СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
STAND FOR STUDYING MICROCONTROLLER CONTROL SYSTEMS

Изобретение относится к средствам обучения и является аппаратным оснащением процесса обучения разработке микроконтроллерных систем управления.
Изобретение является радиотехническим устройством и может быть использовано при разработке как программной, так и аппаратной составляющих микроконтроллерных систем управления.
Исходя из особенностей разработки микроконтроллерных систем управления, стенды, предназначенные для их изучения, должны обеспечивать возможность построения и отладки не только программной составляющей системы, но и соответствующей ей аппаратной составляющей. Для этого должно быть обеспечено взаимодействие стендов с персональным компьютером, наличие источников сигналов различного вида, набора устройств ввода и вывода информации, а также возможность осуществлять коммутацию этих устройств между собой и с управляющим микроконтроллером.
Исходя из особенностей построения процесса обучения, необходимо обеспечить последовательное прохождение всех этапов разработки микроконтроллерных систем управления в едином пакете программ, а также возможность реализации электрической схемы и совместной отладки соответствующей управляющей программы, выполняемой на микроконтроллере. Кроме того, необходимо обеспечить возможность наблюдения и проведения анализа происходящих в системе процессов.
Известны стенды для обучения построению электрических схем, имеющие наборное поле для установки элементов, позволяющее собирать схемы и проводить их отладку. К таким стендам относится, например, учебный стенд для изучения основ цифровой электроники, описанный в [1] - RU № 2214628 (С2), G09B 23/18, опубл. 20.10.2003. Он также относится к средствам обучения и 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. Возможности этого стенда ограничены изучением электрических схем, не имеющих в своем составе программируемых элементов в виде микроконтроллеров.
Для исследования физических процессов, происходящих в электрических схемах, и детального изучения уровня аппаратной поддержки вычислений стенды оснащаются контрольно-измерительными приборами. К таким стендам относится, например, учебный стенд по электронике, описанный в [2] - RU № 2067779 (CI), G09B 23/18, опубл. 10.10.1996. Он содержит блок развертки временной оси отображаемых сигналов и включает многоканальный осциллограф.
Возможности данного стенда также ограничены изучением электрических схем, не имеющих в своем составе программируемых элементов в виде микроконтроллеров.
Изучать принципы программирования микроконтроллеров позволяет стенд для обучения элементам цифровой электроники, описанный в [3] - RU № 2002111521 (А), G09B2 3/18, опубл. 10.11.2003. Он содержит персональный компьютер и эмулятор микроконтроллера. Достоинством данного стенда является его высокая информативность за счет возможности регистрации большого объема промежуточной информации. Однако эмулятор микроконтроллера не позволяет исследовать различные схемотехнические решения и возможности аппаратного взаимодействия с внешними объектами управления и датчиками.
Типичными примерами эмуляторов являются внутрисхемные эмуляторы, описанные в [4] - RU № 2110833 (C1), G06F 9/44, опубл. 10.05.1998 и [5] - RU № 2214621 (С2), G06F 9/455, опубл. 20.10.2003. Внутрисхемные эмуляторы содержат блок интерфейса системы проектирования, блок регистров адреса и управления, блок управления записью/чтением, блок памяти отлаживаемой программы, коммутатор шин, блок микропрограммного управления, блок формирования команд, блок пульта управления.
Достоинством внутрисхемных эмуляторов, описанных в [4, 5], является возможность эмуляции некоторого спектра семейств микроконтроллеров, например, таких как MCS-48, MCS-51, UP 1-42, что позволяет применять эмуляторы для отладки программной части систем управлении, содержащих данные микроконтроллеры. Однако использование эмуляторов ограничивает возможности моделирования и отладки аппаратной составляющей микроконтроллерных систем управления. Кроме того, приведенные стенды не содержат в своем составе коммутационное поле и блоки периферийных устройств, облегчающие построение макетов систем управления на основе микроконтроллеров.
В наибольшей степени требованиям к стенду для изучения микроконтроллерных систем управления отвечает выбранный в качестве прототипа стенд SDK-1.1, разработанный научно-производственной фирмой ООО «ЛМТ», г.Санкт-Петербург, http://lmt.ifmo.ru, структура и описание которого представлены, в частности, в статье [6] - 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.
Стенд для изучения микроконтроллерных систем управления, выбранный в качестве прототипа, содержит плату контроллера, на которой установлен микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, служащее для хранения программного обеспечения, оперативное запоминающее устройство, служащее для хранения оперативных данных, и преобразователь интерфейса передачи данных, служащий для связи с внешними устройствами, а также группу пользовательских интерфейсных устройств, состоящую из блока клавиатуры и блока индикации, неразрывно связанных с определенными выводами микроконтроллера.
В качестве микроконтроллера в стенде-прототипе используется микроконтроллер ADuC812 семейства MCS-51 со встроенной Flash-памятью, выполняющей функцию постоянного запоминающего устройства.
