Abstract: The relevance of studying microcontrollers and the use of microcontroller systems in a wide variety of technical fields and socio-cultural spheres of human life is shown. A reconfigurable board based on the Atmega 16 microcontroller is presented in the context of the educational process. The functionality of debug board analogs was analyzed. The feasibility and capabilities of the debug board are shown. The board has a modular structure, contains a large number of functional modules for developing systems of varying complexity and allows connection of missing functionality. Various functional modules are located on the same board as the microcontroller and are used for input, output, processing, storage, display of data and support of internal peripherals. It is now possible to select the required functional module on the board and connect it to the microcontroller pins using jumpers. Additional external modules are provided, connected to a special connector on the base board: Ethernet, JTAG and programmer. External peripheral devices of varying complexity that are not on the board can be connected to the microcontroller ports. Thanks to the modular structure and the abundance of functional modules contained on it, the board allows not only to expand the range of knowledge of students, but also to solve serious technical problems.
Keywords: microcontroller, microcontroller system, debugging board, program, peripheral modules educational process
- Введение
Современные цифровые устройства, разработанные на базе микроконтроллера (МК), находят широкое применение в самых различных областях техники и социально-культурных сферах. Подобные устройства состоят из двух основных компонентов – аппаратной части и управляющей программы. Возможность легко изменять программное обеспечение позволяет адаптировать алгоритмы управления без необходимости модификации аппаратной части.
Так как в условиях быстрого развития технологий сложно найти сферу деятельности, в которой не использовались бы системы на базе МК, возрастают требования к квалификации специалистов в области автоматизированных и вычислительных систем. Для того чтобы соответствовать современным требованиям, будущие специалисты ещё на стадии обучения должны получить как глубокие теоретические знания, так и практические умения и навыки работы с микроконтроллерной техникой. Такой подход позволит эффективно решать сложные технические задачи и вносить значимый вклад в развитие технологий.
В условиях дефицита времени, выделяемого на проведение лабораторных и практических занятий, желательно иметь в учебном процессе реконфигурируемые платы, содержащие разнообразные периферийные модули. В связи с этим предлагается новая платформа в виде перенастраиваемой платы на базе МК Atmega16, которая обладает большим набором возможностей.
- Методики и аппаратные средства
Преподавание основ микроконтроллерных систем должно осуществляться таким образом, чтобы подготовленный специалист мог легко адаптироваться к сфере своей будущей деятельности и остаться в этой сфере надолго. Необходима фундаментальность образования, несмотря на быстроизменяющуюся предметную область, т.е. нужны базовые знания, устойчивые к тенденциям развития семейств микроконтроллеров.
На первых этапах студентам дают знания особенностей архитектурной реализации МК, принципов функционирования процессорного ядра, знакомят с библиотекой внутренних периферийных устройств. Целесообразно изложить общие подходы и методы работы с внутренними подсистемами МК.
На втором этапе обучения на основе полученных знаний изучается конкретная модель МК. Если идет речь о подготовке специалистов по заказу предприятия, то выбор такой модели очевиден. В случае подготовки специалистов широкого профиля выбирают МК, являющийся лидером микроконтроллерной отрасли, для которого имеется достаточная экспериментальная база для проведения лабораторного практикума. Очень важно на этом этапе закрепить полученные знания и развить практические навыки разработки микроконтроллерных систем.
На третьем этапе рассматриваются вопросы единства разработки аппаратного и программного обеспечения микроконтроллерных систем (МК-систем). Изучаются методы и средства проектирования, отладки и диагностирования МК-систем.
На заключительном этапе теоретической подготовки студентов знакомят с типовыми задачами из области применения и построения МК-систем. Для успешного прохождения этого этапа желательно иметь широкий набор внешних периферийных модулей, часто использующийся в различных информационных и управляющих системах.
На данный момент существует немало самодостаточных плат, предназначенных для программирования МК. На таких платах можно научиться программированию, но, как правило, не все они имеют богатый набор инструментария для знакомства с внешней периферией.
Большинство из плат, представленных на рынке микропроцессорных средств, являются продуктом иностранного производства. Многие из них – достаточно дорогостоящие и сложные. В качестве примера можно выделить EasyAVR v7, представленную в работе [1], а также плату EasyPIC v7 [2].
Можно выделить платы, которые дают большой размах для фантазии, так как на них можно добавлять множество плат расширения, создавая при это многоэтажную конструкцию и тем самым расширяя возможности МК. В качестве примера можно выделить линейку Arduino. Ее самые известные представители: Arduino Uno [3], Arduino Mega 2560 R3 [4], а также Arduino Nano Every [5]. Кроме того, можно выделить отладочные платы, которые были созданы под влиянием семейства Arduino: NUCLEO-F401RE [6], MSP430 LaunchPad [7], Teensy [8], а также широко используемые платы серии Discovery [9].
