CC BY
70
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. И. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 48211. ISSN 1994-0408
приложение
Учебно-лабораторный комплекс для изучения
микропроцессорной техники
# 09, сентябрь 2015
Бошляков А. А.1, Рассадкин Ю. И.1,
Синицын А. В.1'
УДК: 378.147.88
1Россия, МГТУ им. Баумана ''kutta@mail.nl
Введение
В соответствии с общепринятым определением, мехатроника - это синергетическое объединение механики и электроники с обязательным наличием компьютерного (микропроцессорного) управления [1-2]. Поэтому изучение микропроцессорной техники является важной составной частью обучения студентов по специальности «Мехатроника».
В процессе изучения курса «Микропроцессорная техника» студенты знакомятся с основными принципами представления информации в ЭВМ, принципами функционирования микропроцессора и других цифровых устройств. А также с основами проектирования микропроцессорных систем, в том числе и программной реализации алгоритмов управления.
На всех этапах изучения курса исключительно важным является закрепление материала в ходе выполнения лабораторных работ. Традиционно на лабораторный практикум выносятся следующие вопросы [3-4]:
1. Принципы передачи информации в микропроцессорной системе.
2. Система команд микропроцессора, порядок и особенности выполнения основных операций.
3. Освоение основных приемов программирования на Ассемблере и реализация простейших алгоритмов.
Для проведения лабораторных работ необходима лабораторная база, состав которой в значительной степени определяет как тематику, так и содержание работ. При этом её характеристики должны позволять методически правильное построение выполнения ра-
бот, наилучшим образом обеспечивающее закрепление студентами теоретического материала, полученного в лекционном курсе.
Все эти вопросы на кафедре «Робототехнические системы и мехатроника» (СМ7) МГТУ им.Н.Э.Баумана удалось успешно решить, создав лабораторию с применением оборудования компании Lucas Nulle.
1. Общая организация лаборатории
Лаборатория, оснащенная стендами компании Lucas Nulle, создана на кафедре СМ7 в 2011 году. В её состав входят 6 лабораторных стендов, соединенных с персональными компьютерами студентов - ноутбуками и центральный компьютер преподавателя, подключенный к интерактивной доске.
3.1. Состав лабораторного оборудования
Структура лабораторного оборудования представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структура лабораторного оборудования
Основным элементом лаборатории является связка «стенд-компьютер студента», образующая одно рабочее место, за которым могут работать два студента. Центральный компьютер выполняет роль сервера, на котором хранятся методические материалы, необходимые для выполнения работ и результаты работ. Преподаватель, работая за центральным компьютером, имеет доступ ко всем материалам. Он может оказать помощь в процессе выполнения работы, проконтролировать результаты по её окончании или в любой момент в последующем.
Студент выполняет работу на своем рабочем месте, используя специальную программу-оболочку. Она с одной стороны предоставляет студенту методический материал по выполнению работы, с другой стороны обеспечивает доступ к аппаратной части стенда и измерительным средствам. Такая же программа-оболочка может быть использована и на компьютере преподавателя, подключенном к интерактивной доске. Это позволяет да-
вать пояснения по ходу выполнения работы для всех студентов, а перед началом работы -делать её краткий обзор и пояснять наиболее сложные моменты.
Собственно стенд построен по модульному принципу. Он состоит из корпуса и устанавливаемых в него модулей-плат, состав которых зависит от выполняемой лабораторной работы. В корпус стенда одновременно может быть установлено до двух модулей. Также имеется блок питания, обеспечивающий необходимые для конкретной работы напряжения. С рабочим компьютером студента стенд связан с помощью интерфейса USB.
Программа-оболочка обеспечивает доступ к следующим виртуальным приборам:
• осциллограф;
• вольтметр;
• амперметр;
• мультиметр;
• индикатор состояния цифровых входов и выходов.
Гнезда для подачи сигналов на виртуальные измерительные приборы находятся на корпусе стенда.
1.2. Порядок выполнения лабораторной работы
В общем случае выполнение работы состоит из двух этапов: подготовка стендов и собственно выполнение.
