АлтГТУ им. И.И. Ползунова осуществляет подготовку кадров по направлению «Информационная безопасность» (квалификация (степень) «бакалавр») с сентября 2011 года. Направление является новым, в связи с чем актуальной задачей является разработка современных обучающих материалов по приоритетным дисциплинам.
Целью изучения «Микропроцессорных систем» является формирование знаний по современным семействам микропроцессорной техники. Дисциплина дает студентам представление о работе и внутреннем устройстве, функциональном назначении многообразных микропроцессорных систем.
Изучение данных дисциплин является приоритетным направлением, так как они являются ключевыми в обучении инженеров и необходимо уделять большее внимание развитию практических подходов к обучению студентов.
Микроконтроллеры являются основным элементом встраиваемых систем и используются, например, в автомобильных системах управления двигателем, устройствах автоматизации, системах с механическими приводам, дистанционном управлении, беспроводных сенсорных сетях и даже в детских игрушках, поэтому знание работы микроконтроллеров является ключевым элементом в развитии этой отрасли.
Так как бакалавр по направлению подготовки 090900 Информационная безопасность должен готовится к таким видам профессиональной деятельности, как эксплуатационная и экспериментально-исследовательская, то выполнение учащимися лабораторных работ [1] является важным средством более глубокого усвоения и изучения учебного материала. Данный предмет основан на умении программировать микроконтроллеры, поэтому получение обучаемым практического опыта невозможно без применения средств, на которых можно было бы отрабатывать навыки программирования и наблюдать за ходом выполнения учебных программных кодов. С этой целью возникла необходимость в стенде по данной дисциплине на современной элементной базе [2].
Лабораторные стенды выпускаются на базе различных микроконтроллеров и имеют широкий спектр конфигураций. В состав периферии учебного стенда могут входить светодиодные и жидкокристаллические индикаторы, кнопки, клавиатура, имитаторы сигналов, излучатели звука, шаговые двигатели, датчики температуры и влажности, преобразователи интерфейсов, модули ППЗУ, разъёмы для подключения к ПК и дополнительным внешним устройствам. Но у всех фирменных плат (так называемых development boards и training boards) есть ряд недостатков [3].
Основными недостатками таких плат являются высокая стоимость и то, что такие платы ориентированы на опытных пользователей, что не позволяет использовать их для обучения «с нуля». К тому же лабораторные стенды представляют собой конструктивно законченные устройства и обладают более высокой надёжностью по сравнению с фирменными платами, вследствие ограничения физического доступа к жизненно–важным узлам стенда.
В результате проведенного анализа лабораторных стендов, были сформулированы основные требования к лабораторному стенду, который необходимо разработать:
1) Стенду необходимо иметь по возможности минимальные размеры. Это необходимо для того, чтобы на поверхности рабочего стола можно было бы разместить все необходимые приборы; ориентировочными размерами являются 240х150 мм.
2) Стенд должен быть устойчив к механическим вибрациям, которые могут возникнуть при эксплуатации прибора.
3) В целях повышения безопасности работы со стендом, его питание должно осуществляться от источника постоянного напряжения величиной 5В.
4) Стенд должен обеспечивать максимальную наглядность изучаемой схемы, для чего предлагается применить многоцветную лицевую панель.
5) Стенд должен иметь минимальное количество внешних соединительных проводников для коммутации, так как соединительные проводники контактных разъемов не обеспечивают надежного соединения.
6) Стенд должен давать учащимся практические навыки в сборке различных устройств, так как при этом теоретические сведения можно будет применить на практике. Поэтому минимальное количество внешних соединительных проводников определяется количеством и сложностью собираемых схем.
7) Стенд необходимо выполнить таким образом, чтобы в процессе проведения лабораторной работы можно было бы использовать минимальное количество приборов.
8) Стенд по своим функциональным возможностям должен обеспечивать проведение от 10 до 13 лабораторных работ, для чего предусмотреть переключатель рода работ.
9) Элементной базой стенда должны быть интегральные микросхемы широко распространенных серий, и имеющих малое потребление. Что касается индикаторных элементов, то они так же должны быть доступными, например светодиоды АЛ307Б.
Все эти требования должны быть положены в основу разработки принципиальной электрической схемы, внешнего вида и конструкции стенда.