В качества недостатка использования перечисленных плат можно отметить износ контактов. Также при работе с этими МК-системами необходимо иметь в наличии множество плат расширения, а в отдельных случаях производить монтаж. В рамках ограниченного времени, выделяемого на лабораторные и практические работы, преподаватель при использовании таких плат тратит достаточно много времени на нахождение ошибок практикующихся и контроль технических средств (невидимых обрывов проводов, расшатанных колодок портов, некорректно функционирующих микросхем и др.). Данное обстоятельство не способствует оттачиванию теоретических знаний и практических навыков обучающихся.
Также можно выделить менее распространенные отладочные платы, созданные радиолюбителями для радиолюбителей. Эти платы имеют минимальную обвязку MK, а также макетную область под пайку. К достоинствам таких плат можно выделить возможность самостоятельно разработать и проверить электронный узел. Недостатком же будет ограниченное количество этих узлов, так как отверстия заливаются припоем. В пример можно привести отладочные комплекты компании LDM-Systems [10].
На практике, для обучения студентов, хорошо было бы иметь и достаточно несложные, в плане монтажа, отладочные платы, которые позволят получить навыки самого монтажа, и платы, дающие возможность реализовывать сложные алгоритмы работы МК, исключая процесс трудоемкого навесного монтажа и последующую его наладку. И теми и другими свойствами обладает перенастраиваемая отладочная плата.
- Результаты
Представляемая отладочная плата является усовершенствованным аналогом предшествующих разработок, представленных в работах [10], [11]. Основное ее достоинство, по сравнению с предыдущими версиями, – более удобное для пользователя расположение функциональных модулей.
В качестве «мозга» системы используется широко распространённый МК фирмы ATMEL семейства AVR Atmega 16. Плата имеет модульную структуру, содержит большое количество функциональных модулей для разработки систем различной сложности и допускает подключение отсутствующего функционала;
Разнообразные функциональные модули расположены на одной плате с МК и используются для ввода, вывода, обработки, хранения, отображения данных и поддержки внутренней периферии. Реализована возможность выбора необходимого модуля и подключения его к выводам МК при помощи перемычек. Предусмотрены дополнительные внешние модули, подключаемые к специальному разъему платы – Ethernet, JTAG и программатор.
Для ввода данных на плате предусмотрены три функциональных устройства – клавиатура размерностью 4х4, восьмиразрядный тумблерный регистр и подсистемы внешних прерываний. Блок клавиатуры реализован на 16 тактовых кнопках KLS7-TS6601, подключенных к МК через параллельно-последовательные сдвиговые регистры 74HC165. Тумблерный регистр представляет собой восемь движковых переключателей SS12F20G3-G, имеющих два устойчивых состояния 0 и 1. Каждый тумблер подключён к своему биту порта А и предназначен для ручного ввода значений в порт А. Подсистема внешних прерываний состоит из четырех тактовых угловых кнопок, подключаемых к МК через схему подавления дребезга контактов К561ЛП2.
Подсистема вывода данных представлена на плате тремя функциональными устройствами, которые предназначены для вывода данных из МК и их визуализацию: LCD дисплеем Nokia 5110, который подключен через преобразователь логических уровней, собранный на микросхеме SN74LVC7T245; динамической индикацией, реализованной на двух четырехразрядных семисегментных индикаторах FYQ-3641AS-41, подключенных к МК через сдвиговые регистры SN74HC595, для уменьшения количества выводов МК необходимых для управления этими индикаторами; светодиодным столбом, показывающим состояние каждого бита порта А и однотональным динамиком, предназначенным для генерации звуковых сигналов.
Подсистема хранения информации состоит из двух функциональных устройств – энергонезависимой памяти EEPROM и памяти на базе карты MicroSD. Внешняя EEPROM представлена микросхемой 24С16, имеет объем 2 Кб, передача данных осуществляется с помощью интерфейса I2C. Управление картой памяти MicroSD осуществляется при помощи интерфейса SPI.
Для связи МК с компьютером используется преобразователь USB-UART на основе микросхемы CH340N. На базе такого функционала можно разрабатывать различные системы дистанционного управления оборудованием. Также на плате имеется модуль для поддержки АЦП, предназначенный для создания опорного напряжения, поступающего на вывод VREF МК, и последующей работы с ним. Реализована возможность работы с датчиком температуры DS18B20 в диапазоне от -55 до + 125 градусов по Цельсию.
Кроме того, к портам МК достаточно легко подключать отсутствующие на плате внешние периферийные устройства различной сложности, и выбирать их для организации обмена данными с помощью дешифратора. Благодаря таким возможностям можно моделировать различные достаточно сложные узлы автоматизированных систем управления и исследовать их.
Для прошивки МК используется внутрисхемный программатор USBASP, разработанный на МК Atmega8, и в своей работе использующий библиотеку V-USB для подключения к компьютеру по USB и аппаратный SPI для прошивки почти всех AVR MK.
