Методическая разработка «Введение в проектирование цифровых систем. Светодиодное дизайн-моделирование»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ТВЕРСКОЙ ОБЛАСТИ

ГБПОУ «РЖЕВСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

Методическая разработка

«Введение в проектирование цифровых систем.

 Светодиодное дизайн-моделирование»

                               Автор:

                       Петрова Алла Николаевна,

                   преподаватель специальных дисциплин

                      ГБПОУ «Ржевский колледж»

Ржев-2015  

Пояснительная записка

При проектировании и изготовлении цифровых устройств специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы», основной трудностью является проведение лабораторно-практических работ (200 и более часов), на которых студенты данной специальности должны не только уметь проектировать устройства в различных САПР-средах, например, в среде IsisProteus, в среде Visual-studio, но и получить практические навыки:

·        пайки/распайки печатных плат;

·        самостоятельного выбора микроконтроллера для определенного функционального назначения;

·        подключения различных устройств (датчиков, шаговых двигателей и др.) к микроконтроллеру;

·        программирования микроконтроллеров;

·        проектирования устройств на микросхемах с различной степенью интеграции;

·        самостоятельного выбора микросхем.

Для проведения таких лабораторно-практических занятий необходимы электронные компоненты в качестве раздаточного материала, соответствующие инструменты, стенды (возможно).  Но самое главное – это провести занятия таким образом, чтобы работа на них для студентов была интересной и увлекательной.

Все это может привести в замешательство молодых преподавателей. В данной методической разработке приведен трехлетний опыт светодиодного дизайн-моделирования как альтернатива введению в проектирование цифровых систем.

Данная методическая разработка предназначена для преподавателей схемотехнических дисциплин и дисциплин по проектированию и разработке цифровых систем.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИХ

ЗАНЯТИЙ

Лабораторно-практические занятия проводятся поэтапно:

·        Интернет-поиск электронных схем для проектирования и разработки;

·        Выбор микроконтроллера при необходимости;

·        Распределение схем по подгруппам (учебная группа разбивается на подгруппы 2-3-5 студентов в зависимости от сложности электронной схемы);

·        Анализ схемы в каждой подгруппе;

·        Проведение исследовательской работы при необходимости;

·        Поиск решения по мере появления проблем при работе с электронными схемами

При выборе микроконтроллера для проведения лабораторно-практических занятий предпочтение было отдано недорогому микроконтроллеруAttiny 2313 в DIP-корпусе, технические характеристики которого приведены в приложении А [стр. 12,2]. Основным литературным источником для первоначального создания проектов в среде IsisProteus рекомендуется хорошее практическое пособие замечательного автора: Белов А.В. Создаем устройства на микроконтроллерах (2007).djvu (многое и многими, что сейчас можно увидеть на страницах интернета, взято именно у этого автора). Одной из профессиональной компетенцией техника по компьютерным системам и комплексам является программирование микроконтроллеров на языке Ассемблер. В пособии автора Белова А.В. примеры проектов с подробным объяснением оформлены на двух языках:

·        на языке Ассемблер;

·        на языке С++  для AVR-микроконтроллеров.

Это дает возможность студентам не только глубже ознакомиться  с языком Ассемблер, но и приобрести практические навыки программирования задач на языке С++ для AVR. В дальнейшем, источником для новых проектов – фантазия, интерес и вдохновение преподавателя и студентов.

Практический результат трехлетнего (шаг за шагом) опыта метода проектов (светодиодного дизайн-моделирования – САПР IsisProteus,программирование на языке С++) приведено в таблице 1:

