработаны программа специального терминала, работающая под Windows 98/XP/Vista. Все эти программы, как и примеры программ на BASIC предоставляются бесплатно и доступны на нашем сайте. Другой важной особенностью модуля является применение 16 битного микроконтроллера PIC24FJ64GA004, в котором есть множество узлов которые могут быть полезны пользователю (АЦП, дополнительный UART, ШИМы, счетчики/защелки и т. п.).

Краткие технические характеристики микроконтроллера PIC24FJ64GA004 :

• * Разрядность — 16 бит
• * Производительность — 16 MIPS
• * Память данных пользователяFRAM 32 Кбайта
• * Память программ / данных пользователя FLASH — 2 МБайта
• * Терминальный интерфейс — USB с гальванической развязкой
• * Сетевой/дальний интерфейс — RS485 с гальванической развязкой
• * Локальные аппаратный интерфейс — I2C
• *Локальный программный интерфейс — MicroLan (с поддержкой операций поиска)
• * Количество линий ввода/вывода кроме I2C — 14
• * Из них АЦП 10 бит — 5
• * Из них ШИМ 16 бит — 5
• * Из них MicroLan — 14(16)
• * Нагрузочная способность основных линий ввода-вывода: ±18мА
• * Светодиодная индикация: Питание, Прием, Передача
• * Питание от постоянного и переменного тока +9…24 В DC
• * Типичный ток потребления в отсутствие обменов — 65 мА
• *Полимерный самовосстанавливающийся предохранитель с ограничителем входного напряжения
• * Температурный рабочий диапазон индустриального исполнения −10…+45 град.
• * Габариты модуля 76.2*25.4*20 мм.

Состав и функционирование Модуль можно условно разделить на следующие составные части:

• * Узел питания;
• * Интерфейсы RS485 и USB;
• * Гальваническая развязка;
• * Микроконтроллер с дополнительным стабилизатором;
• * Внешняя память программ и данных;
• * Светодиодная индикация
• * Разъемы и джамперы.

Модуль питается от+5 В ±10% поступающими от кросса. Интерфейсы RS485 и USB расположены со стороны узла питания на гальванически развязанной от микроконтроллера стороне. Оба интерфейса подключены к одному UART микроконтроллера и поэтому одновременная их работа не имеет смысла. Да и по логике: USB больше подходит для отладки и настройки, а RS485 для работы отлаженной программы в проекте. Поскольку не предусматривалась одновременная работа интерфейсов, гальваническая развязка между ними не реализована, т. е. они имеют общую землю.

Для работы с USB был выбран мост фирмы FTDI FT232R. При подключении к компьютеру через этот мост, модуль будет виден как COMпорт (предварительно необходимо установить соответствующий драйвер). Параметры канала по умолчанию: скорость 115 200 бод, 1 стоп бит, без четности, аппаратный контроль. Гальваническая развязка обеспечена между интерфейсной частью заодно с узлом питания и микроконтроллерной частью модуля. Узел гальваноразвязки включает в себя преобразователь питания и информационную развязку. Преобразователь питания передает питание на развязанную сторону. Он может быть установлен двумя способами: для передачи питания микроконтроллеру от узла питания и для передачи питания со стороны микроконтроллера от кросса к интерфейсной части. Информационная развязка выполнена на базе цифровых изоляторов со скоростью передачи до 1 Мбод. Микроконтроллер расположен на стороне кроссового разъема. Для питания микроконтроллера использован дополнительный стабилизатор 3.3 В. Линии микроконтроллера, работающие как выходы, могут выдавать потенциалы в диапазоне собственного питания — от 0 до 3.3 В, или работать по схеме «открытый сток» с нагрузками подключенными к питанию +5 В.

При работе как входы, линии модуля, которые не имеют возможности работать в режиме аналогового входа, толерантны с логическими уровнями 0…5 В. Линии, имеющие режим аналогового входа, могут иметь потенциал в диапазоне 0…3.3 В В микроконтроллере есть множество узлов которые могут быть полезны пользователю такие как: АЦП, дополнительный UART, ШИМы, счетчики/защелки и т. п. Основная часть линий микроконтроллера выведена на кроссовый разъем. Все эти линии многофункциональны. Т. е. кроме тривиальной функции входа / выхода, на всех линиях доступны дополнительные функции. Две линии, как и во всех наших модулях, по умолчанию используются как I2C, на этих линиях установлены резисторы подтяжки к +5 В. Но при необходимости, можно изменить назначение и этих линий.

