Стенд микроконтроллерный для изучения, исследования и отладки алгоритмов встраиваемых систем управления и цифровой обработки сигналов
MICROCONTROLLER STAND FOR STUDYING, RESEARCHING, AND DEBUGGING ALGORITHMS OF INTEGRATED CONTROL SYSTEMS AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области цифровой электроники, и может быть использовано для поведения учебных занятий, научных исследований и отладки программного обеспечения, реализующего алгоритмы встраиваемых систем управления и цифровой обработки сигналов.
Уровень техники
Известен учебный стенд для изучения основ цифровой электроники, который позволяет проводить сборку и изучение электронных схем, совершенствовать навыки поиска неисправностей в электротехнических и электронных устройствах. Стенд имеет наборное поле с гнездами для подключения электронных элементов [Патент RU № 2214628 (С2), G09B 23/18, опубл. 20.10.2003].
Функциональные возможности стенда ограничены, так как он не содержит программируемые системы — микроконтроллеры.
Известен стенд для изучения микроконтроллерных систем управления, содержащий плату, на которой установлен микроконтроллер, преобразователь интерфейса передачи данных, а также группу интерфейсных устройств, состоящую из блока клавиатуры и блока индикации, связанных с определенными выводами микроконтроллера. По сети внешнего информационного обмена осуществляется связь микроконтроллера с компьютером, на котором подготавливается и с которого загружается отлаживаемая программа для микроконтроллера. [Лукичев А.Н. Расширение возможностей лабораторного комплекса SDK-1.1 // Научно-технический вестник СПбГИТМО (ТУ). Выпуск 10. Информация и управление в технических системах. - СПб.: СПбГИТМО(ТУ), 2003. С. 86-90.].
Недостатки известного решения — ограничены функциональные возможности, стенд не позволяет исследовать алгоритмы цифровой обработки сигналов, по причине отсутствия возможности получения сигналов с заданными параметрами, например, не позволяет получить необходимый уровень шумов, которые всегда присутствуют во входных информационных сигналах встраиваемых систем управления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятым  за прототип, является стенд для изучения микроконтроллерных систем управления, содержащий плату, на которой установлен микроконтроллер и преобразователь интерфейса передачи данных, а также группу пользовательских интерфейсных устройств, состоящую из блока клавиатуры и блока индикации, группу периферийных тестовых и имитирующих устройств, состоящую из источника гармонических сигналов с регулируемой частотой и скважностью, потенциометра и интегрирующего RC-звена с изменяемыми параметрами, а также коммутационное поле, первая группа выводов которого связана с выводами микроконтроллера, вторая группа выводов связана с выводами указанных пользовательских интерфейсных устройств, а третья группа выводов связана с выводами указанных тестовых и имитирующих устройств. [Патент РФ № 2402882, опубл. 27.10.2010 Бюл. № 30, МПК G09B 23/18].
Недостатки известного решения — ограничены функциональные возможности, стенд не позволяет исследовать алгоритмы цифровой обработки сигналов, по причине отсутствия возможности получения сигналов с заданными параметрами, например, не позволяет получить необходимый уровень шумов, которые всегда присутствуют во входных информационных сигналах встраиваемых систем управления.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей, а именно, позволяет формировать программно-управляемый сигнал с заданными параметрами, что необходимо при разработке программного обеспечения, реализующего алгоритмы для встраиваемых систем управления и цифровой обработки сигналов.
Технический результат достигается тем, что стенд микроконтроллерный для изучения, исследования и  отладки алгоритмов встраиваемых систем управления и цифровой обработки сигналов, содержащий компьютер, первое микроконтроллерное устройство (МКУ), блок индикации, блок имитирующих устройств (ИУ), при этом компьютер подключен через последовательный цифровой интерфейс к первому МКУ, отличающийся тем, что стенд дополнительно содержит, второе МКУ, первый и второй цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), программатор, сдвиговый регистр, двухканальный USB-осциллограф и управляемый источник питания, при этом, к цифровым выходам первого и второго МКУ подключены, соответственно, первый и второй ЦАП, выход первого ЦАП подключен к входу первого канала USB-осциллографа и к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) встроенного в микроконтроллер второго  МКУ, выход второго ЦАП подключен к входу второго канала USB-осциллографа,  цифровые выходы второго МКУ подключены к входу сдвигового регистра, к выходам которого подключен  блок индикации, к цифровым и аналоговым входам второго МКУ подключен блок ИУ, USB-осциллограф подключен к компьютеру, блок индикации выполнен из восьми светодиодов, включенных по схеме с общим катодом, аноды светодиодов подключены к соответствующим выходам сдвигового регистра.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена структурная схема стенда микроконтроллерного для изучения, исследования и отладки алгоритмов встраиваемых систем управления и цифровой обработки сигналов.
