X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018
РАЗРАБОТКА СТЕНДА ПО ПРОГРАММИРОВАНИЮ И ОТЛАДКИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Современный этап развития микроконтроллеров связан с появлением широкого круга задач, требующих увеличения разрядности процессорного ядра до 16/32 разрядов и перехода на языки программирования высокого уровня. Увеличивается число прикладных областей, задачи которых решаются с помощью операционных систем реального времени, функционирующих на микроконтроллерных платформах. Высокопроизводительные 32-разрядные микроконтроллеры с архитектурой ARM7 и ARM9, Cortex-МЗ и другие стерли границу между ранее обособленными областями встраиваемых систем - компьютерной, на основе 32-разрядных процессоров с программированием на языках высокого уровня, и контроллерной, на основе 8-разрядных микроконтроллеров с программированием на ассемблере. Но и старые архитектуры не исчезли. Такие фирмы как Atmel, Analog Devices, Winbond, Silicon Laboratories и ряд других использовали новые возможности микроэлектроники для выпуска на основе ядра 8051 микроконтроллеров с расширенными наборами периферийных модулей. Благодаря этому архитектура 8051, которой многие прочили забвение, получила второе дыхание и стала стандартом "де-факто".
В целом можно заключить, что современный специалист в области встраиваемых систем должен владеть практическими навыками проектирования на основе широкой гаммы 8-, 16- и 32-разрядных микроконтроллеров с применением нескольких языков программирования. Задача обучения, повышения квалификации и переподготовки в настоящее время важна не только для образовательных учреждений, но и для индивидуальных специалистов, которые нуждаются в периодическом тренинге. В связи с этим весьма актуальными выглядят универсальные учебные средства по микроконтроллерам, наращиваемые по возможностям и позволяющие освоить широкую номенклатуру элементной базы и программных средств [32].
В настоящее время лабораторные стенды поддерживает 8-разрядные микроконтроллеры 8051 и AVR (ATMEL), PICmicro (Microchip), 16-разрядные микроконтроллеры dsPIC, 32-разрядные ARM7 микроконтроллеры NXP и «системы на кристалле» PSoC фирмы Cypress Semiconductor. В качестве программных средств при обучении используются компиляторы mikroBasic, mikroPascal, mikroC. Особое внимание уделяется методическим аспектам передачи практических навыков разработки микроконтроллерной техники, в том числе в плане дизайна, конструкции и технологии изготовления.
Исходная программа составляется с использованием ассемблера или языка СИ. Программирование микроконтроллера выполняется по USB-порту компьютера (компьютер в состав стенда не входит). Проверка программы осуществляется непосредственно на лабораторном стенде с помощью элементов ввода-вывода (тумблеры, кнопки, потенциометры, светодиоды, семисегментные индикаторы, звукоизлучатель, электродвигатель).
Целью работы является разработка стенда по программированию и отладки микроконтроллеров.
Задачи работы:
- Изучить интерфейсы передачи данных;
- Изучить программирование микроконтроллеров фирмы AVR;
- Реализовать конструкцию стенда;
- Разработать структурную, электрическую-принципиальную схему устройства;
- Произвести тестирование стенда;
- Произвести расчёт затрат на разработку устройства.
Актуальность этой задачи состоит в потребности лабораторного оборудования для изучения работы микроконтроллеров, а также реализации на практике теоретического материала.
Предмет исследования – стенд по программированию и отладки микроконтроллеров.
Объект исследования – лабораторный стенд.
Теоретическая база – интерфейсы периферийных устройств, электроника и электротехника, архитектура ЭВМ, конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ, микропроцессорная техника, схемотехника, инженерная графика.
В работе были использованы следующие методы исследования: сопоставление аналогов, обобщение изученной литературы, моделирование, практическая реализация, тестирование.
Научная значимость работы – разработанный стенд и его использование эмпирически подтверждает теоретические основы моделирования сложных систем, основы проектирования.
Практическая значимость работы – стенд позволяет интерпретировать полученные знания на лекционных занятиях в готовые программно-аппаратные решения для определенных задач, а также наглядно продемонстрировать работу созданного программного обеспечения, в результате написания которого осуществляется отладка и тестирование.
В результате был разработан стенд по программированию и отладки микроконтроллеров. Произведены разработки структурной схемы, электрической принципиальной схемы, выбор элементной базы устройства, программирование микроконтроллера, а также изготовлен образец.
Были рассмотрены аналоги стенда, проанализирован рынок микроконтроллеров и уже готовых отладочных плат, так же описано и выбрано программное обеспечение для реализации стенда по программированию и отладки микроконтроллеров. Приведены основные принципы проектирования печатных плат, способы изготовления исходя из исходных данных выбран материал печатной платы (стеклотекстолит фольгированный односторонний) и метод изготовления (химический). Конструирование печатной платы осуществлялось с помощью ЭВМ в программе Sprint Layout, а также использована безпаячная печатная плата для организации динамической топологии схемных решений. Также была составлена инструкция по технике безопасности, в которой рассмотрены основные правила по охране труда и противопожарной безопасности.
В будущем возможно дополнение функциональных узлов, например, беспроводных технологий, а также разработка аналогичных стендов под другие типы микроконтроллеров.