На этапе подготовки производится установка в лабораторный стенд необходимых модулей-плат, включение и проверка работоспособности стенда, запуск на компьютере студента программы-оболочки, создание учетной записи студента, выбор лабораторной работы из списка доступных, проверка соединения компьютера со стендом.
Собственно выполнение работы заключается в том, что студент читает в программе-оболочке методические указания и выполняет эксперименты в соответствии с ними. Периодически студенту предлагается тест, без успешного прохождения которого дальнейшее выполнение работы невозможно. В конце работы предлагается итоговый тест для проверки качества усвоения материала. Имеется возможность включения режима, препятствующего использованию подбора при ответах на вопросы теста.
Результаты выполнения работы, прохождения тестов, как и сами методические материалы, хранятся на центральном компьютере-сервере и в любой момент доступны для просмотра преподавателем.
1.3. Методические особенности построения лабораторных работ
В отличие от методической практики, принятой в нашей системе образования, где курс лабораторного практикума разбит на отдельные законченные работы длительностью 3-4 часа каждая, в методическом сопровождении от Lucas Nulle такая разбивка отсутствует.
Система западного обучения предполагает, что лабораторные работы представляют собой единый курс последовательно выполняемых экспериментов, теоретических фраг-
ментов и проверочных тестов. Студент выполняет работы в удобное для него время в ходе ряда посещений лаборатории и затрачивает на это столько времени, сколько нужно исходя из своего уровня подготовки и уровня сложности выполняемой работы. Так как ход выполнение работы фиксируется на компьютере-сервере, преподаватель может в любом момент оценить прогресс студента, а по окончании семестра определить возможность простановки зачета по лабораторному практикуму. В целом можно сказать, что такая система, ориентированная на западного студента, предполагает его большую самостоятельность и сознательность.
В наших условиях с учетом жесткого регламентирования времени, отводимого на выполнение лабораторных работ, подобные методические подходы требуют коррекции.
2. Состав и структура лабораторных работ по микропроцессорной
технике
В соответствии с принятой в методическом обеспечении от Lucas Nulle концепцией, все лабораторные работы делятся на курсы. Каждому курсу соответствуют сменные модули-платы, устанавливаемые в лабораторный стенд. К области микропроцессорной техники относятся два таких курса: «Технология микрокомпьютеров 1» и «Технология микрокомпьютеров 2».
Курс «Технология микрокомпьютеров 1» по объему примерно соответствует двум стандартным 4-х часовым лабораторным работам. Основная цель - изучение принципов работы микропроцессорной системы, принципов обмена данными и системы команд микропроцессора. В курсе предусмотрен теоретический материал, эксперименты и тесты по следующим основным темам:
1. Знакомство с экспериментальным стендом.
2. Компоненты микропроцессорной системы.
3. Понятие адресации.
4. Шины адреса, данных и управления, принципы передачи информации по ним, взаимодействие шин.
5. Организация устройств ввода-вывода и работа с ними с помощью команд микропроцессора.
6. Организация памяти, работа с ней с помощью команд микропроцессора.
7. Архитектура микропроцессора, регистры, принцип функционирования.
8. Команды микропроцессора, система команд.
9. Микропроцессор Intel 8085, архитектура, особенности.
10. Основы программирования на Ассемблере, работа в отладчике.
В качестве базового микропроцессора в лабораторном стенде используется Intel 8085. Такой выбор можно считать удачным, так как этот микропроцессор имеет простую и понятную архитектуру, стройную систему команд и хорошо подходит для учебных целей.
По окончании первого лабораторного курса студент закрепляет на практике знания об архитектуре микропроцессорной системы и её компонентов, осваивает работу с лабо-
раторным стендом и получает начальные навыки по написанию программ на Ассемблере с помощью прилагаемой среды разработки и отладки.
Курс «Технология микрокомпьютеров 2» соответствует 4 стандартным 4-х часовым лабораторным работам. Основная цель его - получение студентом практики программирования на Ассемблере и реализации типовых алгоритмов, таких как опрос портов, формирование задержек заданной длительности, выдача управляющих сигналов в соответствии с заданной логикой, обработка прерываний, различные варианты организации хранения данных в памяти.
