Моделирование и отладка режимов работы информационно-измерительных систем экологического мониторинга на микроконтроллерах

ты СКЗ, тем самым поддерживать необходимый уровень защитного потенциала на всей территории пролегания подземных газопроводов.

Результаты работы внедрены на территориально распределенных СКЗ ОАО «Тулаоблгаз».

Список литературы

1. Адаптивная система катодной защиты подземных сооружений: пат. № 2366760 Рос. Федерация. Опубл. 10.09.2009. Бюл. № 25.

2. Системы телемеханики объектов электрохимической защиты подземных газопроводов / М.В. Панарин [и др.]: международный науч.-практ. Симпозиум; под общ. ред. чл.-корр. РАН В.П. Мешалкина.Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 98 - 102.

E. Larkin, M. Panarin

Information-acquisition system of pipeline cathode protection stations condition

The appointment, functions and activities of geographically distributed information-measuring system of gas pipelines cathode protection stations, as well as its integral components - the telemetry unit for cathode protection stations and software «Station Dispatcher» are presented.

Key words: gas pipeline, cathode protection, information-measuring system, telemetry, hardware, software.

Получено 07.04.10

УДК 502.7:502.55

Э.В. Рощупкин, канд. техн. наук, доц.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОТЛАДКА РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ

Приводятся описание способа отладки текста программы и моделирования работы электронной схемы мобильного поста автоматизированной системы экологического мониторинга на микроконтроллере в пакете PROTEUS.

Ключевые слова: микроконтроллеры, мониторинг, моделирование, виртуальная модель, отладка, работа по шагам.

При построении распределенной автоматизированного системы экологического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха использованы микроконтроллеры AVR фирмы «Atmel» (США) [1]. При этом возникла необходимость многоразового изменения алгоритма действия устройства, что приводило к постоянному изменению текста программы, её компиляции. После каждого изменения программы было необходимо вы-

полнять программирование микроконтроллера устройства управления. Как правило, все современные микроконтроллеры поддерживают обновление программы (программирование) непосредственно в схеме устройства без их извлечения, но число циклов перезаписи, как правило, ограничено 10000. После превышения указанного значения производитель не гарантирует надежную работу микроконтроллеров.

Поэтому наиболее рационально осуществить отладку рабочей программы в каком-нибудь отладочном пакете программ, позволяющем моделировать в режиме реального времени работу электронного устройства на микроконтроллерах. Наиболее адаптированным пакетом для моделирования и отладки устройств на микроконтроллерах является PROTEUS DESIGN SUITE 7. Разработчиком пакета Proteus является британская фирма «Labcenter Electronics Ltd» [2].

Отличие от аналогичных по назначению пакетов программ, например, Electronics Workbench, Multisim, MicroCap, Tina и т.п. заключается в развитой системе симуляции (интерактивной отладки в режиме реального времени и пошаговой) для различных семейств микроконтроллеров 8051 (INTEL), PIC (Microchip), AVR (Atmel), ARM7 (Atmel), Philips, MC68HC11 (Motorola), Z80 (Zilog) и др. «Proteus» имеет огромные библиотеки компонентов, в том числе и периферийных устройств индикации, температурных датчиков, интерактивных элементов ввода - вывода (кнопок, переключателей), виртуальных портов и виртуальных измерительных приборов, интерактивных графиков, которые не всегда присутствуют в других подобных программах. Библиотеки содержат также посадочные места компонентов на печатной плате, т. е. этот пакет является универсальным справочником разработчика. У каждого элемента в библиотеке есть Spice-модель работы этого компонента. Эти модели интерактивные, т.е. ими можно управлять: переключать, изменять их параметры. Отсутствующие модели можно сделать самостоятельно.

PROTEUS имеет уникальные модели: COMPIM и USB, позволяющие виртуальному устройству подключится к РЕАЛЬНОМУ COM или USB порту персонального компьютера.

На рис. 1 приведена схема модели виртуального прибора мобильного поста автоматизированной системы экологического мониторинга.

Модель содержит микроконтроллер, часы реального времени, модуль отладки шины I2C, микросхему Flash памяти, модуль отладки шины SPI, жидкокристаллический индикатор, усилитель постоянного тока сигнала датчика концентрации вредных веществ, задатчик-имитатор сигнала датчика концентрации вредных веществ, виртуальный терминал для связи с GPS приемником, виртуальный терминала для связи с GSM модемом, виртуальный измерительный прибор Digital Oscilloscope (цифровой осциллограф), виртуальные вольтметры и миллиамперметры.

Рис. 1. Копия экрана модели виртуального прибора

PROTEUS VSM может симулировать скомпилированную программу в формате «.hex» без дополнительных файлов либо с файлом содержимого EEPROM (энергонезависимой памяти).

В свойствах компонента микроконтроллера указываются исполняемый файл, частота тактового генератора, частота часов реального времени, частота сторожевого таймера, тип корпуса микроконтроллера, а также конфигурация внутренних программируемых регистров микроконтроллера, определяющих режимы работы, запуска, сброса и т.д.