Таблица 1. Фото и наименования проектов

Фото и наименование проекта	Схема, исполнители		Примечание
Проект «Роза для ночного светильника»	Кириченко Илья, Бросалин Михаил, 3 курс		«…немного фантазии и простая “мигалка” (мультивибратор) на шести светодиодах превращается в светодиодный ночник» (примеч. автора)
Проект «Курильщик»	Орлов Владимир, Косарева Анастасия, 3 курс		Проект-плакат. Иллюстрирует вред для легких при каждой затяжке
Проект «Картина с пчелками и цветами»	Занегина Виктория, Кехян Аркадий, 3 курс		Для рассеивания света применяется фольга
Проект «Ветка мимозы»	Голубев Максим, 3 курс		«Сухая выброшенная ветка + светодиоды + микроконтроллер + программа с циклами на С++, немногофантазии и подарок маме к 8 марта готов…»
Проект «Снеговик»	Федотова Анастасия, Фирсов Сергей, 3 курс		Поздравление к Новому Году. Пуговицы у снеговика – RGB светодиоды
Проект «Хрустальная елочка»	Родина Татьяна, Смирнова Дарья, 3 курс		Подставка под елочку – CD-диск (имитация зеркала)
Проект «Светодиодная Валентинка»	Основная часть (бесконечный цикл) while (1) {PORTB=0xFF;       PORTD=0x7F;        if(PIND.0!=0)       { PORTB=0xFF;}       else       {PORTB.0=0;       PORTB=0b11111110;       delay_ms(1000);       PORTB=0b11111000;       delay_ms(1000);       PORTB=0b11100000;       delay_ms(1000);       PORTB=0b10000000;       delay_ms(1000);      (продолжение 1)       PORTB=0b00000000;       PORTD=0b1111100;       delay_ms(1000);       PORTD=0b1110000;       delay_ms(1000);       PORTD=0b1000000;       delay_ms(1000);       PORTB=0xFF;       PORTD=0x7F;       delay_ms(1000);       PORTB.0=0;       PORTD=0b1001110;       delay_ms(1000); Смирнова Елена, 3 курс
Проект «Туфелька для Золушки»	Виноградова Евгения, Никкель Анастасия, Чернова Наталья, 3 курс	Подарочную туфельку-сувенир для колец, как видим, тоже можно “оживить”…
Проект «Музыкальная шкатулка» (дипломная работа)		Проектно-исследователькая работа  применением электронных схем разной степени интеграции

Заключение:

Лабораторно-практические занятия по светодиодному дизайн-моделированию показали следующие результаты:

·        занятия проходят увлеченно, с большим интересом;

·        позволяют преподавателю дифференцированно подойти к каждому студенту в каждой подгруппе;

·        позволяют студентам приобрести качественные навыки согласно требуемым общим и профессиональным компетенциям

Свои работы студенты защищают на мастер-классах, придумывая разные сценарии и разыгрывая замечательные спектакли…

Создавая видеоролики к своим мастер-классам, студенты приобретают интерес к своей специальности.

Литература:

1.     ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ по специальности 230113 Компьютерные системы и комплексы от 23.06.2010

2.     Белов А. В., Микроконтроллеры AVR  в радиолюбительской практике. — СПб.: Наука и Техника, 2007.

Приложение А

Структура, основные характеристики и возможности микросхемы ATtiny 2313

Микросхема ATtiny 2313 представляет собой восьмиразрядный микроконтроллер с внутренней программируемой Flash-памятью размером 2 Кбайт.

Общие сведения:

·        использует AVRRISC архитектуру;

·        AVR–это высокое быстродействие и специальная RISC-архитектура с низким потреблением;

·        120 мощных инструкций, большинство из которых выполняется за один машинный цикл;

·        32 восьмиразрядных регистра общего назначения;

·        полностью статическая организация (минимальная частота может быть равна 0);

·        до 20 миллионов операций в секунду (MIPS/Sec) при тактовой частоте 20 МГц.

Сохранение программ и данных при выключенном питании:

·        Кбайт встроенной программируемой Flash-памяти, до 10000 циклов записи/стирания;

·        128 байт встроенной программируемой энергонезависимой памяти данных (EEPROM);

·        до 10000 циклов записи/стирания;

·        128 байт внутреннего ОЗУ (SRAM);

·        программируемые биты защиты от чтения и записи программной памяти и EEPROM.

Периферийные устройства:

·        один 8-разрядный таймер/счётчик с программируемым определителем и режимом совпадения;

·        один 16-разрядный таймер/счетчик с программируемым определителем, режимом совпадения и режимом захвата;

·        четыре канала ШИМ (PWM);

·        встроенный аналоговый компаратор;

·        программируемый сторожевой таймер и встроенный тактовый генератор;

·        универсальный последовательный интерфейс USI (Universal Serial Interface);

·        полнодуплексный USART.