Основными темами курса являются:
1. Система команд микропроцессора Intel 8085.
2. Правила программирования на Ассемблере (команды, данные, таблицы, метки, директивы компилятора).
3. Программная реализация базовых алгоритмов:
а) опрос устройства с использованием битовой маски;
б) цикл ожидания;
в) цикл задержки с заданной длительностью;
г) использование подпрограмм;
д) работа с таблицами;
е) обработка прерываний.
4. Решение практических задач:
а) управление светофором на железнодорожном переезде;
б) управление светофорами на перекрестке (по заранее заданному алгоритму);
в) управление жидкокристаллическим дисплеем;
г) ввод и вывод данных с использованием цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователей.
При работе с указанными курсами используются две сменные платы-модуля, содержащие следующие компоненты:
• микропроцессор Intel 8085;
• светодиодный шинный монитор для визуального отображения цифровых сигналов с шин адреса, данных и управления. Имеется также возможность подачи через специальный разъем сигнала с каждой линии шины на измерительные приборы;
• три восьмиразрядных параллельных порта со светодиодной индикацией состояния выходов, возможностью подачи сигнала с выхода на измерительный прибор и с источника питания на вход;
• восьмиразрядный порт ввода-вывода, разряды которого через четыре кнопки и четыре тумблера подключены к источнику питания, что позволяет формировать на входах порта требуемый логический уровень постоянно (тумблером) или кратковременно (кнопкой);
• двухстрочный буквенно-цифровой жидкокристаллический дисплей;
• датчик освещенности соединенный с аналого-цифровым преобразователем;
• цифро-аналоговый преобразователь, соединенный со светодиодом;
• кнопки, формирующие запрос на прерывания (2 типа) для микропроцессора;
• модель перекрестка с автомобильными и пешеходными светофорами (в виде све-тодиодов).
Для выполнения работ по курсу «Технология микрокомпьютеров 1» необходима установка только одной платы, для курса «Технология микрокомпьютеров 2» - обеих.
При установке указанных сменных модулей в стенд, в программе-оболочке становится доступной среда разработки для написания программ на языке Ассемблер, включающая в себя:
• текстовый редактор с подсветкой синтаксиса;
• компилятор;
• отладчик;
• справочник по системе команд микропроцессора Intel 8085.
3. Методическая адаптация работ
Необходимость методической адаптации была вызвана двумя причинами:
• различием в общем подходе к организации лабораторных работ;
• погрешностями в методически материале, прилагаемом к лабораторным стендам.
Суть различий в общем подходе заключается в том, что в методических материалах
от Lucas Nulle курс лабораторных работ представляет собой единый массив экспериментов и тестов. Возникла необходимость выделения частей курса, соответствующих стандартным четырехчасовым лабораторным работам. Такое разделение могло быть выполнено только исходя из потребного времени выполнения работы. Так как никаких сведений о расчетном времени выполнения в исходных методических материалах не содержалось, оно было определено экспериментально в ходе постановочного прохождения курсов преподавателями и корректировалось в дальнейшем исходя из реальной практики выполнение работ студентами. В результате возникло следующее распределения частей лабораторных курсов по условно-стандартным 4-часовым работам:
1. Работа №1. Архитектура и принцип действия микропроцессорной системы:
а) знакомство с экспериментальным стендом;
б) компоненты микропроцессорной системы;
в) понятие адресации;
г) шины адреса, данных и управления, принципы передачи информации по ним, взаимодействие шин;
д) организация устройств ввода-вывода и работа с ними с помощью команд микропроцессора;
е) организация памяти, работа с ней с помощью команд микропроцессора.
