Разработка баз данных и программного обеспечения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Аннотация

Введение

1. Анализ технического задания

2. Библиографическая проработка темы дипломной работы

3. Методическая часть дипломной работы

3.1 Разработка методического обеспечения комплекса

3.2 Методическое обеспечение комплекса для выполнения лабораторных и практических работ по дисциплине «Разработка баз данных и программного обеспечения »

3.3 Методическое обеспечение комплекса для выполнения лабораторных и практических работ по дисциплине «Применение микропроцессоров»

4. Техническая часть дипломной работы

4.1 Аппаратное (техническое) обеспечение комплекса

4.2 Разработка и описание структурной схемы комплекса.

4.3 Разработка и описание структурной схемы макетной платы комплекса

4.4 Разработка и описание электрической принципиальной схемы макетной платы комплекса

5. Программная часть дипломной работы

5.1 Средства программирования AVR Studio4

5.2 Программное средство Pony Prog2000

6. Экспериментальная часть

7. Технико-экономическое обоснование дипломной работы

7.1 Определение трудоемкости выполнения исследовательской работы

7.2 Построение сетевого графика выполнения исследовательской работы

7.3 Определение плановой себестоимости проведения исследовательской работы

7.4 Определение прибыли и договорной цены исследовательской работы

8. Вопросы экологии, охраны труда и техники безопасности

8.1 Безопасность труда при обслуживании стенда

Заключение

Литература

Аннотация

Дипломная работа посвящена разработке учебно-лабораторного комплекса для проведения лабораторных и практических занятий по дисциплинам: «Разработка баз данных и программного обеспечения» и «Применение микропроцессоров».

Пояснительная записка дипломной работы включает в себя следующие пункты и разделы:

В разделе анализа технического задания, уточняются и описываются пункты дипломной работы.

Библиографическая проработка темы дипломной работы, посвящена поиску существующих аналогов УЛК, и выявлению их преимуществ и недостатков.

Методическая часть дипломной работы, посвящена разработке методик для выполнения лабораторных работ

В технической части дипломной работы рассмотрены технические средства, необходимые для выполнения лабораторных работ.

В программной части дипломной работы описаны программные средства необходимые для выполнения лабораторных работ.

Экспериментальная часть посвящена измерению параметров и характеристик УЛК на предмет соответствия основным требованиям технического задания и существующих стандартов, а также разработке индивидуальных заданий.

Технико-экономическое обоснование дипломной работы, посвящена следующим вопросам: определение трудоемкости выполнения исследовательской работы, построение сетевого графика выполнения исследовательской работы, определение плановой себестоимости проведения исследовательской работы, определение прибыли и договорной цены исследовательской работы.

В разделе по вопросам экологии, охраны труда и техники безопасности, рассматриваются вопросы техники безопасности труда при обслуживании стенда, пожарная безопасность в лаборатории, техника безопасности при работе на компьютере и микроЭВМ, правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ.

микропроцессорный программный макетный плата

Введение

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно - технического прогресса.

В обширной номенклатуре изделий электронной техники особое место занимает семейство программируемых микросхем. Их ускоренное развитие в настоящее время символизирует прогресс в микроэлектронике, которая является катализатором научно - технического прогресса в современном мире.

Возрастающий круг научно - технических работников сталкивается в своей практической деятельности с вопросами применения запоминающих и логических программируемых микросхем. Их использование в радиоэлектронной аппаратуре позволяет резко сократить сроки ее разработки и промышленного освоения; поднять на новый уровень технические характеристики.

Технической базой «интеллектуализации» приборных комплексов является интеграция в них микропроцессоров (МП), программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), приборов типа «система на кристалле» (System-On-Chip - SOC) и других современных цифровых устройств. Подобная интеграция позволяет автоматизировать процессы измерения, управления, контроля, регулирования и обработки информации, а также обеспечить такие свойства приборных комплексов, как многофункциональность, модифицируемость, адаптивность, обучаемость и ряд других.

