АППАРАТНЫЙ ЭМУЛЯТОР УЧЕБНОГО СТЕНДА С БЛОКОМ СИЛОВЫХ ДРАЙВЕРОВ

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.
Аналогом предлагаемого устройства является аппаратный эмулятор учебного стенда с последовательным интерфейсом. (Патент на полезную модель №168780, G06F 11/00, опубл. 17.02.2017 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.
Недостатком аналога является отсутствие возможности построения сложной вычислительной системы с возможностью управления мощными устройствами систем автоматики и систем автоматического управления, например, электрическими двигателями, сервоприводами, клапанами, различного вида коммутаторами.
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.
Технический результат выражается в увеличении нагрузочной способности устройства.
Технический результат достигается тем, что в аппаратный эмулятор учебного стенда с последовательным интерфейсом, содержащий блок микроконтроллера с необходимым программным обеспечением, блок усилителя, импульсный блок питания, блок последовательных интерфейсов, 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, выход импульсного блока питания подключен к питающим входам блока микроконтроллера, блока усилителя, дисплея, клавиатуры и блока последовательных интерфейсов, включен блок силовых драйверов, четвертый информационный выход блока микроконтроллера подключен информационному входу блока силовых драйверов, выход импульсного блока питания подключен к питающим входам блока силовых драйверов.
Схема аппаратного эмулятора учебного стенда с блоком силовых драйверов 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 силовых драйверов 6. В составе блока микроконтроллера 1 имеется требуемый объем постоянной и оперативной памяти, а также необходимое количество портов ввода-вывода для организации связи с устройствами эмулятора. Блок усилителя 2 предназначен для повышения нагрузочной способности выходного порта блока микроконтроллера 1, подключенного к дисплею 3 учебного стенда. Блок микроконтроллера 1 обменивается информацией с дисплеем 3, клавиатурой 4, блоком последовательных интерфейсов 5 и блоком силовых драйверов 6 учебного стенда. Импульсный блок питания 7 формирует необходимые напряжения питания.
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». Вводимая информация усиливается блоком усилителя 2 и отражается на дисплее 3 устройства. С помощью клавиатуры 4 вводятся машинные коды команд разработанной программы. 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 дисплее. При необходимости может быть выполнена предварительная отладка программы в первом или втором режимах работы. При необходимости возможно подключение к устройству внешних электронных компонентов и организация информационного обмена с ними через блок последовательных интерфейсов 5. Кроме того, через блок силовых драйверов 6 возможна посылка управляющих воздействий на силовые устройства систем автоматического управления и автоматики. Эти управляющие воздействия должны быть сигналами с большими значениями электрического напряжения и силы тока, которые невозможно сгенерировать непосредственно на информационных выходах блока микроконтроллера 1. Импульсный блок питания 7 формирует напряжения питания, необходимые для функционирования электронных устройств.
Нагрузочная способность современного микроконтроллера, например ATMega 328, широко используемого в учебных целях, составляет по току 40 мА (DC current per I/O pin), по напряжению 6 В (Maximum Operating Voltage). (www.farnell.com/datasheets/2295881.pdf).
Применяемые даже в учебных целях сервоприводы, например Dsservo DS 3218, имеют ток удержания (stale current (at lock)) 1,5 А, рабочее широтно-импульсное модулированное напряжение (Operating Voltage) 4,8-6,8 В. (chipster.ru/catalog/robotech/motors/5282.html).
Современные силовые драйверы типа Motor Shield, Multiservo Shield, которые целесообразно применить в предлагаемом устройстве, могут коммутировать постоянное и импульсное напряжение до 52 В и ток до 10 А. (http://amperka.ru/collection/motor-drivers).
Таким образом, нагрузочная способность аппаратного эмулятора по току увеличилась в 250 раз, по напряжению - в 10 раз.
Для реализации всех вышерассмотренных возможностей аппаратный эмулятор имеет соответствующее программное обеспечение.
Благодаря добавлению блока силовых драйверов по сравнению с аналогом имеет место увеличение нагрузочной способности устройства.