УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД

Учебно-лабораторный стенд относится к учебному оборудованию и предназначен для выполнения лабораторных работ по предметам, связанным с цифровой электроникой и микросхемотехникой, микропроцессорами и их программированием, управление и автоматика, автоматизация технологических процессов и может быть использован в высших и средних специальных учебных заведениях.
Известен стенд для изучения логических схем УМ-11, выпускаемый ОАО «Завод ПРОТОН-МИЭТ», г.Зеленоград Московской области, состоящий из корпуса, лицевая часть которого содержит наборное поле с рисунками для микросхем логики и памяти, на которое выведены входные и выходные разъемы, источник питания.
Известен также стенд для изучения логических схем УМ-11М, выпускаемый ОАО «Завод ПРОТОН-МИЭТ», г.Зеленоград Московской области, состоящий из корпуса, лицевая часть которого содержит наборное поле с рисунками для микросхем логики и памяти, на которое выведены входные и выходные разъемы, источник питания.
Однако на известном устройстве ограничен спектр лабораторных и практических работ, оно недостаточно надежно и удобно в работе, недостаточно эффективно проведение занятий, имеет высокую себестоимость изготовления.
Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей стенда, повышение надежности и удобства работы стенда, повышение эффективности проведения занятий, а также снижение себестоимости изготовления.
Технический результат достигается тем, что известный учебно-лабораторный стенд, состоящий из корпуса, лицевая часть которого представляет собой рабочую область, лицевая часть корпуса содержит информационный экран, выходные разъемы трех синхросигналов со светодиодной индикацией, клавиатуру, разъемы входных и выходных сигналов со светодиодной индикацией, рабочую область сменных панелей с лабораторным комплексом, а внутри корпуса установлена плата, содержащая микроконтроллер, жидкокристаллический дисплей, микросхемы входных и выходных буферов с разъемами, звукоизлучатель, разъем для микросхемы энергонезависимой памяти, разъем для объединения учебно-лабораторных стендов в сеть, причем упомянутые входные и выходные разъемы выполнены парами.
Сущность полезной модели заключается в том, что лицевая часть корпуса содержит информационный экран, выходные разъемы трех синхросигналов со светодиодной индикацией, клавиатуру, разъемы входных и выходных сигналов со светодиодной индикацией, рабочую область сменных панелей с лабораторным комплексом, а внутри корпуса установлена плата, содержащая микроконтроллер, жидкокристаллический дисплей, микросхемы входных и выходных буферов с разъемами, звукоизлучатель,
разъем для микросхемы энергонезависимой памяти, разъем для объединения учебно-лабораторных стендов в сеть, причем упомянутые входные и выходные разъемы выполнены парами, что позволило расширить функциональные возможности стенда за счет расширения спектра лабораторных и практических работ за счет наличия большого разнообразия необходимых модулей, автоматически перенастраиваться при включении питания с установленной панелью с лабораторным комплексом за счет хранения в каждой панели данных о типе лабораторной работы, повысить надежность работы стенда при неверной сборке схемы на панели за счет наличия защиты всех коммутируемых разъемов, повысить удобство работы за счет наличия жидкокристаллического дисплея и встроенной клавиатуры, которая позволяет вводить значения в различных системах счисления, что удобно при изучении регистров и элементов памяти, а также за счет наличия генератора прямоугольных импульсов, счетчика импульсов (выдает указанное количество импульсов) и переключателя (ручной ввод синхросигнала), повысить эффективность проведения занятий за счет возможности работы стендов в автоматизированном режиме в результате объединения стендов в сеть, а также снизить себестоимость изготовления за счет реализации элементов цифровой логики программно, в виде программного кода внутри микроконтроллера.