В силу большой гибкости и широких функциональных возможностей для решения указанных задач наиболее часто применяются различные микропроцессоры. В отличие от персональных компьютеров, вычислительным ядром которых служат универсальные высокопроизводительные микропроцессоры, для интеграции в приборные комплексы используются специализированные встраиваемые микропроцессоры.

Среди специализированных микропроцессоров выделяются два важнейших класса - цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС) и управляющие микропроцессоры - микроконтроллеры (МК). Цифровые процессоры обработки сигналов представляют собой устройства, предназначенные для реализации методов цифровой обработки сигналов. Основное назначение микроконтроллеров состоит в построении управляющих устройств (контроллеров). Благодаря эффективному сочетанию технических характеристик и низкой стоимости микроконтроллеры получили широкое распространение в различных сферах - от бытовой техники до бортового оборудования летательных аппаратов.

Как известно, наиболее трудоёмким и ответственным этапом проектирования микропроцессорной системы является разработка программного обеспечения (ПО). Процесс разработки ПО для встраиваемых микропроцессоров в значительной степени отличается от процесса разработки программного обеспечения для персональных компьютеров.

Целью дипломной является изучение основ микропроцессорной техники, принципов построения, функциональных возможностей, и архитектурных решений современных микропроцессорных систем (МПС), микроконтроллеров (МК), микропроцессоров (МП), получение навыков разработки программ для МП и МК.

Работа направлена на изучение основных принципов построения и программирования, цифровых систем управления и обработки данных и является частью учебно-методических разработок по дисциплинам: «Разработка баз данных и программного обеспечения» и «Применение микропроцессоров».

Для заметного улучшения динамики роста образовательного процесса и повышения его качества научно-обоснованы методы и технические средства обучения. Поэтому задачи, связанные с внедрением в учебный процесс инновационных технологий, сегодня отнесены к разряду первостепенных и заслуживают особого внимания.

В этой связи тема дипломной работы, посвященная разработке учебно-лабораторного комплекса для выполнения лабораторных и практических работ по дисциплинам: «Разработка баз данных и программного обеспечения» и «Применение микропроцессоров» является актуальной и своевременной.

1. Анализ технического задания

Согласно технического задания необходимо разработать учебно-лабораторный комплекс для проведения лабораторных и практических занятий по дисциплинам: «Разработка баз данных и программного обеспечения» и «Применение микропроцессоров»

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие пункты:

1. Библиографическая проработка темы дипломной работы.

В данном пункте дипломной работы проводится поиск существующих аналогов учебно-лабораторных комплексов для проведения лабораторных и практических работ по дисциплинам схемотехнического профиля. Среди найденных средств для проведения лабораторных работ выявляются наиболее оптимальные для оценки и выявления качеств, которыми должен обладать разрабатываемый мной комплекс. Для этого необходимо более детально изучить данные работы с целью выявления не только их преимуществ, но и недостатков данных работ. Которые не должны иметь место в разрабатываемом учебно-лабораторном комплексе.

2. Методическая часть дипломной работы.

Эта часть дипломной работы содержит общие методики выполнения лабораторных работ схемотехнического профиля, а также каждой конкретной работы приведенной в практикуме. Кроме того здесь приведены краткие теоретические сведения по всем темам лабораторных и практических работ.

3. Техническая часть дипломной работы.

В техническую часть входят средства с помощью которых возможно наглядное демонстрирование работы комплекса. Это такие средства как макетная плата, ПК, а также измерительные приборы. Необходимо также привести структурную схему учебно-лабораторного комплекса, структурную и электрическую схемы макетной платы УЛК.

4. Программная часть дипломной работы.

Здесь рассказывается о программных средах, используемых в дипломной работе. Это такие программное средства как PonyProg2000, AVR Studio4, Multisim9, VIPer Design Software2.3. Описаны основные панели инструментов программных сред, предназначенные для программирования и моделирования.

5. Экспериментальная часть.

Экспериментальная часть содержит тестовые примеры, индивидуальные задания и алгоритм их выполнения.