Связь стенда с сетью внешнего информационного обмена осуществляется через преобразователь интерфейса передачи данных по протоколу RS232C. По сети внешнего информационного обмена осуществляется связь микроконтроллера с инструментальной ЭВМ, на которой подготавливается и с которой загружается отлаживаемая программа для микроконтроллера.
Группа пользовательских интерфейсных устройств содержит блок матричной клавиатуры, переключатели, обеспечивающие возможность подачи в ручном режиме постоянных напряжений на определенные неразрывно связанные выводы микроконтроллера, а также блок индикации, представляющий собой жидкокристаллический символьный индикатор и набор сигнальных светодиодов.
Конструктивно стенд выполнен в виде печатной платы и имеет контакты с зажимами под винт для подключения внешних источников сигналов, а также имеет средства, обеспечивающие возможность соединения с сетью внешнего информационного обмена.
Работа со стендом-прототипом осуществляется следующим образом.
Стенд соединяется с внешней инструментальной ЭВМ, на которой подготавливается и с которой в постоянное запоминающее устройство загружается отлаживаемое программное обеспечение, которое должно соответствовать предопределенной схеме соединения выводов микроконтроллера с клавиатурой, переключателями, жидкокристаллическим индикатором и светодиодами. Далее, исследуются сигналы на определенных выводах микроконтроллера и их временные диаграммы. Внося корректировки в отлаживаемое программное обеспечение или заменяя его на новое исследуют возникающие при этом изменения в контролируемых сигналах.
Таким образом, стенд-прототип позволяет изучать микроконтроллерные системы управления при неизменной, жестко заложенной конфигурации связей между микроконтроллером и периферийными устройствами.
В стенде-прототипе нет возможности изменения конфигурации связей между микроконтроллером и периферийными устройствами, кроме того, сам набор периферийных устройств не позволяет имитировать широкий набор входных воздействий, которые зачастую призваны обрабатывать реальные микроконтроллерные системы управления. Кроме того, системное программное обеспечение, которое обеспечивает загрузку и отладку, хранится во Flash-памяти, что допускает случайное его повреждение некорректно функционирующим отлаживаемым программным обеспечением. Конструктивное исполнение стенда в виде печатной платы, на которой располагаются как электронные компоненты, так и механические переключатели и контакты с зажимами под винт, не обеспечивает защиту от случайных механических или электростатических повреждений его элементов. Все это ограничивает функциональные и комбинаторные возможности стенда по изучению микроконтроллерных систем управления, а также снижает характеристики надежности.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка стенда для изучения микроконтроллерных систем управления, обеспечивающего расширенные функциональные и комбинаторные возможности при изучении, разработке и отладке микроконтроллерных систем управления.
Сущность изобретения заключается в том, что стенд для изучения микроконтроллерных систем управления, содержащий плату контроллера, на которой установлен микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, служащее для хранения программного обеспечения, оперативное запоминающее устройство, служащее для хранения оперативных данных, и преобразователь интерфейса передачи данных, служащий для связи с внешними устройствами, а также группу пользовательских интерфейсных устройств, состоящую из блока клавиатуры и блока индикации, дополнительно содержит группу периферийных тестовых и имитирующих устройств, состоящую из источника гармонических сигналов с регулируемой амплитудой и частотой, источника импульсных сигналов с регулируемой частотой и скважностью, потенциометра и интегрирующего RC-звена первого порядка 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. При этом выводы, принадлежащие всем трем указанным группам, выполнены с обеспечением возможности соединения между собой в заданных комбинациях с помощью съемных электропроводящих перемычек и подключения к ним внешних стендов и контактных щупов внешних контрольно-измерительных проборов.
Системное программное обеспечение хранится в постоянном запоминающем устройстве, которое выполнено в виде микросхемы памяти с ультрафиолетовым стиранием информации. Это позволяет избежать случайного повреждения системного программного обеспечения некорректно функционирующим отлаживаемым программным обеспечением.
Конструктивно стенд выполнен в корпусе в виде настольного моноблока, служащего для обеспечения защиты от случайных механических и электростатических повреждений его элементов.
Сущность изобретения и его реализуемость поясняются структурной схемой, представленной на чертеже.
Стенд 1 для изучения микроконтроллерных систем управления (далее - стенд) содержит плату 2, на которой установлен микроконтроллер 3, постоянное запоминающее устройство 4, служащее для хранения системного программного обеспечения, и оперативное запоминающее устройство 5, служащее для хранения оперативных данных и отлаживаемой программы, и преобразователь интерфейса передачи данных 6, служащий для связи с сетью внешнего информационного обмена, а также коммутационное поле 7, группу 8 периферийных тестовых и имитирующих устройств, состоящую из источника 9 гармонических сигналов с регулируемой амплитудой и частотой, источника 10 импульсных сигналов с регулируемой частотой и скважностью, потенциометра 11 и интегрирующего RC-звена 12 первого порядка с изменяемыми параметрами, а также группу 13 пользовательских интерфейсных устройств, состоящую из матричной клавиатуры 14 и жидкокристаллического символьного индикатора 15.
