Аппаратно-программный комплекс на базе универсального лабораторного стенда для изучения 8-, 16- и 32- разрядных микроконтроллеров

       

Аппаратно-программный комплекс на базе универсального лабораторного стенда для изучения 8-, 16- и 32- разрядных микроконтроллеров

В этой статье вниманию специалистов и преподавателей представляется комплекс аппаратных и программных средств для изучения 8-, 16- и 32-разрядных микроконтроллеров. Универсальный лабораторный стенд на основе платы UNI-DS3 и микроконтроллерных модулей специализации составляет аппаратную компоненту комплекса. В настоящее время лабораторный стенд 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.

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.

Компания MikroElektronika (Сербия) имеет значительный опыт разработки и производства аппаратных и программных учебных средств для микроконтроллеров. Ее изделия отличаются хорошей методической проработкой комплекса задач, связанных с передачей практического опыта проектирования.

Комплект аппаратных средств от фирмы MikroElektronika включает универсальный лабораторный стенд на основе платы UNI-DS3 (рис. 1) и набора микроконтроллерных плат специализации, а также платы расширения. В настоящее время лабораторный стенд 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.

Аппаратные средства лабораторного стенда представляют собой конструктор из набора функциональных модулей. На универсальной плате установлены функциональные модули ввода/вывода и стабилизатор напряжения питания. На рис. 1 видно, что продуманное расположение функциональных модулей на плате подкреплено множеством поясняющих надписей и знаков, так что процесс работы становится во многом интуитивно понятен до чтения документации. Кроме фиксированного набора модулей ввода/вывода на плате стенда, производитель выпускает функциональные модули в виде небольших плат расширения. Все линии портов микроконтроллера на универсальной плате выведены на девять штыревых разъемов 2x5 выводов, к которым возможно подключение внешних плат.

Универсальный лабораторный стенд на основе платы UNI-DS3

Рис. 1. Универсальный лабораторный стенд на основе платы UNI-DS3

На универсальной плате в качестве устройств ввода могут использоваться кнопки, подключенные ко всем линиям портов микроконтроллеров, 12-разрядный АЦП, часы реального времени, считыватель MMC/SD-карт. Для отображения данных на плате имеются светодиоды на всех линиях портов микроконтроллера, а также предусмотрены посадочные места со штыревыми разъемами для установки алфавитно-цифрового и графического дисплеев. Вывод данных может производиться на 12-разрядный ЦАП. Для двунаправленного обмена установлены драйверы и разъемы RS-232, RS-485, CAN и Ethernet.

Универсальный лабораторный стенд UNI-DS3 имеет развитую систему коммутации, которая позволяет выборочно подключать к линиям портов микроконтроллера устройства ввода/вывода и формировать аппаратную конфигурацию микроконтроллерной системы в соответствии с требованиями проекта.

На плате универсального стенда имеется разъем, в который может быть установлена одна из плат специализации. На этих платах находятся целевые микроконтроллеры и схемы их ближайшего обрамления, включая интегрированные программаторы. На платах специализации для микроконтроллеров PIC, dsPIC программаторы совмещают функции внутрисхемных отладчиков mikrolCD. В настоящее время набор плат специализации следующий:

-   UNI-DS3 64 PIN AVR CARD - для изучения микроконтроллеров семейства AVR фирмы Atmel, одного из самых распространенных в практике отечественного проектирования. На плате (рис. 2) установлен микроконтроллер ATmega128, имеющий 8-разрядное ядро с Fmax=16 МГц, 128 Кбайт флэш-памяти программ, 4 Кбайт ОЗУ 4 Кбайт EEPROM, 8 каналов 10-разрядного АЦП.

-   UNI-DS3 40 PIN PIC CARD. Плата предназначена для изучения новых 8-разрядных микроконтроллеров семейства PIC. На ней установлен микроконтроллер PIC18F4520, разработанный на основе технологии nanoWatt. Напряжение питания может составлять от 2,0 до 5,5В.

-   UNI-DS3 80 PIN PIC CARD. Плата предназначена для изучения 8-разрядных микроконтроллеров семейства PIC. На ней установлен микроконтроллер PIC18F8520 со встроенным умножителем 8x8. Линии портов снабжены драйверами, обеспечивающими ток до 25 мА. Микроконтроллер способен адресовать до 2 Мбайт внешней памяти.