6. Технико-экономическое обоснование дипломной работы.

Экономическая сторона разработки комплекса включает в себя: определение трудоемкости выполнения исследовательской работы, построение сетевого графика выполнения исследовательской работы, определение плановой себестоимости проведения исследовательской работы, определение прибыли и договорной цены исследовательской работы.

7. Вопросы экологии, охраны труда и техники безопасности.

Приводятся основные пункты техники безопасности труда при обслуживании стенда: общие условия безопасности в лаборатории, пожарная безопасность, меры безопасности при проведении лабораторных работ. А также техника безопасности при работе на компьютере и микроЭВМ, встроенных в системы числового программного управления.

2. Библиографическая проработка темы дипломной работы

Исследуемой теме дипломной работы просвещён ряд работ отечественных и зарубежных авторов [1ч12] . Среди этих работ особый интерес с точки зрения проектирования учебно-лабораторного комплекса представляют работы [1,3,6,7]

В работе [1] изучается проектирование микропроцессорных систем на базе микроконтроллеров AVRфирмы Atmel. Он состоит из 9 лабораторных работ в которых раскрывается принцип действия микроконтроллеров данной серии. Данный практикум дает навыки работы с микропроцессорными системами.

Лабораторные работы познакомят Вас с одним из интересных и активно развиваемых AtmelCorp. направлений современной микроэлектроники - линией 8-разрядных высокопроизводительных RISC (ReducedInstructionSetComputers) микроконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR.

Можно считать, что AVR постепенно становится еще одним индустриальным стандартом среди 8-разрядных микроконтроллеров общего назначения. В настоящее время в производстве у AtmelCorp. находятся три семейства AVR:«tiny», «classic» и «mega».

VisualMicroLab (VMLab) представляет собой программный продукт, позволяющий производить моделирование, тестирование, разработку и отладку программных и технических средств микропроцессорных систем, содержащих микроконтроллеры AVR фирмы Atmel и различные компоненты, в том числе резисторы, конденсаторы, ключи, светодиоды, аналоговые, импульсные и другие генераторы, источники напряжения, операционные усилители и компараторы, логические элементы, 8-разрядные цифроаналоговые преобразователи, интерфейс RS232, LCD модули, I2C интерфейсы и другие устройства. С помощью пакета можно проектировать простейшую мультипроцессорную сеть, состоящую из двух микроконтроллеров (микропроцессорных систем) и проводить их совместное моделирование и тестирование.

Для работы программного комплекса необходим IBM - совместимый компьютер с процессором Pentium 4 и выше. Операционная система WindowsXP и выше.

Эффективность использования пакета VMLab определяется:

? достаточно простым интерфейсом пользователя;

? большим количеством моделей микроконтроллеров и компонентов микропроцессорной системы;

? возможностью разрабатывать программы на языке высокого уровня СИ;

? свободным распространением пакета VMlab (версия 3.12) и транслятора с языка СИ WinAVR.

В работе [3] приводится практикум предназначенный, для изучения студентами, основных принципов построения и программирования, цифровых систем управления и обработки данных и является частью учебно-методических разработок по дисциплинам «Микропроцессорные системы», «Микропроцессорные устройства систем управления», «Микропроцессорные системы управления», «Машинно-ориентированные языки программирования». Приведенные в практикуме лабораторные работы позволят получить практические навыки по разработке аппаратного, алгоритмического и программного обеспечения микроконтроллерных систем управления и обработки данных.

В данном лабораторном практикуме наряду с описаниями лабораторных работ приводятся основные справочные и теоретические положения по теме выполняемой работы или ссылки на соответствующий материал данного учебного пособия, необходимый при подготовке и выполнении работы, а также контрольные вопросы, которые позволяют оценить степень подготовленности к работе.

Все работы проводятся на учебно-лабораторном стенде УЛС-ATmega8535, разработанным автором по единой по схеме «Получение задания Анализ задания Разработка алгоритма решения задачи Разработка и отладка программного обеспечения на отладчике AVR Studio 4 Программирование реальной системы с использованием PonyProg2000Проверка работоспособности и демонстрации реальной системы Составление и защита отчета».