2. Работа №2. Архитектура микропроцессора, система команд:
а) архитектура микропроцессора, регистры, принцип функционирования;
б) команды микропроцессора, система команд;
в) микропроцессор Intel 8085, архитектура, особенности;
г) основы программирования на Ассемблере, работа в отладчике;
3. Работа №3. Основы программирования на Ассемблере:
а) система команд микропроцессора Intel 8085;
б) правила программирования на Ассемблере (команды, данные, таблицы, метки, директивы компилятора);
в) программная реализация базовых алгоритмов (опрос устройства с использованием битовой маски, цикл ожидания, цикл задержки с заданной длительностью).
4. Работа №4. Базовые приемы программирования на ассемблере:
а) использование подпрограмм;
б) работа с таблицами;
в) обработка прерываний.
5. Работа №5. Решение практических задач управления:
а) управление светофором на железнодорожном переезде;
б) управление светофорами на перекрестке (по заранее заданному алгоритму, используется несколько различных алгоритмов).
6. Работа №6. Управление внешними устройствами:
а) управление жидкокристаллическим дисплеем;
б) ввод и вывод данных с использованием цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразователей.
Четыре часа лабораторной работы распределяются по времени следующим образом:
• повторение теоретического материала и знакомство с методикой проведения лабораторной работы -30 мин;
• практическая работа на лабораторных стендах - 3 часа;
• оформление отчетов и защита лабораторной работы - 30 мин.
Погрешности в методическом материале Lucas Nulle, прежде всего, касались неточностей перевода с немецкого на русский язык. Их можно условно разделить на две группы:
• стилистические ошибки;
• использование некорректной терминологии.
Вторая проблема связана с тем, что в микропроцессорной технике имеется своя специфическая терминология, которая требует от переводчика технического текста знания контекста.
На начальном этапе освоения лабораторных работ погрешности в методических материалах компенсировались разъяснительной работой преподавателя, ведущего лабораторную работу. В дальнейшем планируется создание адаптированных методических руководств по выполнению лабораторных работ, в которых будут не только устранены стилистические и терминологические ошибки, но и более подробно разъяснены вопросы, вызывающие наибольшие затруднения у студентов.
4. Обобщение опыта проведения лабораторных работ
Лабораторные работы по микропроцессорной технике проводятся на описанном в статье оборудовании в течение трех лет. За это время накоплен некоторый опыт, показывающий, что в целом выполнение работ позволяет достичь желаемого результата - закрепления на практике студентами теоретических зданий, полученных в ходе лекционного курса в области устройства и принципа действия компонентов микропроцессорной системы, а также реализации основных типовых алгоритмов управления на языке программирования Ассемблер. Анализ хода выполнение работ показал, что в методических материалах имеются существенные недостатки, которые должны быть устранены. Также обнаружилось, что требуемое на выполнение работ время может существенно различаться в зависимости от конкретного студента с учетом его индивидуального уровня подготовки. Такая ситуация требует наличия некоторого запаса при оценке необходимого времени выполнения работ и планировании лабораторного практикума в рамках конкретного учебного курса. В целом можно отметить, что студенты проявляют большой интерес, работают увлеченно и с желанием. В существенной степени это является следствием продуманной компоновки и хорошей эргономики стендов.
Заключение
Трехлетний опыт проведения лабораторных работ с использованием стендов Lucas Nulle показал, что они хорошо подходят для проведения лабораторного практикума по микропроцессорной технике. Требуется некоторая доработка методических материалов с целью устранения имеющихся в них недостатков. При необходимости на имеющемся оборудовании могут быть поставлены дополнительные эксперименты и разработаны новые лабораторные работы.
Список литературы
1. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение: учеб. пособие для студентов вузов. 2-е изд. М.: Машиностроение, 2007. 256 с.
2. Чигарев А.В., Циммерманн К., Чигарев В.А. Введение в мехатронику: учеб. пособие для втузов. Минск: Изд-во БНТУ, 2013. 387 с.
3. Рассадкин Ю.И., Синицын А.В. Система команд микропроцессора Intel 8086: метод. указ. к лаб. работам по курсу «Микропроцессорная техника». М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 20 с.
4. Рассадкин Ю.И. Микропроцессорные системы управления: метод. указания к лаб. раб. по курсу «Микропроцессорные системы управления». Ч.1. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1989. 25 с.