UNI-DS3 48 PIN PSOC CARD - позволяет изучать применение БИС типа "система на кристалле" (PSoC) фирмы Cypress Semiconductor. На плате установлена БИС CY8C27643, объединяющая на одном кристалле микроконтроллер, цифровые и аналоговые блоки, а также программируемые элементы внутренней коммутации. БИС этого типа позволяют создать индивидуальную схему для обработки смешанного набора сигналов и заменить несколько традиционных компонентов микроконтроллерных систем.

-   UNI-DS3 40 PIN 8051 CARD - позволяет изучать микроконтроллеры 8051, ставшие уже классикой. На плате установлен микроконтроллер AT89S8253 фирмы Atmel. Он имеет 8-разрядное ядро, 12 Кбайт ISP флэш-памяти программ, 2 Кбайта EEPROM, три 16-разрядных счетчика/таймера, порты SPI и UART, WDT-таймер, два режима пониженного энергопотребления.

Плата специализации UNI-DS3 64 PIN AVR CARD

Рис. 2. Плата специализации UNI-DS3 64 PIN AVR CARD

UNI-DS3 64 PIN ARM CARD. Плата предназначена для изучения 32-разрядных микроконтроллеров семейства ARM7. На плате установлен микроконтроллер LPC2148 фирмы NXP. Он характеризуется небольшой стоимостью при высокой производительности ядра и функциональной мощности периферийных блоков, быстрой реакцией на прерывания и низким энергопотреблением. Это позволяет рассматривать его во многих случаях в качестве варианта замены 8-разрядных микроконтроллеров.

UNI-DS3 80 PIN DSPIC CARD. Плата предназначена для изучения 16-разрядных микроконтроллеров семейства dsPIC, имеющих особую группу команд и аппаратные ресурсы для цифровой обработки сигналов. На плате установлен микроконтроллер dsPIC 30F6014A. Процессорное ядро dsPIC работает с 24-разрядными командами, причем 3-операндные команды преобразования данных выполняются за один машинный цикл (4 периода тактовой частоты).

В соответствии с концепцией универсального стенда как конструктора, производитель выпускает более полусотни функциональных модулей ввода/вывода в виде небольших плат расширения. Одни из них уже имеются на универсальной плате, а другие позволяют расширить набор функций. Все модули могут быть присоединены к универсальной плате стенда через штыревые разъемы, на которые выведены порты микроконтроллеров.

В набор функциональных модулей, уже имеющихся на плате, входит модуль 12-разрядного ЦАП (рис.3). Он может быть подключен для увеличения количества аналоговых выходов.

На рис. 3 видно, что этот модуль, как и некоторые другие внешние модули, является настраиваемым. Конфигурация переключателей должна соответствовать типу микроконтроллера на установленной плате специализации.

Плата расширения 12-разрядного ЦАП

Рис. 3. Плата расширения 12-разрядного ЦАП

Из функциональных модулей, отсутствующих на плате, можно обратить внимание на модули трехосевого акселерометра, инфракрасного датчика движения и цифрового потенциометра. Внешние платы акселерометра и датчика движения при подключении добавляют к набору модулей ввода группу датчиков и позволяют проводить натурные эксперименты.

Плата расширения на базе 3-осевого акселерометра выполнена на основе микросхемы ADXL330. С ее помощью возможно как измерение динамического ускорения при движении, ударах и вибрации, так и измерение наклона в статике.

Плата датчика движения включает пас-сивный инфракрасный датчик типа AMN11112, формирующий на выходе значение логической "1" при обнаружении движения объекта, излучающего энергию в инфракрасном диапазоне.

Плата цифрового потенциометра реализована на базе микросхемы МСР41010, которая обеспечивает полное активное сопротивление 10 КОм и 256 ступеней регулирования. Изучение цифрового потенциометра полезно, поскольку демонстрирует реализацию пассивного компонента электронных цепей в виде программируемой интерфейсной микросхемы.

Интересны платы МРЗ-плееров, а также плата аудиоусилителя, позволяющие добавить к стенду канал воспроизведения цифрового звука.