Отличительными особенностями стенда являются:

a. универсальность;

b. возможность подключения различных типов датчиков и исполнительных устройств;

c. возможность использования современных аппаратно-программных средств отладки и программирования микроконтроллеров в реальных условиях;

Преимущество использования учебно-лабораторного стенда в учебном процессе, определяются:

1. Получением дополнительных навыков по работе с различными периферийными устройствами (системами индикации на основе ЖКИ, интерфейсами UART, SPI, IIC и RS-232) и т.д;

2. Возможностью разработки собственных вариантов лабораторных работ.

В работе [6] рассматривается система отладки AVR микроконтроллеров фирмы Atmel. Данное пособие предназначено студентам специальности 210300_68 и 210302_65 - Радиотехника для изучения АVR микроконтроллеров фирмы Atmel в курсе «Информационно-измерительные и управляющие системы.

В работе [7] описывается модуль BM9300, который предназначен для применения в различных системах автоматизации и контроля. Модуль можно использовать в учебных целях для изучения работы микроконтроллеров и программирования. Радиолюбители найдут широкое применение в собственных разработках.

Модуль включает в себя все необходимые узлы для автономной работы или работы в составе комплекта модулей BM93XX, а также в составе систем с реализацией отличной от BM93XX.

Модуль поддерживает работу с большинством часто используемых последовательных интерфейсов, как приборных (для коротких межмодульных связей, таких как I2C, SPI, MicroLan), так и терминальных/сетевых (для удаленных соединений и сетей, например RS485). Это позволяет создавать устройства с многомодульной структурой, легко сопрягать с необходимыми датчиками/исполнительными механизмами. Наличие гальванически развязанного интерфейса RS485 позволяет подключать модуль к сетям с протяженностью до 1200м. Удобной особенностью модуля является наличие гальванически развязанного USB. Это позволяет оперативно, без всяких преобразователей подключать модуль непосредственно к компьютеру.

Одной из главных особенностей модуля является наличие встроенного интерпретатора бейсика. Размещение интерпретатора непосредственно в модуле позволяет обходиться минимальными программно-аппаратными средствами для создания/редактирования/отладки программ. В минимальном варианте необходим терминал с интерфейсом USB. Это может быть как КПК , так и мощный компьютер с любой операционной системой в которой может работать простейшая терминальная программа. Для большего удобства работы с модулем разработаны программа специального терминала, работающая под Windows 98/XP/Vista. Все эти программы, как и примеры программ на BASIC предоставляются бесплатно и доступны на нашем сайте. Другой важной особенностью модуля является применение 16 битного микроконтроллера PIC24FJ64GA004, в котором есть множество узлов которые могут быть полезны пользователю (АЦП, дополнительный UART, ШИМы, счетчики/защелки и т.п.)

Краткие технические характеристики микроконтроллера PIC24FJ64GA004 :

* Разрядность - 16 бит

* Производительность - 16 MIPS

* Память данных пользователя- FRAM 32 Кбайта

* Память программ / данных пользователя FLASH - 2 МБайта

* Терминальный интерфейс - USB с гальванической развязкой

* Сетевой/дальний интерфейс - RS485 с гальванической развязкой

* Локальные аппаратный интерфейс - I2C

*Локальный программный интерфейс - MicroLan(с поддержкой операций поиска)

* Количество линий ввода/вывода кроме I2C - 14

* Из них АЦП 10 бит - 5

* Из них ШИМ 16 бит - 5

* Из них MicroLan - 14(16)

* Нагрузочная способность основных линий ввода-вывода: +-18мА

* Светодиодная индикация: Питание, Прием, Передача

* Питание от постоянного и переменного тока +9…24В DC

* Типичный ток потребления в отсутствие обменов - 65 мА

*Полимерный самовосстанавливающийся предохранитель с ограничителем входного напряжения

* Температурный рабочий диапазон индустриального исполнения -10…+45 град.

