Проект учебного стенда для программирования микроконтроллеров - Дипломная работа

Существует большое количество видов лабораторных стендов, но их все можно разделить на две большие группы: лабораторные стенды с неизменяемым набором изучаемых элементов/узлов и те, которые позволяют подключать различные устройства и компоненты. Если же стенд имеет возможность подключения дополнительных элементов и изменение/доработку программного обеспечения, то это существенно улучшает работу с ним. Лаборатория «ATMEGA 168 KIT» предназначена для изучения основ микропроцессорной техники и включает следующие лабораторные работы: «Изучение режимов отладки через JTAG», «Таймеры микроконтроллера», «Генератор импульсов», «Последовательные интерфейсы: SPI», «Последовательные интерфейсы: UART. Измерение частоты», «Знакосинтезирующий ЖК-индикатор», «Внешняя EEPROM 25LC640A-I/SN, 64 K, с интерфейсом SPI», «Управление двумя семисегментными индикаторами через I2C при помощи ИМС PCF8574AT2», «Подключение внешней EEPROM 24LC256-I/SM, 256 К, через I2C», «Внешний цифровой потенциометр AD5245BRJ10-R2 построение ЦАП через I2C», «Управление мощной нагрузкой с помощью ШИМ», «Работа со встроенным АЦП». Лаборатория предназначена для изучения основ цифровой обработки сигналов и включает следующие лабораторные работы: «Линейные и нелинейные системы», «Свертка сигналов», «Интегрирование, свертка, корреляция сигналов и согласующие фильтры», «Знакомство с комплексными числами и экспоненциальными функциями», «Построение спектрального анализатора сигналов на основе БПФ преобразования», «Спектральный анализ различных типов сигналов», «Анализ во временной области RC-цепей», «Полюса и нули операторных характеристик цепей», «Дискретизация и сглаживание», «Введение в аналого-цифровое преобразование», «Цифровые фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ)», «Полюсно-нулевая диаграмма на z-плоскости для цифровых фильтров с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ)», «Цифровые фильтры - вопросы практического применения».Схема включения приведена на рисунке 22 Схема фотоприемника приведена на рисунке 23. Реакция фотодиодов на свет используется в различных автоматических устройствах. Технические параметры приведены в таблице 3. Рисунок усилителя приведен на рис.Для расчета наименьшего номинального значения ширины печатного проводника используют следующую формулу: (4) Минимально допустимая ширина проводника рассчитывается по формуле: (5) где Imax - максимальный постоянный ток, протекающий в проводниках (определяется из анализа электрической принципиальной схемы); В самом узком месте печатной платы расстояние между проводниками составляется 0,41 мм, что соответствует рассчитанным требованиям. При выборе ширины проводников, размера проводящих элементов, контактных площадок и т.д. важно учитывать метод, с помощью которого будет изготавливаться ПП. При изготовлении данной ПП используется фоторезист ПФ-ВЩ 50.В результате выполнения работы: была изучена рабочая станция NI ELVIS; разобран принцип работы с LABVIEW и освоены основы программирования с использованием графического языка G; на основе существующих дополнений для NI ELVIS спроектирована, детально подходящая к изучаемым дисциплинам, плата для проведения лабораторно-практических работ по изучению микроконтроллерных устройств.Перечень элементов лабораторного модуля Поз. обозначение Обозначение Кол.

Учебный процесс многогранен. Помимо теоретических знаний важно чтобы обучение было подкреплено практической частью. Практика может проводиться различными способами, но наиболее удобными являются лабораторные стенды.

Лабораторные стенды позволяют студентам в интерактивном режиме изучать различные радиоэлектронные средства, а также процессы, протекающие в них. Например, для наглядного изучения каких либо характеристик электрорадиоэлемента не требуется проводить предварительную работу по его монтажу на какую-либо плату и подключение к нему различных измерительных устройств. Можно воспользоваться более простым и быстрым методом - лабораторным стендом с набором виртуальных инструментов.

Существует большое количество видов лабораторных стендов, но их все можно разделить на две большие группы: лабораторные стенды с неизменяемым набором изучаемых элементов/узлов и те, которые позволяют подключать различные устройства и компоненты.