Современный лабораторный стенд на микроконтроллере должен иметь широкий спектр конфигураций. Для того, чтобы не отставать от своих конкурентов и иметь широкой функциональный спектр возможностей не только для обучения студентов, но и для выполнения дипломный, курсовых и научных работ, лабораторный стенд включает в себя следующие компоненты: цифровой дисплей, графический дисплей, аналоговый вход, цифровой выход, клавиатура, кнопки с фиксатором, кнопки без фиксатора, светодиоды (одноцветные и двухцветные), COM интерфейс, USB интерфейс, динамик, элементы питания для электродвигателя. Управление стендом осуществляется посредством микроконтроллера Atmega 8535. Взаимодействие с персональным компьютером и программирование стенда осуществляется с помощью USB программатора и переключателя расположенного на лицевой панели стенда (работа/программирование). Так как микроконтроллер имеет ограниченное количество циклов перезаписи, в стенде реализована возможность его быстрой замены (рисунок 1).
Рисунок 1 – Общий вид стенда
Разработанный стенд можно разбить на 4 блока (рисунок 2), каждый из которых является функциональной единицей. Перечень блоков: 1) Блок управления дисплеями; 2) ЦАП, АЦП и силовой ключ; 3) COM порт и USB программатор; 4) Кнопки, клавиатура, звуковая и световая индикация. Все 4 блока подключены и непосредственно взаимодействуют между собой с помощью микроконтроллера.
Рисунок 2 – Взаимодействие блоков стенда между собой
При работе USB-программатора используется несколько джамперов. Джампер J1 – (MODify) служит для начального программирования управляющего МК программатора. При его замыкании, к разъему ISP подключается внешний программатор и производится загрузка в МК управляющей программы. После программирования управляющего МК программатора этот джампер необходимо разомкнуть и замкнуть джампер J2 — NORMal.
С помощью джампера J3 LOWSCK возможно понижать тактовую частотупорта SPI МК программатора до ~20 кГц. При разомкнутом джампере частота SPI нормальная, при замкнутом — пониженная. Переключать джампер можно на ходу, так как управляющая программа МК программатора проверяет состояние линии PB0 при каждом обращении к порту SPI. Не рекомендуется переключать джампер при запущенном процессе записи/чтения программируемого микроконтроллера, т.к., скорее всего, это приведет к искажению записываемых/читаемых данных. Джампер J3 введен для возможности программирования МК AVR, тактируемых от внутреннего генератора 128 кГц.
Предлагается выполнить пять лабораторных работ, которые студенты выполняют в течение двух семестров.
1) Порты ввода/вывода. Цель работы: Получение базовых знаний и умений в области программирования микроконтроллеров на языке ассемблер.
2) Таймеры. Цель работы: Изучение основ работы таймеров, решение различных задач с помощью таймеров. Получение практических навыков по работе с инструментальными средствами отладки микропроцессорных систем.
3) Аналого-цифровой преобразователь. Цель работы: изучение основ работы модуля АЦП в микроконтроллере ATmega8, и составление программ с использованием АЦП. Получение практических навыков по работе с инструментальными средствами отладки микропроцессорных систем.
4) USART. Цель работы: изучение основ работы модуля USART в микроконтроллере ATmega8, и составление программ с использованием USART. Получение практических навыков по работе с инструментальными средствами отладки микропроцессорных систем.
5) Сопряжение микроконтроллера со стандартными периферийными устройствами. Цель работы: изучение способов подключения клавиатуры и дисплея.
Обучение студентов следует начинать именно со знакомства с 8–ми битными микроконтроллерами, потому что они представляют собой фундаментальные вычислительные архитектуры и не перегружают обучаемых сложностями расширенных архитектур.
Однако, при обучении студентов программированию микроконтроллеров, поставлены несколько иные цели:
1) Научить программировать как на языке ассемблера, так и на языке Си, при этом выработать понимание того, что составление программы зависит от конкретного аппаратного обеспечения.
2) Обучить составлению эффективных алгоритмов функционирования устройств, с учётом ограничений, которые предъявляются ко встраиваемым системам.
3) Составить курс обучения программирования микроконтроллеров так, чтобы он вписывался в рамки изучаемой специальности.
В результате проделанной работы был получен прибор, который по функциональным возможностям не уступает аналогам, представленным на рынке, и имеет относительно дешевую стоимость. Лабораторный стенд является универсальным и может применяться для обучения в любых учебных заведениях для подготовки квалифицированных кадров широкого и узкого профиля. Широкая функциональность стенда позволит решать большинство учебных задач.
Список использованной литературы:
- Бойт К. Цифровая электроника. -М: Техносфера, 2007.
- Амосов В.В. Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств. -СП: БХВ-Петербург,
- Учебное оборудование, учебные лабораторные стенды [Электронный ресурс]: Режим доступа: type=»book» name=»РАЗРАБОТКА АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ»» author=»Борисов Алексей Павлович, Черемисин Павел Сергеевич, Тырышкин Сергей Юрьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-07″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]