* Габариты модуля 76.2*25.4*20 мм.

Состав и функционирование

Модуль можно условно разделить на следующие составные части:

* Узел питания;

* Интерфейсы RS485 и USB;

* Гальваническая развязка;

* Микроконтроллер с дополнительным стабилизатором;

* Внешняя память программ и данных;

* Светодиодная индикация

* Разъемы и джамперы.

Модуль питается от+5В +-10% поступающими от кросса. Интерфейсы RS485 и USB расположены со стороны узла питания на гальванически развязанной от микроконтроллера стороне. Оба интерфейса подключены к одному UART микроконтроллера и поэтому одновременная их работа не имеет смысла. Да и по логике: USB больше подходит для отладки и настройки, а RS485 для работы отлаженной программы в проекте. Поскольку не предусматривалась одновременная работа интерфейсов, гальваническая развязка между ними не реализована, т.е. они имеют общую землю.

Для работы с USB был выбран мост фирмы FTDI FT232R. При подключении к компьютеру через этот мост, модуль будет виден как COM -порт (предварительно необходимо установить соответствующий драйвер). Параметры канала по умолчанию : скорость 115200 бод, 1 стоп бит, без четности, аппаратный контроль. Гальваническая развязка обеспечена между интерфейсной частью заодно с узлом питания и микроконтроллерной частью модуля. Узел гальваноразвязки включает в себя преобразователь питания и информационную развязку. Преобразователь питания передает питание на развязанную сторону. Он может быть установлен двумя способами: для передачи питания микроконтроллеру от узла питания и для передачи питания со стороны микроконтроллера от кросса к интерфейсной части. Информационная развязка выполнена на базе цифровых изоляторов со скоростью передачи до 1 Мбод. Микроконтроллер расположен на стороне кроссового разъема. Для питания микроконтроллера использован дополнительный стабилизатор 3.3В. Линии микроконтроллера, работающие как выходы, могут выдавать потенциалы в диапазоне собственного питания - от 0 до 3.3В, или работать по схеме «открытый сток» с нагрузками подключенными к питанию +5В.

При работе как входы, линии модуля, которые не имеют возможности работать в режиме аналогового входа, толерантны с логическими уровнями 0…5В. Линии, имеющие режим аналогового входа, могут иметь потенциал в диапазоне 0…3.3В

В микроконтроллере есть множество узлов которые могут быть полезны пользователю такие как: АЦП, дополнительный UART, ШИМы, счетчики/защелки и т.п. Основная часть линий микроконтроллера выведена на кроссовый разъем. Все эти линии многофункциональны. Т.е. кроме тривиальной функции входа / выхода, на всех линиях доступны дополнительные функции. Две линии, как и во всех наших модулях, по умолчанию используются как I2C, на этих линиях установлены резисторы подтяжки к +5В. Но при необходимости, можно изменить назначение и этих линий.

BASIC занимает весь объем встроенной FLASH памяти PIC24FJ64GA004. Эта память не доступна пользователю. Внутренняя память данных RAM 8 кбайт тоже занята системой. Внешняя память программ и данных расположена в двух чипах. Эти чипы подключены к отдельной скоростной шине SPI. Поскольку используется аппаратный порт микроконтроллера и скорость обмена выбрана максимально высокой, потери времени для доступа к информации в этих чипах незначительны и практически не влияют на быстродействие системы. Скорость обмена по каналу SPI с памятью - 8 МГц, что позволяет достичь высокой скорости интерпретации без считывания всей программы и данных в ОЗУ.

Пользователю полностью доступны внешние FRAM 32 кбайт и FLASH 2 Мбайт. Применение вместо ОЗУ для хранения данных - FRAM дает дополнительные возможности по сохранению данных при отсутствии питания.

На модуле установлено три светодиода. Два - это прием / передача по основному UART(USB или RS485).