BASIC занимает весь объем встроенной FLASH памяти PIC24FJ64GA004. Эта память не доступна пользователю. Внутренняя память данных RAM 8 кбайт тоже занята системой. Внешняя память программ и данных расположена в двух чипах. Эти чипы подключены к отдельной скоростной шине SPI. Поскольку используется аппаратный порт микроконтроллера и скорость обмена выбрана максимально высокой, потери времени для доступа к информации в этих чипах незначительны и практически не влияют на быстродействие системы. Скорость обмена по каналу SPI с памятью — 8 МГц, что позволяет достичь высокой скорости интерпретации без считывания всей программы и данных в ОЗУ.

Пользователю полностью доступны внешние FRAM 32 кбайт и FLASH 2 Мбайт. Применение вместо ОЗУ для хранения данных — FRAM дает дополнительные возможности по сохранению данных при отсутствии питания.

На модуле установлено три светодиода. Два — это прием / передача по основному UART (USB или RS485).

Оставшийся один подключен параллельно входу дополнительного стабилизатора микроконтроллера и указывает на то что питание на микроконтроллере присутствует. Разъемы и джамперы. На интерфейсной части модуля установлены разъемы mini-USB и пара клемных соединителей для подключения RS485. На этой же части модуля установлены 3 джампера. 2 из них обеспечивают включение резисторов подтяжки линий RS485 к питанию и земле, а третий включение терминатора 120 Ом.

На стороне микроконтроллера расположен основной кроссовый разъем, разъем для внутрисхемного программирования и джампер соединяющий питание кросса +5 В с питанием модуля.

Как уже отмечалось выше, главной особенностью модуля является встроенный интерпретатор BASIC. Интерпретатор зашит в основной Flash-памяти микроконтроллера. Пользователь подготавливает и заносит BASIC-программу через один из интерфейсов в виде текста ASCII — кодов. Программы сохраняются во внешней FLASH-памяти (память программ), откуда считываются для интерпретации построчно. Для хранения переменных BASIC — программы используется FRAM (память данных), связанная с процессором тем же каналом SPI, что и память программ. Внутренние переменные BASIC-системы хранятся в памяти микроконтроллера (PIC24FJ64A004).

Назначение выводов разъемов.

POW — линия питания;

I — вход;

O — выход;

I / O — вход / выход;

ST — триггер Шмитта;

AN — аналоговый;

I2C — I2C/SMBus.

Та или иная функция линии выбирается путем записи в соответствующие регистры специальных функций необходимой информации.

По умолчанию все линии работают в режиме входов портов ввода-вывода, кроме линий основного интерфейса I2C.

Результаты анализа технического задания и библиографической проработки темы дипломной работы позволяют сделать выводы что, разрабатываемый комплекс, должен иметь следующие характеристики:

• 1. Возможность разработки собственных вариантов лабораторных работ.
• 2. Универсальность стенда, стенд должен посредством коммутации перестраивать структуру стенда для решения различных задач, что позволит на одном стенде проводить большое количество лабораторных работ.
• 3. Возможность работы с различными перефирийными устройствами (системами индикации на основе ЖКИ, интерфейсами UART, SPI, IIC и RS-232)
• 4. Повышением эффективности проведения занятий, так как отладку программного обеспечения стенда производит на отладчике AVR Studio 4, a программирование реального МК производится с использованием аппаратно-программных средств PonyProg2000;
• 5. Возможность решения поставленных задач по единой схеме «Получение задания Анализ задания Разработка алгоритма решения задачи Разработка и отладка программного обеспечения на отладчике AVR Studio 4 Программирование реальной системы с использованием PonyProg2000Проверка работоспособности и демонстрации реальной системы Составление и защита отчета» с использованием реальных микроконтроллеров и современных аппаратно-программных средств отладки и программирования микроконтроллерных систем управления и обработки данных.

Для наглядности данная схема (алгоритм) выполнения лабораторных работ представлен на Рис 2.1.

Рис 2.1 Алгоритм выполнения лабораторных работ