Стенды, в которых нельзя вносить изменения, представляют собой комплект неких устройств и какое-то программное обеспечение. Они позволяют проводить изучения этих устройств. Их минусом является ограниченное количество лабораторных работ и невозможность исследования других устройств (не входящих в комплект стенда), а также невозможность их дополнения или изменения их ПО.

Если же стенд имеет возможность подключения дополнительных элементов и изменение/доработку программного обеспечения, то это существенно улучшает работу с ним. Наличие такого стенда позволяет уменьшить затраты на закупку оборудования. Так как в большинстве из них имеются специальные беспаечные макетные платы, которые позволяют подключать дополнительные электронные компоненты (резисторы, транзисторы, диоды и т.д.). Таким образом, для изучения другой темы, студентам не требуются новые стенды, достаточно добавить или заменить набор компонентов.

В качестве примера такого типа стенда можно привести комплекс фирмы National Instruments NI Elvis. Он представляет из себя комплект виртуальных измерительных приборов и устройство со сменной монтажной панелью. Эта рабочая станция может взаимодействовать с различными дополнительными платами. Одна из них - лабораторный практикум для изучения микроконтроллеров ATMEGA 168 KIT, легла в основу данной ВКР. В следующей главе будут более подробно описаны различные существующие платы и сама рабочая станция NI ELVIS, но сначала рассмотрим, что в себя включает Лаборатория «ATMEGA 168 KIT.

Рис. 1. Рабочая станция в сборе с платой для изучения микроконтроллеров

Лаборатория «ATMEGA 168 KIT» предназначена для изучения основ микропроцессорной техники и включает следующие лабораторные работы: «Изучение режимов отладки через JTAG», «Таймеры микроконтроллера», «Генератор импульсов», «Последовательные интерфейсы: SPI», «Последовательные интерфейсы: UART. Связь с компьютером», «Последовательные интерфейсы: I2C. Сетевой интерфейс», «Внутреннее ЭСППЗУ микроконтроллера», «Встроенный компаратор. Измерение частоты», «Знакосинтезирующий ЖК-индикатор», «Внешняя EEPROM 25LC640A-I/SN, 64 K, с интерфейсом SPI», «Управление двумя семисегментными индикаторами через I2C при помощи ИМС PCF8574AT2», «Подключение внешней EEPROM 24LC256-I/SM, 256 К, через I2C», «Внешний цифровой потенциометр AD5245BRJ10-R2 построение ЦАП через I2C», «Управление мощной нагрузкой с помощью ШИМ», «Работа со встроенным АЦП».

Данный стенд (как и все рассмотренные ниже устройства) имеет довольно большую стоимость. Поэтому вопрос создания более бюджетной макетной платы является довольно актуальным.

1. NI ELVIS

NI ELVIS - это набор лабораторных приборов, реализованный посредством рабочей станции и устройства сбора и обработки данных (DAQ). Программное обеспечение разработано в LABVIEW.

На рисунках 2 и 3 можно увидеть изображение рабочей станции NI ELVIS.

Рис. 2. NI ELVIS вид сверху

1 - Макетная плата NI ELVIS

2 - Плавкий предохранитель

3 - Клеммы для подключения к мультиметру

4 - Разъемы для подключения к осциллографу

5 - Разъем выхода функционального генератора или входа цифрового запуска

6 - Монтажное отверстие под винт на макетной плате

7 - Разъем для подключения макетной платы

8 - Выключатель питания макетной платы

9 - Световые индикаторы статуса

10 - Элементы управления регулируемыми блоками питания

11 - Элементы управления функциональным генератором

Рис. 3. NI ELVIS вид сзади

1 - Выключатель питания макетной платы

2 - Выключатель питания рабочей станции

3 - Разъем для подключения источника питания постоянного/переменного тока

4 - Разъем USB

5 - Гнездо для подключения кабеля безопасности

6 - Гнездо для подключения замка Kensington

Во время работы с NI ELVIS можно использовать следующие приборы: - Генератор сигналов произвольной формы

- Анализатор амплитудно- и фазочастотных характеристик (АЧХ/ФЧХ)

- Устройство чтения цифровых данных

- Устройство записи цифровых данных

- Цифровой мультиметр

- Анализатор спектра

- Функциональный генератор

- Анализатор импеданса

- Осциллограф

- Анализатор вольтамперных характеристик двух- и четырехполюсников

- Регулируемые источники питания

1.1 Существующие макетные платы для NI ELVIS

Рабочая станция NI ELVIS позволяет проводить большое число лабораторных работ путем подключения к ней различных модулей.