Оставшийся один подключен параллельно входу дополнительного стабилизатора микроконтроллера и указывает на то что питание на микроконтроллере присутствует. Разъемы и джамперы. На интерфейсной части модуля установлены разъемы mini-USB и пара клемных соединителей для подключения RS485. На этой же части модуля установлены 3 джампера. 2 из них обеспечивают включение резисторов подтяжки линий RS485 к питанию и земле, а третий включение терминатора 120 Ом.

На стороне микроконтроллера расположен основной кроссовый разъем, разъем для внутрисхемного программирования и джампер соединяющий питание кросса +5В с питанием модуля.

Как уже отмечалось выше, главной особенностью модуля является встроенный интерпретатор BASIC. Интерпретатор зашит в основной Flash-памяти микроконтроллера. Пользователь подготавливает и заносит BASIC-программу через один из интерфейсов в виде текста ASCII - кодов. Программы сохраняются во внешней FLASH-памяти (память программ), откуда считываются для интерпретации построчно. Для хранения переменных BASIC - программы используется FRAM (память данных), связанная с процессором тем же каналом SPI, что и память программ. Внутренние переменные BASIC-системы хранятся в памяти микроконтроллера (PIC24FJ64A004).

Назначение выводов разъемов

POW - линия питания;

I - вход;

O - выход;

I / O - вход / выход;

ST - триггер Шмитта;

AN - аналоговый;

I2C - I2C/SMBus.

Та или иная функция линии выбирается путем записи в соответствующие регистры специальных функций необходимой информации.

По умолчанию все линии работают в режиме входов портов ввода-вывода, кроме линий основного интерфейса I2C.

Результаты анализа технического задания и библиографической проработки темы дипломной работы позволяют сделать выводы что, разрабатываемый комплекс, должен иметь следующие характеристики:

1. Возможность разработки собственных вариантов лабораторных работ.

2. Универсальность стенда, стенд должен посредством коммутации перестраивать структуру стенда для решения различных задач, что позволит на одном стенде проводить большое количество лабораторных работ.

3. Возможность работы с различными перефирийными устройствами (системами индикации на основе ЖКИ, интерфейсами UART, SPI, IIC и RS-232)

4. Повышением эффективности проведения занятий, так как отладку программного обеспечения стенда производит на отладчике AVR Studio 4, a программирование реального МК производится с использованием аппаратно-программных средств PonyProg2000;

5. Возможность решения поставленных задач по единой схеме «Получение задания Анализ задания Разработка алгоритма решения задачи Разработка и отладка программного обеспечения на отладчике AVR Studio 4 Программирование реальной системы с использованием PonyProg2000Проверка работоспособности и демонстрации реальной системы Составление и защита отчета» с использованием реальных микроконтроллеров и современных аппаратно-программных средств отладки и программирования микроконтроллерных систем управления и обработки данных.

Для наглядности данная схема (алгоритм) выполнения лабораторных работ представлен на Рис 2.1.

Рис 2.1 Алгоритм выполнения лабораторных работ

3. Методическая часть дипломной работы

Под методическим обеспечением понимается имеющаяся в распоряжении, совокупность методических материалов, по решаемому вопросу, используемых методов и средств, а также компетентность и опыт экспертов по решению практических задач.

3.1 Разработка методического обеспечения комплекса

Методическое обеспечение для проведения лабораторных и практических работ включает в себя следующие пункты:

1. Цель работы

2. Краткие теоретические сведения

3. Описание экспериментальной установки и методики эксперимента

4. Экспериментальные результаты

5. Отчет по лабораторной работе

Цель работы должна отражать тему лабораторной работы, а также конкретные задачи, поставленные студенту на период выполнения работы. По объему цель работы в зависимости от сложности и многозадачности работы составляет от нескольких строк до 0,5 страницы.

Краткие теоретические сведения. В этом разделе излагается краткое теоретическое описание изучаемого в работе явления или процесса, приводятся также необходимые расчетные формулы. Материал раздела не должен копировать содержание методического пособия или учебника по данной теме, а ограничивается изложением основных понятий и законов, расчетных формул, таблиц, требующихся для дальнейшей обработки полученных экспериментальных результатов. Объем литературного обзора не должен превышать 1/3 части всего отчета.

