АППАРАТНЫЙ ЭМУЛЯТОР УЧЕБНОГО СТЕНДА С БЛОКОМ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПАМЯТИ

Полезная модель относится к устройствам обработки информации, построенным на основе микроконтроллера.
В настоящее время в высших учебных заведениях для обучения студентов по специальностям и направлениям, связанным с вычислительной техникой, широко используются различные учебно-отладочные устройства. Эти устройства построены на основе различных микропроцессоров. Они позволяют изучить архитектуру ЭВМ, систему команд, особенности функционирования и применения.
Аналогом предлагаемого устройства является «Учебно-отладочное устройство «Электроника-580» (Широков, Ю.Ф. Микропроцессорные средства и системы / Широков Ю.Ф., Е.Н. Осипов, В.И. Жданов, Н.И. Гутовец // Учебно-отладочное устройство «Электроника-580 – 1985. - №2. – С.80-84.).
Это устройство содержит  микропроцессор, буфер адреса, буфер данных, регистр слова состояния, логику управления, дешифратор, генератор, ПЗУ, ОЗУ, буфер данных ОЗУ, узел ПДП, параллельный интерфейс, клавиатуру, дисплей, блок питания. Блок питания формирует три напряжения питания и выполнен по компенсационной схеме. Все составные части устройства выполнены на элементах малой и средней степени интеграции и дискретных элементах.
Недостатки аналога: устройство имеет низкую надежность, сложную конструкцию, высокое электропотребление.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является аппаратный эмулятор учебного стенда с блоком вывода графической информации. (Патент на полезную модель RU 200727, МПК G06F9/455,G09B23/00, д.п.03.7.20, опубл. 09.11.2020 г.)
Эмулятор содержит блок микроконтроллера с необходимым программным обеспечением, блок усилителя для согласования информационных сигналов при индикации, дисплей, клавиатуру, импульсный блок питания, блок последовательных интерфейсов, блок силовых драйверов, блок вывода графической информации.
Недостатком прототипа является то, что при построении сложной вычислительной системы отсутствует возможность выполнять регистрацию (запись) данных, а также  реализовывать долговременное энергонезависимое хранение данных. Это могут быть настройки программного обеспечения эмулятора, журнал событий, данные с меткой о времени (регистрация событий, считывание больших объемов входной информации с датчиков). Эту информацию можно будет посмотреть позже или в реальном времени с целью анализа функционирования реализуемой  системы. Рассматриваемый прототип не имеет технических средств хранения таких объемов информации, так как стандартный объем ОЗУ и ПЗУ современных микроконтроллеров до 4 Кбайт (http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno).
Для решения этой задачи в состав эмулятора целесообразно включить блок дополнительной памяти. Он представляет собой  стандартный модуль для записи и чтения данных с SD карты (Micro SD Card Reader) (https://3d-diy.ru/product/module-micro-sd-card-reader). Модуль позволяет работать с SD картами объемом до 32 Гигабайт.
Технический результат выражается в увеличении объема памяти  устройства.
Технический результат достигается тем, что в аппаратный эмулятор учебного стенда с блоком дополнительной памяти, содержащий блок микроконтроллера с программным обеспечением, блок усилителя, импульсный блок питания, блок последовательных интерфейсов, блок силовых драйверов, блок вывода графической информации, дисплей, клавиатуру, где первый информационный выход блока микроконтроллера подключен к блоку усилителя, выход которого подключен ко входу дисплея, второй информационный выход блока микроконтроллера подключен ко входу клавиатуры, выход которой подключен к информационному входу блока микроконтроллера, третий информационный выход блока микроконтроллера подключен к информационному  входу блока последовательных интерфейсов, четвертый информационный выход блока микроконтроллера подключен информационному входу блока силовых драйверов, пятый информационный выход блока микроконтроллера подключен информационному входу блока вывода графической информации, выход импульсного блока питания подключен к питающим входам блока микроконтроллера, блока усилителя, дисплея, клавиатуры, блока последовательных интерфейсов, блока силовых драйверов и блока вывода графической информации, включен блок дополнительной памяти, шестой информационный выход блока микроконтроллера подключен к информационному  входу блока дополнительной памяти, выход импульсного блока питания подключен к питающим входам блока дополнительной памяти
Аппаратный эмулятор учебного стенда с блоком дополнительной памяти  содержит следующие блоки:
1- блок микроконтроллера,
2- блок усилителя,
3- дисплей,
4- блок питания,
5- клавиатура,
6- блок последовательных интерфейсов,
7- блок силовых драйверов,
8- блок вывода графической информации,
9- блок дополнительной памяти.
Схема аппаратного эмулятора учебного стенда с блоком дополнительной памяти представлена на фиг.
Двойными стрелками показано прохождение информационных сигналов, а одинарными отображены линии питания. Особенностью заявленного устройства является то, что функции учебно-отладочного устройства расширены путем введения в состав устройства блока дополнительной памяти 9.  Блок усилителя 2 предназначен для повышения нагрузочной способности выходного порта блока микроконтроллера 1, подключенного к дисплею 3 учебного стенда. В составе блока микроконтроллера 1 имеется минимальный требуемый объем постоянной и оперативной памяти, а также необходимое количество портов ввода-вывода для организации связи с дисплеем 3, клавиатурой 5, блоком последовательных интерфейсов 6, блоком силовых драйверов 7, блоком вывода графической информации 8 и блоком дополнительной памяти 9 учебного стенда. Импульсный блок питания 4 формирует напряжения питания, необходимые для функционирования электронных устройств.
Устройство функционирует следующим образом.
Блок микроконтроллера 1 выполняет аппаратную эмуляцию, т.е. с точки зрения пользователя или студента работа на аппаратном эмуляторе учебного стенда на микроконтроллере 1 полностью идентична работе на «Учебно-отладочном устройстве «Электроника-580». С помощью клавиатуры 5 вводятся машинные коды команд разработанной программы. Вводимая информация отражается на дисплее 3 устройства. Затем пользователь запускает введенную программу на исполнение. Возможна работа программы в трех режимах: пошаговом, с остановками в контрольных точках, в реальном масштабе времени. Результат выполнения программы, а также содержимое запоминающих элементов и памяти устройства отражается на цифровом символьном дисплее. При необходимости может быть выполнена предварительная отладка  программы в первом или втором режимах работы. Возможно подключение к устройству внешних электронных устройств, например, персонального компьютера и организация информационного обмена с ними через блок последовательных интерфейсов 6 для целей отладки программного обеспечения эмулятора. Через блок силовых драйверов 7 возможна посылка управляющих воздействий на силовые устройства систем автоматического управления и автоматики. Для вывода графической информации (например, графиков зависимости сигналов от времени) с целью отладки и анализа функционирования реализуемой  САУ используется блок вывода графической информации 8. В запоминающее устройство блока дополнительной памяти 9 производится запись данных, накапливаемых устройством в процессе работы. Эта информация впоследствии может быть проанализирована с помощью программных средств эмулятора и, при необходимости, отображена через блок вывода графической информации 8. Также возможна пересылка этой информации в персональный компьютер через блок последовательных интерфейсов 6.
Для реализации всех вышерассмотренных возможностей аппаратный эмулятор имеет соответствующее программное обеспечение.
Благодаря добавлению блока дополнительной памяти по сравнению с аналогом имеет место  увеличение объема памяти  устройства.