Особенности микроконтроллера:

·        специальный вход debug WIRE для управления встроенной системой отладки;

·        внутрисистемный программируемый последовательный интерфейс SPI;

·        поддержка как внешних, так и внутренних источников прерываний;

·        три режима низкого потребления (Idle, Power-downи Standby);

·        встроенная система аппаратного сброса при включении питания;

·        внутренний перестраиваемый тактовый генератор;

·        цепи ввода-вывода и корпус;

·        18 программируемых линий ввода-вывода;

·        три вида корпусов;

·        PDIP– 20 контактов;

·        SOIC – 20 контактов;

·        QFN/MLF – 20 контактных площадок.

Напряжения питания:

·        1,8 – 5,5 В (для ATtiny2313V);

·        2,7 – 5,5 В (для ATtiny2313).

Диапазон частот тактового генератора ATtiny2313V:

·        0-4 МГц при напряжении 1,8-5,5 В;

·        0–10 МГц при напряжении 2,7-5,5 В.

Диапазон частот тактового генератора ATtiny2313:

·        0-10МГц при напряжении 2,7-5,5 В;

·        0–20 МГц при напряжении 4,5-5,5 В.

Ток потребления в активном режиме:

·        1 МГц, 1,8 В: 230 мкА;

·        32 кГц, 1,8 В: 20 мкА (с внутренним генератором).

Ток потребления в режиме низкого потребления:

·        не более 0,1 мкА при напряжении 1,8 В.

Ядро AVR имеет большой набор инструкции для работы с 32 регистрами общего назначения. Все 32 регистра непосредственно связаны арифметико-логическим устройством (ALU), которое позволяет выполнять команду для двух разных регистров за один такт системного генератора. Такая архитектура позволила достигнуть производительности в десять раз большей, чем у традиционных микроконтроллеров, построенных по CISC-технологии

Назначение выводов микросхемы ATtiny2313:

 Особенности микросхемы ATtiny2313

·        Микросхема ATtiny2313 имеет следующие особенности:

·        Кбайт системной программируемой Flash-памяти программ;

·        128 байт EEPROM;

·        128 байт SRAM (ОЗУ);

·        18 линий ввода-вывода (I/O);

·        32 рабочих регистра;

·         однопроводной интерфейс для внутрисхемной отладки;

·        два многофункциональных таймера/счетчика с функцией совпадения;

·        поддержка внешних и внутренних прерываний;

·        последовательный программируемый USART-порт;

Блок-схема микроконтроллера ATtiny2313:

·        универсальный последовательный интерфейс с детектором начала передачи;

·        программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором;

·        три программно изменяемых режима энергосбережения.

В режиме Idle происходит приостановка центрального процессора, остальные системы продолжают работать. Выход из этого режима возможен как по внешнему прерыванию, так и по внутреннему. Например, при переполнении таймера.

В режиме PowerDown сохраняется содержимое регистров, но приостанавливается работа внутреннего генератора и отключаются все остальные функции микросхемы. Выход из режима возможен по внешнему прерыванию или после системного сброса. Такое решение позволяет совмещать быстрый старт с низким энергопотреблением.

Микросхема изготовлена с использованием уникальной высокочастотной технологии фирмы Atmel. Внутренняя Flash-память программ может быть перепрограммирована при помощи ISP-интерфейса без извлечения микроконтроллера из платы. Объединение 8-разрядного RISC-процессора внутрисистемной перепрограммируемой Flash-памятью на одном кристалле делают микросхему ATtiny2313 мощным средством, которое обеспечивает очень гибкие и недорогие решения многих прикладных задач управления.

 Центральное ядро процессора

Главная функция центрального ядра процессора – управление процессом выполнения программ. Для этого центральный процессор должен иметь непосредственный доступ к памяти, должен быть способен производить все виды вычислений и выполнять запросы на прерывания.

Рассмотрим общие вопросы архитектуры AVR.

Краткая характеристика архитектуры

Чтобы максимально ускорить работу и сделать возможным параллельное выполнение нескольких операций, микроконтроллеры AVR используют Гавардскую архитектуру.