В поле «Program File» (файл программы) свойств компонента микроконтроллер нужно указать:

«.cof» - файл, если производится отладка по исходному тексту на языке Си;

«.hex» - файл исполняемого фала, если нет исходного текста ни на Си, ни на Ассемблере.

Если есть исходный текст на Ассемблере (файл с расширением «.asm»), нужно указать название «.hex»-файла и через меню «Source» (исходник, источник) далее: «Add/Remove Source File» (добавить или удалить исходный текст программы на Ассемблере) - добавить название файла с текстом программы на Ассемблере и выбрать нужный Ассемблер. При запуске симуляции будет происходить ассемблирование файла исходной программы в исполняемый файл «.hex». Если нет ошибок, то виртуальное

149

устройство начнет работать уже по обновленному файлу с расширением «.hex».

Интерфейс PROTEUS не имеет линеек прокрутки. Масштаб изображения можно менять с помощью колеса на мышке или с помощью инструментов «лупа +» и «лупа -» в панели инструментов. Перемещать изображение можно указанием нового центра изображения инструментом «Крест» слева от «лупа +» и изменением масштаба.

Открыв панель редактирования свойств компонента (Edit Component), щелкнув по выделенному микроконтроллеру левой кнопкой мыши, в закладке «Hidden Pins» (скрытые выводы) откроем дополнительное меню, в котором показано, как по умолчанию называются узлы (проводники) схемы, к которым подключены питание микроконтроллера -VCC и его общий провод GND. Изменение этих названий может потребоваться при питании микроконтроллера или других компонентов разными напряжениями или от разных источников питания.

PROTEUS содержит 4 кнопки управления симуляцией (в нижней левой части экрана):

«Пуск» - запуск симуляции или продолжение приостановленной симуляции;

«Шаг» - выполнить минимальный шаг по программе микроконтроллера, обычно это одна инструкция на Ассемблере. Этой кнопкой тоже можно начать симуляцию;

«Пауза» - пауза симуляции. Можно продолжить кнопками «Пуск» или «Шаг»;

«Стоп» - остановка симуляции. После этого симуляция начнется кнопками «Пуск» или «Шаг».

На рис. 2 показана копия экрана виртуального измерительного прибора Digital Oscilloscope (цифровой осциллограф).

Использование виртуальных измерительных приборов (осциллографа, миллиамперметров, вольтметров и т.д.) позволяет просмотреть осциллограммы в любой точке схемы, для этого только необходимо переключить входы виртуальных приборов в нужную часть схемы.

При наведении курсора на какой-либо график и нажатии левой кнопки мыши курсор зафиксируется на этом графике и данные этого графика будут выводиться внизу экрана в цифровом виде. Можно двигаться мышью по линии графика. Данные симуляции можно сохранить в файл через меню «Graph/Export Data», указав название файла и его расположить, затем нажав «Save» (сохранить). В этом случае получим файл в стандартном формате для измерительных приборов CSV (данные разделенные запятыми). Этот файл можно импортировать в Excel или, например, в Matlab.

На рис. 3 показана копия экрана режима работы виртуального устройства по шагам, т.е. микроконтроллер выполняет одну команду и останавливается в ожидании следующего нажатия кнопки «Шаг».

Рис. 2. Окно виртуального измерительного прибора Digital Oscilloscope

Рис. 3. Копия экрана работы виртуального устройства по шагам

151

На рис. 3 представлены содержимое внутренней памяти микроконтроллера (AVR Internal RAM), состояние внутренних регистров микроконтроллера (AVR CPU Registers), содержимое внутренней памяти и состояние внутренних регистров отладчика шины I2C (I2C Debug), исходный текст программы на Ассемблере (AVR Source Code), содержимое внутренней памяти и состояние внутренних регистров отладчика шины SPI (SPI Debug) и содержимое внутренней памяти часов реального времени (DS1307 RAM).

Применение программных пакетов для отладки и моделирования работы виртуальных приборов позволяет продлить срок службы микроконтроллеров, особенно число циклов перезаписи программы. После того, как отлажена программа работы виртуального устройства, можно с помощью этого же пакета PROTEUS развести печатную плату устройства, для изготовления опытного образца изделия.

Работа подготовлена по результатам государственного контракта ГК 567 @Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Мониторинг и прогнозирование состояния атмосферы и гидросферы» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Список литературы

1. Рощупкин Э.В. Система распределенного автоматизированного мониторинга загрязнения атмосферного воздуха промышленных регионов // Безопасность жизнедеятельности. № 5. 2010. С. 46-52.

2. Фирма @Labcenter Electronics Ltd@. URL.:http://www.labcenter. co.uk/index.cfm (дата обращения 01.04.10).

E. Roshchupkin

Simulation and debug mode of measuring the information environmental monitoring systems on the microcontroller

Ihe description of a way of debugging of the text of the program and modelling of operation of the electronic circuit of a transportable post of the automated system of ecological monitoring on the microcontroller in package PROTEUS are resulted.

Keywords: microcontrollers, monitoring, modeling, virtual model, debugging, working step by step.

Получено 07.04.10