На прилагаемых чертежах представлен предлагаемый учебно-лабораторный стенд, где:
на фиг.1 - общий вид спереди;
на фиг.2 - печатная плата, вид спереди;
на фиг.3 и 4 - примеры панелей с лабораторными комплексами;
на фиг.5 - принципиальная структурная схема стенда;
на фиг.6 - структура автоматизированной учебной лаборатории, где приведены следующие обозначения:
1 - информационный экран;
2 - выходные разъемы трех синхросигналов:
- генератора постоянных синхросигналов - первая пара;
- счетчика импульсов - вторая пара;
- переключателя - третья пара;
3 - клавиша входа в меню и переключения между пунктами меню;
4 - клавиши запуска выработки импульсов:
- C1 - запуска генератора постоянных синхроимпульсов;
- С2 - запуска счетчика импульсов;
- С3 - запуска переключателя;
5 - клавиатура;
6 - разъемы входных сигналов;
7 - индикаторы входных сигналов;
8 - входные сигналы высоких логических уровней;
9 - индикаторы выходных сигналов;
10 - разъемы выходных сигналов;
11 - рабочая область сменных панелей с лабораторным комплексом;
12 - лицевая часть корпуса;
13 - печатная плата;
14 - микроконтроллер;
15 - жидкокристаллический дисплей;
16 - клавиатура;
17 - микросхемы входных буферов с разъемами;
17′ - микросхемы выходных буферов с разъемами;
18 - светодиодные индикаторы;
19 - звукоизлучатель;
20 - разъем для микросхемы энергонезависимой памяти;
21 - разъем для объединения стендов в сеть;
22 - панели с лабораторными комплексами;
23 - микросхема энергонезависимой памяти;
24 - автоматизированное рабочее место преподавателя;
25 - соединительные провода,
26 - корпус;
27 - индикаторы выходных синхросигналов.
Учебно-лабораторный стенд (фиг.1) состоит из корпуса 26, лицевая часть 12 которого представляет собой рабочую область. На лицевой части корпуса расположены информационный экран 1, выходные разъемы 2 трех синхросигналов: генератора постоянных синхроимпульсов - первая пара; счетчика импульсов - вторая пара; переключателя - третья пара со светодиодной индикацией 27, клавиша 3 входа в меню и переключения между пунктами меню, клавиши 4 запуска выработки импульсов: C1 -
запуска генератора синхроимпульсов; С2 - запуска счетчиков импульсов; С3 - запуска переключателя, клавиатура 5, разъемы входных 6 и выходных 10 сигналов по восемь пар, индикаторы входных 7 и выходных 9 сигналов по восемь штук, входные 8 сигналы высоких логических уровней, рабочая область сменных панелей 11. Внутри корпуса стенда установлена печатная плата 13 (фиг.2), на которой расположены микроконтроллер 14, жидкокристаллический дисплей 15 с 2×16 символами, клавиатура 16 с 4×5 клавишами, состоящая из клавиши 3, клавиш 4 и клавиатуры 5, микросхемы входных 17 и выходных 17′ буферов с разъемами, светодиодные индикаторы 18, звукоизлучатель 19, разъем 20 для микросхемы энергонезависимой памяти, разъем 21 для объединения стендов в сеть (интерфейс RS 485). На панелях 22 с лабораторным комплексом (фиг.3 и 4) установлена микросхема энергонезависимой памяти 23.
Учебно-лабораторный стенд имеет микропроцессорную схему управления, т.е. физически элементов цифровой логики он не содержит, элементы реализованы программно, в виде программного кода внутри микроконтроллера 14. Управляющая программа находится в микросхеме энергонезависимой памяти 23, где записан программный код, соответствующий рисунку панели 22 с лабораторным комплексом.
Всеми блоками схемы (фиг.5) управляет микроконтроллер 14, в котором записано специализированное программное обеспечение (далее - СПО). Помимо управления блоками схемы, СПО содержит пользовательский интерфейс (опрос клавиатуры, меню на дисплее, синхросигналы, системы
счисления), мультитерминальный протокол с контрольной суммой для работы в сети RS-485, запись данных в память программ микроконтроллера из микросхемы энергонезависимой памяти.
При включении учебно-лабораторного стенда происходит опрос панели 22. Если панель 22 находится в разъеме, то происходит запись из энергонезависимой памяти 23 в память программ микроконтроллера 14. Это необходимо для повышения быстродействия всей схемы. Программный код соответствует рисунку панели с лабораторным комплексом. При следующих включениях стенда с той же панелью запись не произойдет, т.к. программный код хранится также в энергонезависимой памяти программ. Если стенд включается без панели с лабораторным комплексом, то стенд работает в тестовом режиме. Этот режим необходим для проверки работоспособности всех разъемов стенда, клавиатуры, светодиодных индикаторов.