Описание экспериментальной установки и методики эксперимента. В данном разделе приводится схема экспериментальной установки с описанием ее работы и подробно излагается методика проведения эксперимента, процесс получения данных и способ их обработки. Если используются стандартные пакеты компьютерных программ для обработки экспериментальных результатов, то необходимо обосновать возможность и целесообразность их применения, а также подробности обработки данных с их помощью. Для лабораторных работ, связанных с компьютерным моделированием физических явлений и процессов, необходимо в этом разделе описать математическую модель и компьютерные программы, моделирующие данные явления.

Экспериментальные результаты. В этом разделе приводятся непосредственно результаты, полученные в ходе проведения лабораторных работ: экспериментально или в результате компьютерного моделирования определенные значения величин, графики, таблицы, диаграммы. Обязательно необходимо оценить погрешности измерений.

Отчет по лабораторной работе оформляется на писчей бумаге стандартного формата А4 на одной стороне листа, которые сшиваются в скоросшивателе или переплетаются. Допускается оформление отчета по лабораторной работе только в электронном виде средствами Microsoft Office.

Если по специальному лабораторному практикуму требуется оформить в конце семестра общий отчет по всему циклу лабораторных работ, посвященных исследованию одного и того материала разными методами, оформляются также и отдельные отчеты по каждой работе цикла по мере их выполнения.

Методическое обеспечение необходимо для того, чтобы пользователь (студент), прочитав данное обеспечение, смог самостоятельно работать с данным комплексом и выполнять на этом комплексе цикл лабораторных работ по данным дисциплинам.

3.1.1 Методическое обеспечение комплекса для выполнения лабораторных и практических работ по дисциплине «Разработка баз данных и программного обеспечения»

Набор работ, рассматриваемый ниже, позволяет провести цикл лабораторных работ и практических занятий по дисциплине «Разработка баз данных и программного обеспечения». Набор включает в себя 3 работы, рассматриваемые ниже.

Лабораторная работа № 1.

Разработка и отладка программ в среде AVR Studio 4.

Изучение системы команд микроконтроллеров семейства AVR

Цель работы: Получение навыков работы с отладчиком AVR Studio 4 и изучение основ программирования микроконтроллеров.

Краткие теоретические сведения

Установка и запуск AVR Studio. Установка данного пакета производиться по самой простой и традиционной схеме. Щелкните на установочный файл aStudio4b460 и нажимайте <next> пока не появится надпись «Finish».

После этого в меню «Пуск» появится наименование пакета Atmel AVR tools AVR Studio 4

Запуск AVR Studio производится посредством последовательной нажатии на Atmel AVR tools AVR Studio 4.

После запуска AVR Studio 4 предлагает создать или открыть созданный раннее проект. Для создания нового проекта необходимо нажать на Сreate New Project (рис.3.1). В результате на экране появляется диалоговое окно (рис.3.2), в котором необходимо ввести название проекта (Project name), имя .asm файла и его расположение (Location). Опция Сreate Initial File позволяет создавать файл инициализации, а Сreate Folder создает отдельную папку для каждого проекта с его именем.



Рис. 3.1. Окно создания нового проекта

Рис. 3.2. Окно указания имени и местонахождения проекта

Далее, при нажатии кнопки Next появляется окно (рис. 3.3), где предлагается выбрать платформу отладки и устройство (Select debug platform and device)

Рис. 3.3. Окно выбора платформы отладки и устройства (МК)

В данном случае указываем в качестве платформы ARV Simulator, выбираем то или иное устройство, к примеру, ATmega8535, после нажатия кнопки Finish на экране появиться окно организации проекта (рис. 3.4), показывающее все рабочие окна проекта и готовое для ввода и отладки программы.