Осуществление изобретения
Стенд микроконтроллерный для изучения, исследования и отладки алгоритмов встраиваемых систем управления и цифровой обработки сигналов содержит (фиг. 1): компьютер 1, первое МКУ 2, второе МКУ 3, первый ЦАП 4, второй ЦАП 5, блок ИУ 6, управляемый источник питания 7, программатор 8, двухканальный USB-осциллограф 9, 8-разрядный сдвиговый регистр 10 и блок индикации 11.
Компьютер 1 подключен через USB-интерфейс к первому МКУ 2, к  цифровым выходам первого МКУ 2 и второго МКУ 3 подключены, соответственно, первый ЦАП 4 и второй ЦАП 5, выходы которых подключены к входам, соответственно, первого и второго каналов  USB-осциллографа 9, к цифровым и аналоговым входам второго МКУ 3   подключен блок ИУ 6, программатор 8 подключен к компьютеру 1, выход программатора 8 подключен к соответствующим цифровым входам второго МКУ 3, цифровые выходы МКУ 3 подключены к входам сдвигового регистра 10, блок индикации 11, выполнен из восьми светодиодов, включенных по схеме с общим катодом, аноды светодиодов подключены через ограничительные резисторы к соответствующим выходам сдвигового регистра 10. Первое МКУ 2 и второе МКУ 3 выполнены на базе микроконтроллерной платформы Arduino.
Стенд микроконтроллерный для изучения, исследования и отладки алгоритмов встраиваемых систем управления и цифровой обработки сигналов работает следующим образом.
Пользователь разрабатывает программу с использованием компьютера 1 на языке Си в среде, например, IDE ARDUINO и загружает ее в программную память микроконтроллера первого МКУ 2. Программа реализует алгоритм изменяющегося цифрового сигнала с заданными средним значением и среднеквадратическим отклонением цифрового шума. Этот цифровой сигнал преобразуется ЦАП 4 в аналоговый сигнал, а затем с помощью АЦП второго МКУ 3 в цифровой сигнал и обрабатывается по исследуемому алгоритму. С выхода МКУ 3 обработанный цифровой сигнал поступает на вход ЦАП 5, с выхода которого подается на второй канал USB-осциллографа с помощью которого осуществляется визуальный анализ входного и выходного сигналов.
Сдвиговый регистр 10 и блок индикации 11 позволяют визуализировать отладку разрабатываемой программы в МКУ 3 в пошаговом режиме путем вывода двоичных кодов внутренних 8-битных регистров микроконтроллера МКУ 3 на 8-разрядный блок индикации.
Блок ИУ 6 позволяет изменять с помощью, например, кнопочной клавиатуры или переменных резисторов значение коэффициентов в исследуемых алгоритмах МКУ 3. Блок ИУ 6  содержит светодиоды, сигнализирующие о состоянии исполнительных устройств.
Управляемый источник питания 7 предназначен для исследования влияния зависимости результатов цифровой обработки сигнала от уровня напряжения источника питания МКУ 3.
На монитор компьютера 1 выводится информация от МКУ 2. Эта информация отражает значения отсчетов формируемого МКУ 2 цифрового сигнала.
Функциональные возможности стенда расширены благодаря также введению программатора 8, который позволяет записывать в память микроконтроллера МКУ 3 программы, разработанные с использованием IDE, например, Atmel Studio. В качестве программатора 8 может быть использован, например, программатор AVR ISP mkII.
Предлагаемое техническое решение по сравнению с аналогами и прототипом имеет дополнительные функциональные возможности — способно формировать программно-управляемый сигнал с заданными параметрами, что необходимо при разработке программного обеспечения реализующего алгоритмы для встраиваемых систем управления и цифровой обработки сигналов.