Для изучения устройств микросхемотехники студенты собирают схему на панели 22 с лабораторным комплексом при помощи проводов с разъемами (не показано). Для входа в меню нажимают на клавишу 3 (фиг.1). Переключение между пунктами меню осуществляют повторными нажатиями на клавишу меню. Текущий пункт меню отображается на информационном экране 1. Выбрав нужный пункт, вводят значение параметра с клавиатуры 5. При этом на информационном экране 1 отображаются принимаемые параметры с учетом диапазона значений. Выбранное значение параметров утверждают нажатием на клавишу 3 меню. Выход из меню автоматический
по истечению нескольких секунд бездействия клавиатуры или циклически при нажатии клавиши 3.
Длительность и количество импульсов для режимов генерации задают при помощи меню. Для запуска выработки импульсов нажимают на клавишу соответствующего режима. Отключение режима постоянных синхроимпульсов и переключателя осуществляют повторным нажатием на соответствующую клавишу. Выход из режима счетчика импульсов осуществляется автоматически или циклически при нажатии клавиши 3.
Для подачи входных сигналов на схему используют специальные входные разъемы 6 и 10. Каждый разъем пронумерован. Для подачи входных сигналов высоких логических уровней 8 нажимают на клавишу, номер которой совпадает с номером входного разъема. Для изменения уровня сигнала используют повторное нажатие клавиши. Каждый входной разъем снабжен индикатором 7 для отображения уровня подаваемого сигнала. Если индикатор включен - на вход подается уровень логической единицы, выключен - уровень логического нуля.
На входных сигналах высокого уровня всегда присутствует уровень логической единицы. Их удобно использовать при наличии постоянных сигналов в собираемой схеме.
Выходные сигналы построенной схемы соединяют разъемами выходных сигналов 10 стенда. Индикаторы, соединенные с каждым выходом, отображают уровень пришедшего сигнала: если индикатор включен - на выходе уровень логической единицы, выключен - уровень логического нуля.
Входные и выходные сигналы, входы и выходы логических элементов и устройств соединяют между собой проводами, имеющими на обоих концах специальные контактные гнезда.
Для удобства работы входы и выходы логических элементов, а также входные и выходные разъемы выполнены парами, т.е. имеют два контакта, на которых присутствует один и тот же сигнал. Это необходимо при построении сложных схем, в которых сигнал поступает с одного выхода на несколько входов. При этом сигнал с выхода поступает на контактный разъем одного из входов. С оставшегося свободным второго разъема сигнал, путем соединения разъемов проводом, поступает на следующий вход и т.д. до тех пор, пока не будет достигнут нужный уровень разветвления.
Учебно-лабораторный стенд содержит интерфейс RS-485 для объединения стендов от 2 до 32 штук (фиг.6) в сеть и через устройство сопряжения с персональным компьютером (ПК). ПК содержит специальную программную оболочку, образуя вместе с аппаратными устройствами автоматизированное рабочее место (АРМ).
Благодаря автоматизации, проведение лабораторных работ значительно упрощается и позволяет проводить их на современном уровне. Для автоматизации применяют прикладное программное обеспечение (ППО) «Crystal Automatic», коммутатор и соединительные провода. ППО совместно с ПК образует автоматизированное рабочее место (АРМ) для преподавателя, а каждый учебно-лабораторный стенд - рабочее место (РМ) для студента
(УЛС с установленной панелью, коммутационными проводами и методическим пособием для лабораторных работ).
Прикладное программное обеспечение позволяет наглядно просмотреть состояние каждого рабочего места, управлять (изменять настройки, отправлять текстовое сообщение со звуковым оповещение) каждым рабочим местом, позволяет определить Ф.И.О. студента, номер группы, которые хранятся в базе данных. По окончании проведения лабораторных работ, преподаватель имеет возможность распечатать отчет с результатами выполнения лабораторных работ.
Преимуществами учебно-лабораторного стенда также являются компактность, что позволяет развертывать лабораторию в малых помещениях не в ущерб качеству проведения лабораторных работ и малая потребляемая мощность.