Ниже приведены существующие платы для рабочей станции NI ELVIS, которые позволяют изучать различные направления электроники.

Emona SIGEX Add-on Board For Teaching Signals and Systems with NI ELVIS

Лаборатория предназначена для изучения основ цифровой обработки сигналов и включает следующие лабораторные работы: «Линейные и нелинейные системы», «Свертка сигналов», «Интегрирование, свертка, корреляция сигналов и согласующие фильтры», «Знакомство с комплексными числами и экспоненциальными функциями», «Построение спектрального анализатора сигналов на основе БПФ преобразования», «Спектральный анализ различных типов сигналов», «Анализ во временной области RC-цепей», «Полюса и нули операторных характеристик цепей», «Дискретизация и сглаживание», «Введение в аналого-цифровое преобразование», «Цифровые фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ)», «Полюсно-нулевая диаграмма на z-плоскости для цифровых фильтров с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ)», «Цифровые фильтры - вопросы практического применения».

Emona HELEX Add-on Board For Teaching Green Engineering with NI ELVIS

Лаборатория по альтернативной энергетике предназначена для изучения основ работы солнечных элементов, водородных топливных ячеек и процесса электролиза.

Рис. 4. Emona SIGEX

Выполняя практические лабораторные работы, студенты смогут понять процессы генерации энергии из солнечного света, запасания этой энергии в виде водорода и последующей регенерации энергии из электрохимической реакции водорода с кислородом. Кроме того, лабораторный стенд позволяет изучить такие базовые законы, как закон Авогадро, первый закон Фарадея для электролиза и действие катализаторов в химических реакциях.

Рис. 5. Emona HELEX

Emona DATEX Add-on Board For Teaching Digital/Analog Communications with NI ELVIS

Плата разработана для изучения цифровых и аналоговых сигналов путем создания и анализа различных схем. Комплект учебного оборудования позволяет изучать основы современной радиотехники и систем телекоммуникаций, знакомиться на практике с физическими процессами передачи данных по радиоканалам, проводить обработку сигналов, включая преобразование частот, различные виды модуляции и демодуляции, кодирование и декодирование и т.д. В рамках лабораторных работ студенты могут создавать прототипы своих собственных систем связи, просто последовательно соединяя функциональные блоки.

Рис. 6. Emona DATEX

Emona FOTEX Add-on Board For Teaching Fiber-Optic Communications with NI ELVIS

Рис. 7. Emona FOTEX

Лабораторный комплекс предназначен для обучения студентов принципам передачи информации по оптоволоконным линиям связи. В рамках лабораторных работ студенты осваивают методы кодирования и декодирования сигналов с импульсно-кодовой модуляцией, а также основы оптической фильтрации, разделения и объединения сигналов, двунаправленной оптоволоконной связи, оптических потерь и др.

NI ELVIS for Digital Electronics Includes NI Digital Electronics FPGA Board

NI Digital Electronics FPGA Board - это устройство для обучения основам цифровой электроники, булевой логики и т.д. При помощи данной платы студенты могут создавать аналоговые и цифровые схемы и проводить их анализ.

Рис. 8. FPGA Board

Макетная плата для практикумов по аналоговой электронике

Рис. 9. Плата для практикумов по аналоговой электронике

С ее помощью можно изучать полупроводниковые приборы. Она позволяет проводить лабораторные занятия по таким темам как: свойства диода и стабилитрона, однополупериодный и двухполупериодный диодный выпрямитель, транзисторные усилители на биполярном транзисторе с ОЭ, ОК, ОБ, транзисторные усилители на полевом транзисторе с ОИ, ОС, многокаскадный транзисторный усилитель, составной транзистор, стабилизатор напряжения на стабилитроне, дифференциальный усилитель на транзисторах, транзисторный усилитель мощности, дифференциальный усилитель, каскадные усилители на ОУ, импульсные устройства на ОУ, активные фильтры на ОУ, гиратор, пиковый детектор на ОУ, амплитудный детектор на ОУ.

Лаборатория теоретических основ электротехники (компоненты)

Лабораторная установка предназначена для проведения практических занятий по теоретическим основам электротехники.

