АППАРАТНЫЙ ЭМУЛЯТОР УЧЕБНОГО СТЕНДА С БЛОКОМ ВЫВОДА ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Заявленное техническое решение 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.
Наиболее близким к заявленному техническому решению 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 прототипа: устройство имеет низкую надежность, сложную конструкцию, высокое электропотребление.
Аналогом предлагаемого устройства является аппаратный эмулятор учебного стенда с блоком силовых драйверов. Патент на полезную модель №190102, G06F 11/00, G09D 23/00, д.п. 18.06.2020 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.
Недостатком аналога является то, что при построении сложной вычислительной системы для управления устройствами систем автоматики, отсутствует возможность в режиме реального времени проводить анализ функционирования реализуемой системы автоматического управления (САУ). Для этого удобно использовать графические зависимости сигналов на выходе объекта управления САУ. Рассматриваемый аналог не имеет технических средств отображения этой аналоговой графической информации, его разрешающая способность при этом равна 0.
Для решения этой задачи в состав эмулятора целесообразно включить модуль вывода графической информации, например, цветной сенсорный дисплей Nextion Enhanced модель NX8048K050_011R (https:/amperka.ru/product/display-nextion-enhanced-nx8048k050). Его размер по диагонали 5 дюймов, разрешающая способность 800×480 пикселей. Подключение к эмулятору выполняется по стандартному интерфейсу UART со скоростью до 115200 бод (до 92160 бит/сек.) Эти характеристики вполне достаточны для первичного анализа функционирования САУ.
Технический результат выражается в увеличении разрешающей способности устройства.
Технический результат достигается тем, что в аппаратный эмулятор учебного стенда с блоком силовых драйверов, содержащий блок микроконтроллера с необходимым программным обеспечением, блок усилителя, импульсный блок питания, блок последовательных интерфейсов, блок силовых драйверов, 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, выход импульсного блока питания подключен к питающим входам блока микроконтроллера, блока усилителя, дисплея, клавиатуры, блока последовательных интерфейсов и блока силовых драйверов, включен блок вывода графической информации, пятый информационный выход блока микроконтроллера подключен информационному входу блока вывода графической информации, выход импульсного блока питания подключен к питающим входам блока вывода графической информации.
Аппаратный эмулятор учебного стенда с блоком вывода графической информации 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.
Схема аппаратного эмулятора учебного стенда с блоком вывода графической информации 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 вывода графической информации 8. 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 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 и блоком вывода графической информации 8 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.
Для реализации всех вышерассмотренных возможностей аппаратный эмулятор имеет соответствующее программное обеспечение.
Благодаря добавлению блока вывода графической информации по сравнению с аналогом имеет место увеличение разрешающей способности устройства.