На сайте производителя доступны схемы всех плат расширения и их подключения к стенду, а также примеры программ обслуживания.

Разработка прикладных программ для микроконтроллеров универсального стенда может осуществляться с использованием систем программирования на языках mikroC, mikroBasic, mikroPascal от компании MikroElektronika. В настоящее время имеются следующие версии систем:

-  mikroC для микроконтроллеров 8051, PIC (PIC12/ 16/18), dsPIC (dsPIC24/30/33), Sensory RSC-4x;

- mikroPascal для микроконтроллеров PIC (PIC12/ 16/18), dsPIC (dsPIC24/30/33), Atmel AVR;

- mikroBasic для микроконтроллеров Р1С(Р1С12/16/18), dsPIC (dsPIC24/30/33), Atmel AVR.

Все перечисленные системы имеют похожие оболочки (IDE - integrated development environment) с удобным многооконным интерфейсом пользователя. Вид рабочего экрана системы mikroC dsPIC приведен на рис. 4.

Каждая система включает полный набор инструментальных модулей - редактор текста, компилятор, редактор связей, библиотекарь, отладчик и программатор флэш-памяти микроконтроллера.

Компания MikroElektronika поддерживает создание прикладных программ для микроконтроллеров большим количеством функций обслуживания периферийных устройств. В набор входят функции обслуживания АЦП и ЦАП, символьных и графических дисплеев, стандартных интерфейсов (UART, SPI, I2C, CAN) и многие другие. Использование этих функций позволяет быстро продвигаться по пути приобретения практических навыков интеграции программного обеспечения и аппаратуры стенда ME-UNI-DS3. Системы программирования на языке С, разумеется, включают его стандартные функции.

После установки системы программирования в директории ProgramFilesV.Aexamples можно найти демонстрационные программы работы с периферийными устройствами, входящими в набор функциональных модулей платы ME-UNI-DS3.

Аппаратно-программный комплекс позволяет выполнять как автономную отладку разрабатываемой программы с использованием программно-логической модели, так и комплексную отладку аппаратуры и ПО в реальном времени с использованием аппаратного отладчика IDE (In-Circuit Debugger). При отладке возможны пошаговый режим выполнения команд, выполнение фрагмента программы до курсора, отладка с использованием механизма контрольных точек. Возможность наблюдения за изменением значений переменных и регистров специальных функций предоставляет окно "Watch".

Среда разработки mikroC dsPIC

Рис. 4. Среда разработки mikroC dsPIC

Создание проекта значительно ускоряют такие встроенные инструменты (Tools) как ASCII Chart (средство формирования кодов, удобное при работе с дисплеями), USART Terminal (средство визуального программирования универсального последовательного порта), Segment Display Decoder (средство формирования кодов для 7-сегментно-го индикатора). Например, инструмент Filter designer tool системы mikroC dsPIC является средством формирования исходного текста фрагмента программы, описывающего определенный в диалоговом окне тип фильтра с указанными параметрами. При работе с этим инструментом результаты проектирования представляются в виде графиков, отражающих характеристики фильтра, и в виде собственно исходного текста фрагмента программы.

В комплект поставки каждой системы программирования входят руководство пользователя интегрированной системы и описание языка программирования.

Современной тенденцией является непрерывное и быстрое обновление версий аппаратного и программного обеспечения средств отладки, в том числе и учебных. По этой причине многие производители переносят основной объем информационной поддержки своих изделий на свои корпоративные сайты. Компания MikroElektronika следует этой тенденции, на ее сайте можно ознакомиться с демонстрационными версиями систем программирования, ограниченными по размеру компилируемого кода (2 кбайта).

 

Статья предоставлена редакцией журнала Электроника. Другие статьи журнала "Электроника" можно прочитать на сайте журнала.

Дата публикации: 01.02.2010

Понравилась статья?
Поделись с друзьями:

       


Мнения читателей

  • denmur / 28.11.2011 06:27
    Здравствуйте! Прочел статью и заметил полезность этого набора,где я могу преобрести его ?

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии.


 
Web-ring: электроника, электронные компоненты и приборы
rand prev next
    Рейтинг@Mail.ru       RadioTOP