Рис. 10. Плата с компонентами для изучения основ электротехники

Лаборатория электроники

Рис. 11. Плата для практикумов по электронике

Лаборатория предназначена для преподавания дисциплин: аналоговая электроника, электроника в приборостроении, электроника и микроэлектроника, электроника и радиотехника, электротехника и основы электроники. Макет обеспечивает возможность организации до 100 различных схем экспериментов различных уровней сложности.

Лабораторный практикум охватывает 10 образовательных модулей: ознакомление с работой в программно-аппаратной среды NI ELVIS II, исследование диодных схем, исследование режимов биполярного транзистора, исследование усилительного каскада по схеме с общим эмиттером, передача импульсных сигналов в резистивном усилительном каскаде, типовые схемы включения операционных усилителей, функциональное применение операционных усилителей (линейные и нелинейные преобразования сигналов), автогенераторы колебаний на операционных усилителях, автогенераторы колебаний на операционных усилителях.

Лаборатория программирования микроконтроллеров

Рис. 12. Рабочая станция в сборе с платой для программирования микроконтроллеров

Учебный стенд для программирования микроконтроллеров позволяет студентам изучить основные подсистемы современных микроконтроллеров (интерфейсы, процессор, ОЗУ, подсистема прерываний, АЦП/ЦАП), принципы их взаимодействия и функционирования, научиться программировать микроконтроллеры, а также создавать на их базе системы управления. Данный стенд использует микроконтроллер freescale.

2. Разработка блок-схемы

Для создания сменного модуля необходимо сначала определить его состав. Он должен включать в себя набор различных устройств и компонентов, чтобы позволить существенно расширить номенклатуру выполняемых лабораторных работ и изучать различные функциональные модули. В модуль включены следующие блоки: блок отображения информации, блок ввода информации, блок обработки информации и т.д.

Для отображения информации в стенде используются дисплей и светодиоды. С помощью обычных светодиодов можно выводить информация в виде булевой алгебры. Так же используется RGB светодиод, позволяющий отображать цветовые оттенки в случае использования ШИМ управления. Макетная плата оснащена USB разъемом для подключения совместимых устройств. Имеется набор переключателей, пьезодинамик, микрофон.

Так как плата должна взаимодействовать с рабочей станцией NI ELVIS, она должна иметь конкретные габаритные размеры и технологические отверстия. Этот момент учитывается при проектировании ПП и может иметь влияние на выбор элементной базы.

Когда основные блоки определены (на рисунке 13 изображена блок-схема), следует перейти к выбору компонентов, которые будут включены в эти блоки. При выборе элементной базы большое значение имеет стоимость компонента, сложность его установки на плату, габаритные размеры и др. На рисунке 13 изображена блок-схема.

2.1 Дисплей

Дисплей используется для отображения информации, поступающей с микроконтроллера. Работа ЖК дисплея основывается на явлении поляризации светового потока. Кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом, поляроид осуществляет как бы «просеивание» свет. Этот эффект называется поляризацией света.

Рис. 13. Блок-схема

Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, получили название жидких кристаллов. Применяемый в стенде дисплей - пассивного типа с тыловой светодиодной подсветкой.

WH1602B монохромный двухстрочный жидкокристаллический дисплей на 16 символов. Для отображения данных используются русские и английские алфавиты.

Рис. 14. Дисплей

Рис. 15. Таблица символов

Пример подключения дисплея к микроконтроллеру изображен на рисунке 15.

Рис. 15. Подключение дисплея к микроконтроллеру

При подключении дисплея необходима внешняя цепь задания рабочего контраста изображения (на рисунке задается резистором R2 включенного по схеме потенциометра между напряжением питания 5В и общим проводом). Для активации подсветки имеются выводы 15, 16, подключенные соответственно к шине питания ( 5В) и общему проводу.

2.2 Микроконтроллер

Важной частью большого количества РЭС является микроконтроллер. Микроконтроллер - это микросхема, которая предназначена для управления электронными средствами. В основе микроконтроллера лежит центральный процессорный элемент, ОЗУ, флеш-память для хранения данных и программ, порты ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи. Специальный вычислительный модуль обеспечивает пошаговое выполнение записанной в памяти программы. Для написания этих программ обычно используются низкоуровневые языки (например, ассемблер).

По своей архитектуре микроконтроллеры можно разделить на: Гарвардскую и Принстонская (или фон Неймановская).