Коммутационное поле 7 имеет три группы выводов 16, 17 и 18. Первая группа выводов 16 неразрывно связана с выводами микроконтроллера 3. Вторая группа выводов 17 неразрывно связана с выводами группы 13 пользовательских интерфейсных устройств. Третья группа выводов 18 неразрывно связана с выводами группы 8 периферийных тестовых и имитирующих устройств. При этом выводы, принадлежащие всем трем группам 16, 17 и 18, выполнены с обеспечением возможности соединения между собой в заданных комбинациях с помощью съемных электропроводящих перемычек (на чертеже не показаны) и подключения к ним контактных щупов внешних контрольно-измерительных приборов 19 и внешних стендов 20.
Стенд 1 выполнен с обеспечением возможности выбора подключения к инструментальной ЭВМ 21 или внешним стендам 22 через преобразователь интерфейса передачи данных 6 по протоколу RS232C.
В качестве микроконтроллера 3 в заявляемом стенде в предпочтительном варианте исполнения используется микроконтроллер фирмы Infineon SAB 80С535 семейства MCS-51. Постоянное запоминающее устройство 4 выполнено в виде микросхемы памяти с ультрафиолетовым стиранием информации. Такое исполнение запоминающего устройства 4, в отличие от прототипа, использующего Flash-память, существенно повышает эксплуатационную надежность в условиях учебного процесса.
Конструктивно стенд 1 выполнен в виде настольного моноблока, защищающего внутренние элементы стенда 1 от случайного механического и электростатического повреждения. Моноблок выполнен с обеспечением возможности визуального осмотра элементов стенда 1 через прозрачное окно на лицевой панели.
Матричная клавиатура 14 и панель жидкокристаллического индикатора 15 расположены на лицевой панели стенда 1. Кроме того, на лицевой панели расположены органы управления источника 9 гармонических сигналов с регулируемой амплитудой и частотой, органы управления источника 10 импульсных сигналов с регулируемой частотой и скважностью, органы управления потенциометра 11 и интегрирующего RC-звена 12 первого порядка с изменяемыми параметрами.
На лицевую панель также выведены гнезда всех трех групп выводов 16, 17 и18 коммутационного поля 7, служащие для подключения съемных электропроводящих перемычек и контактных щупов внешних контрольно-измерительных приборов 19 и внешних стендов 20.
Работа с заявляемым стендом осуществляется следующим образом. В соответствии с решаемой задачей составляется принципиальная схема соединений выводов микроконтроллера 3, выводов периферийных тестовых и имитирующих устройств из группы 8, выводов пользовательских интерфейсных устройств из группы 13, а также контактных щупов внешних контрольно-измерительных приборов 19 и внешних стендов 20. Эта схема собирается на коммутационном поле 7 при помощи съемных электропроводящих перемычек, соединением в нужной комбинации выводов групп 16, 17 и 18 коммутационного поля 7. С помощью внешней инструментальной ЭВМ 21 подготавливается отлаживаемое программное обеспечение, которое затем по сети внешнего информационного обмена загружается в оперативное запоминающее устройство 5. При этом используется системное программное обеспечение, хранящееся в постоянном запоминающем устройстве 4. Далее, с помощью системного программного обеспечения и контрольно-измерительных приборов 19 исследуется состояние микроконтроллерной системы, сигналы на определенных выводах микроконтроллера и их временные диаграммы. Внося корректировки в отлаживаемое программное обеспечение или заменяя его на новое исследуют возникающие при этом изменения в контролируемых сигналах.
При этом, в отличие от прототипа, заявляемый стенд дополнительно позволяет получать навыки построения электрических схем, необходимые при разработке микроконтроллерных систем управления и изучать процессы, происходящие в микроконтроллерной системе управления, при расширенном наборе периферийных устройств, взаимодействующих с микроконтроллером.
Примененные решения обеспечивают новые функциональные и комбинаторные возможности стенда для изучения микроконтроллерных систем управления, а также улучшают его эксплуатационные характеристики, позволяя максимально приблизить процесс разработки микроконтроллерных систем управления к реальности, обеспечив надежность работы и простоту понимания происходящих в системе процессов.
Таким образом, из рассмотренного следует, что заявляемое изобретение технически осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании стенда для изучения микроконтроллерных систем управления, обладающего, по сравнению с прототипом, принципиально отличающими его функциональными и комбинаторными возможностями при изучении, разработке и отладке микроконтроллерных систем управления, позволяя осуществлять отладку программной части совместно с аппаратной частью разрабатываемой микроконтроллерной системы управления и, таким образом, обеспечивающего повышение эффективности процесса обучения специалистов по разработке микроконтроллерных систем управления.
Источники информации
1. RU № 2214628 (С2), G09B 23/18, опубл. 20.10.2003.
2. RU № 2067779 (CI), G09B 23/18, опубл. 10.10.1996.
3. RU № 2002111521 (A), G09B 23/18, опубл. 10.11.2003.
4. RU № 2110833 (CI), G06F 9/44, опубл. 10.05.1998.
5. RU № 2214621 (С2), G06F 9/455, опубл. 20.10.2003.
6. 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.