- Заключение
На основе проведенного анализа и возможностей представленной платы можно сделать вывод о перспективном использовании перенастраиваемых плат в рамках учебного процесса в технических заведениях высшего и среднего специального образования.
На плате имеется все необходимое для разработки прототипа управляющей системы: 2х16 LCD-дисплей; восьмиразрядный тумблерный регистр; подсистема внешних прерываний; блок динамической индикации на базе восьмисегментных индикаторов; светодиодный столб; однотональный динамик; клавиатура 4х4; датчик температуры; внешние модули Ethernet, JTAG, программатор; подсистема хранения информации, состоящая из энергонезависимой памяти EEPROM и памяти на базе карты MicroSD; преобразователи уровней между последовательным портом UART МК и COM-портом компьютера. Пользователь может выбрать необходимые для проекта функциональные модули и разрабатывать на их базе управляющую программу. При этом исключается сложный монтаж, связанные с ним ошибки, и преподавателю проще оказывать помощь обучающемуся в разработке проекта. При необходимости можно поставить задачи, связанные с монтажом управляющей системы.
Данная платформа, благодаря модульной структуре и обилию расположенных на плате функциональных модулей, позволяет не только расширить спектр знаний обучающихся, но и решать серьезные технические задачи, а также способствовать исследовательской деятельности и реализации творческого потенциала будущих специалистов. В конечном итоге выпускник будет профессионально подготовлен.
References
1. Шилин А. Н., Шилин А.А., Сницарук Д.Г. Программирование микроконтроллеров измерительных приборов. Волгоград : Волгоградский государственный технический университет. – 2018. – 108 с.2. Есмаханова Л. Н., Темиргалиев Т. К., Темиргалиев А.Т. Отладочная плата химико-технологических процессов на базе микроконтроллеров PIC для экспериментов с промышленными устройствами // Механика и технологии. – 2020. – № 3(69). – С. 197-202.
3. Навурбиев Г. Ш., Мишин А.А. Плата Arduino UNO, описание, характеристика, сфера применения и различия их от аналогов // Поколение будущего: Взгляд молодых ученых. – 2019. – Сборник научных статей 8-й Международной молодежной научной конференции. Курск, 13–14 ноября 2019 года. Курск: Юго-Западный государственный университет. – 2019. – Т. 3 – С. 341-344.
4. Бубнов В. П., Бараусов В. А., Забузов В. С., Султонов Ш. Х. Испытательный стенд, результаты проведения испытаний датчика обледенения // Автоматика на транспорте. – 2022. – Т. 8, № 3 – С. 276-286.
5. Варов А. А., Кудрявцев А. А. Система мобильного управления умным домом // Актуальные вопросы преподавания математики, информатики и информационных технологий. – 2020. – № 5. – С. 212-218.
6. Тюрин С. Ф., Ковыляев Д. А., Данилова Е. Ю., Городилов А. Ю. Изучение программирования микроконтроллеров в САПР Proteus // Пермь: Вестник Пермского университета. Математика. Механика. Информатика. – 2021. – № 2(53). – С. 69-74.
7. Рашевский Р. Б., Гурко В. А., Полшков А. В. Пульт оповещения оператора системы видеонаблюдения на базе микроконтроллера MSP430 // Вестник современной науки. – 2015. – № 7-1(7). – С. 58-62.
8. Демидов Я. А., Микаева С. А., Журавлева Ю. А. Принципы построения схемотехники микроконтроллера Teensy // Наукосфера. – 2023. – № 6-2. – С. 100-103.
9. Алексеевский П. И. Обучение студентов программированию с использованием отладочных комплектов STM32 Discovery // Педогогическое образование в России. – 2018. –№ 8. – С.12-16.
10. Ермошин Н. Оценочные и отладочные комплекты компании LDM-Systems на базе ПЛИС Altera // Компоненты и технологии. – 2011. – № 7(120). – С. 120-122.
11. Alexandrov A. O., Vdovin D. A., Petrukhnova G. V., Prutkova S. A, Training stand with a variable structure for studying microcontrollers / A. O. Alexandrov, // Физика. Технологии. Инновации. Тезисы докладов V Международной молодежной научной конференции памяти Почетного профессора УрФУ В. С. Кортова: УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина. – Екатеринбург: Физико-технологический институт/ - 2018. – С. 16-17.
12. Вдовин Д. А., Александров А. О., Петрухнова Г. В. Структура аппаратной платформы для моделирования микроконтроллерных систем / Научная опора Воронежской области: Сборник трудов победителей конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов ВГТУ по приоритетным направлениям развития науки и технологий. Воронеж, – 2018. – С. 271-273.
13. Datasheet на микроконтроллер ATmega16. – Режим доступа: https://www.rhydolabz.com/documents/ (дата обращения: 25.06.2025).