Рассмотрим их ключевые различия.

В Гарвардской архитектуре инструкции и данные хранятся в отдельных блоках, а также передаются по отдельным каналам.

При архитектуре фон Неймана данные и инструкции хранятся совместно. Минусом такой архитектуры считается ограничение пропускной способности между процессором и памятью изза общего использования шины для памяти и для данных.

Плюсом же Гарвардской архитектура является меньшее число тактов для выполнения команды процессором потому, что информация хранится в отдельных блоках.

В стенде используется микроконтроллер atmega328 (рис.16). Его характеристики приведены в таблице 1.

Этот контроллер относится к семейству AVR, организованных по Гарвардской архитектуре. AVR - это восьмибитные микроконтроллеры с сокращенной системой команд, производимые фирмой Atmel.

Рис. 16. ATMEGA328

Рис. 17. Габаритные размеры микроконтроллера

Таблица 1

Размер программной памяти 32 кб

Размер ОЗУ данных 2 кб

Встроенный в чип АЦП Да Рабочее напряжение питания 1,8-5,5 В

Максимальная рабочая температура 85 С

Минимальная рабочая температура -40 С

Количество таймеров 3

Для программирования микроконтроллеров используют специальные программаторы. На рисунке изображен пример схемы такого устройства. Программатор - это специальное аппаратно-программное средство. Оно записывает данные в ПЗУ микроконтроллера.

Рис. 18. Программатор с подключением в USB разъем компьютера

Обычно для программирования микроконтроллеров avr используется 6 выводов: RESET - Вход MKVCC - Плюс питания, 3-5В, зависит от MKGND - Общий провод, минус питания.MOSI - Вход МК (информационный сигнал в МК)MISO - Выход МК (информационный сигнал из МК)SCK - Вход МК (тактовый сигнал в МК)

Они составляют шину SPI - последовательный интерфейс подключения периферийных устройств. Эта шина используется при внутрисхемном программировании микроконтроллеров, а также при подключении к ним различных внешних устройств (датчиков, дисплеев и т.п.).

Рис. 19. Цоколевка разъема внутрисхемного программирования (2 варианта - 6 и 10 контактов)

2.3 Микрофон

Микрофон - SPM0408HE5H аналоговый микрофон со встроенным усилителем выполненный в микроэлектромеханической (МЭМС / MICROELECTROMECHANICAL Systems) технологии.

МЭМС - это технология, которая объединяет микроэлектронные и микромеханические компоненты. Основной материал, из которого изготавливаются МЭМС компоненты - это кремний. Преимуществом этой технологии является ее чрезвычайно малый размер. Благодаря своим размерам устройства, изготовленные по МЭМС технологии, можно использовать в различных миниатюрных устройствах. Такой малый размер значительно экономит место при размещении компонента на ПП. Использование в стенде такого устройства позволит познакомить студентов с данным типом средств.

Рис. 20. Микрофон

Рис. 21. Размеры

В результате выполнения работы: была изучена рабочая станция NI ELVIS; разобран принцип работы с LABVIEW и освоены основы программирования с использованием графического языка G; на основе существующих дополнений для NI ELVIS спроектирована, детально подходящая к изучаемым дисциплинам, плата для проведения лабораторно-практических работ по изучению микроконтроллерных устройств.

Учитывая высокую стоимость плат для работы с NI ELVIS и различных виртуальных лабораторий, разработка данного стенда является экономически выгодной.

1. Пирогова Е.В. Проектирование и технология печатных плат. Учебник. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005.-560 с.

2. Проектирование импульсных и цифровых устройств радиотехнических систем: пособие для радиотехнич. Спец. Вузов / Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М. и др.; под редакцией Ю.М. Казаринова. - М.: Высшая школа, 1985. 319 с.

3. Медведев А.М. Печатные платы: Конструкции и материалы. Москва: Техносфера, 2005. - 304 с.

4. О.П. Новожилов. Основы цифровой техники: Учебное пособие,-M/ Радиософт, 2004-528 с.

5. Блюм П. LABVIEW: Стиль программирования. Пер. с англ. под ред. Михеева П. - М.: ДМК Пресс, 2008 - 400 с.: ил.

6. Белиовская Л.Г. Узнайте, как программировать на LABVIEW. - М.: ДМК Пресс, 2014. - 140 с.