Блок-схема микроконтроллера ATtiny2313

Такая архитектура предусматривает отдельную память и отдельную шину адреса как для программы, так и для данных.

Каждая команда из пяти программ выполняются за один машинный цикл с использованием многоуровневой конвейерной обработки. В тот момент, когда очередная команда выполняется, следующая команда считывается из программной памяти. Такая концепция позволяет выполнять по одной команде за один такт системного генератора. Программный сегмент памяти физически представляет собой встроенную перепрограммируемую Flash-память.

Файл регистров быстрого доступа содержит 32 восьмиразрядных регистра общего назначения, доступ к которым осуществляется за один такт системного генератора. Это позволяет арифметико-логическому устройству (ОЛУ) осуществлять большинство своих операций за один такт.

Типичная операция АЛУ выполняется следующим образом: из регистрового файла читаются два операнда, выполняется операция. Результат сохранения опять же в файле регистров. Все эти три действия выполняются за один цикл тактового генератора.

Шесть из этих 32 регистраторов могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя косвенной адресации. Эти сдвоенные регистры могут использоваться для адресации данных в адресном пространстве ОЗУ. Такая организация даёт возможность программного вычисления адреса.

Один из этих регистров-указателей может также использоваться в качестве указателя адреса данных, размещённых в памяти программ (Flash-памяти). Эти дополнительные составные 16-разрядные регистры именуются X, Yи Z.

АЛУ поддерживает арифметические и логические операции между двумя регистраторами или между константой и регистратором. В АЛУ также могут выполняться операции с отдельными регистраторами. После каждой арифметической операции обновляется регистр статуса для того, чтобы отразить информацию о её результате.

Последовательность выполнения программы может быть изменена командами условного и безусловного перехода, а также командой вызова подпрограммы, в которых используется непосредственная адресация.

Большинство инструкций AVRпредставляет собой одно 16-разрядное слово. Каждый адрес памяти программы содержит 16-битовую инструкцию или половину 32-разрядной инструкции.

При выполнении процедуры обработки прерывания или подпрограммы текущее значение счётчика команд (PC)сохраняется в стеке.

Стек фактически размещён в одном адресном пространстве с памятью данных SRAM (ОЗУ) и, следовательно, размер стека ограничен только размером SRAM и тем, какую часть SRAM использует остальная программа.

Программа пользователя обязательно должна инициализировать указатель стека (SP)сразу после сброса (прежде, чем будет выполнена подпрограмма или будет вызвано прерывание). Указатель стека (SP) имеет свой конкретный адрес в пространстве регистров ввода-вывода. К данным в ОЗУ (SRAM) можно получить доступ, используя память различных способов адресации, поддержанных архитектурой AVR.

Адресное пространство всех видов памяти в архитектуре AVR являются регулярным линейным. Гибкий модуль прерываний имеет ряд регистраторов управления в адресном пространстве регистров ввода-вывода и дополнительный флаг глобального разрешения прерываний в регистре статуса.

Каждый вид прерывания имеет свой отдельный вектор в таблице векторов прерываний. Прерывания имеют приоритет в соответствии с их положением в таблице векторов прерываний. Чем ниже адрес вектора прерывания, тем выше приоритет.

Пространство регистров ввода-вывода содержит 64 адреса для регистров управления периферийными устройствами, регистров управления режимами работы процессора и другими функциями ввода/вывода. К любому регистру ввода-вывода можно получить доступ непосредственно по его номеру или как к ячейке памяти данных. В адресном пространстве памяти данных регистры ввода-вывода располагаются сразу после файла регистров общего назначения (0x20 – 0x5F).

Характеристики микроконтроллера ATtiny2313

EEPROM	1 Кб
Аналоговые входы (АЦП)	0
Входное напряжение (предельное)	5,5 Вольт
Входное напряжение (рекомендуемое)	4,5-5 Вольт
ОЗУ	128 байт
Тактовая частота	20 МГц
Flash-память	2кБ

Микроконтроллер ATtiny2313 имеет один порт разрядностью 8 бит и один порт разрядностью 7 бит. Модуль для работы по протоколу USART. На нем можно отлично отработать навыки по разработке программ для микроконтроллеров.

 Цоколевка корпуса