Рис. 3.4 Окно редактирования программы на языке ассемблера

Для демонстрации процесса отладки введем следующую программу:

include "m8535def.inc"

ldi r16,low(RAMEND)

out SPL,r16

ldi r16,high(RAMEND)

out SPH,r16

ser r16

out DDRB,r16

pp:

out PORTB,r16

inc r16

rjmp pp

Программа представляет собой простой счетчик, реализованный на регистре r16, значение которого в цикле увеличивается и выводится в порт В. Директива .include включает в начало программы файл m8535def.inc. Щелкнув правой кнопкой мыши по строчке .include "m8535def.inc" и выбрав в раскрывшемся меню поле Open Document: m8535def.inc можно посмотреть содержимое файла m8535def.inc. В нем содержатся объявления констант для удобного обращения к регистрам и отдельным битам по именам, вместо номеров. При трансляции программы имена регистров заменяются на их адреса, например, команда out PORTB, r16 заменяется на out $18, r16. Далее происходит инициализация стека. Инициализация стека нужна для правильной работы подпрограмм и прерываний. RAMEND - это константа определенная в файле m8535def.inc, равная адресу конца памяти SRAM. Это значение лучше всего подходит для установки адреса указателя стека. Директива low извлекает младший байт адреса RAMEND и он сохраняется в регистре SPL, а с помощью директивы high старший байт RAMEND сохраняется в регистре SPH. Команда ser r16 устанавливает в единицы все разряды регистра r16, который затем загружается в порт DDRB, задавая режим работы всех разрядов порта В на вывод. Команда out PORTB,r16 производит запись содержимого регистра (значение счетчика) r16 в порт. Далее происходит наращивание значения счетчика (регистра r16) на единицу в каждом цикле (inc r16). После выполнения команды безусловного перехода rjm pp, программа переходит на метку рр и цикл повторяется.

Рабочее окно Workspace позволяет увидеть все связанные с проектом файлы. Слева находится само рабочее поле, где пишется сама программа на языке ассемблер. Перед трансляцией нужно задать установки проекта. В пункте меню Project выбирается Assembler Options, и в открывшемся окне установок проекта указывается необходимый формат выходного файла. AVR Studio поддерживает следующие выходные форматы:

· Intel Intellec 8/MDS (Intel Hex)

· Motorola S-Record

· Generic

Большинство программаторов в качестве входных используют файлы в формате Intel Hex, выбираем его. В опции AVR Assembler указывается версия ассемблера (по умолчанию Version 2). В пунктах Additional include path и Additional Parameters указываются дополнительные пути для вложения файлов и дополнительные параметры. После того как, произведены установки проекта, приступают к написанию программы и ее дальнейшей трансляции, и проверка правильности её написания. В окне Output содержит сообщения ассемблера. В это окно выводится информация о количестве слов кода и данных, о наличии ошибок, и другая информация (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Вид окно сообщений ассемблера

Для локализации ошибок трансляции в случае их наличия можно в окне сообщений ассемблера установить курсор мыши на сообщение об ошибке и два раза щелкнуть левой кнопкой мыши. При этом в окне редактирования исходного текста программы курсор будет установлен на строку, вызвавшую сообщение об ошибке, и эта строка будет выделена цветом или указан курсором (рис. 3.6)



Рис. 3.6 Вид окна сообщений ассемблера при наличии ошибки

В результате трансляции создается выходной файл в указанном формате. Если исходный ассемблерный текст содержал сегмент энергонезависимых данных (объявленный директивой .eseg), то при трансляции будет создан также файл с расширением .eep. Этот файл содержит данные для внутренней EEPROM микроконтроллера и имеет тот же формат, что и выходной файл. Если в результате трансляции не выдается сообщений об ошибках, можно приступать к отладке проекта.

Режимы работы отладчика

Как уже говорилось, AVR Studio4 позволяет производить отладку приложений с использованием встроенного программного симулятора или внешнего внутрисхемного эмулятора. Когда пользователь запускает AVR Studio4, программа проверяет наличие эмулятора на одном из последовательных портов компьютера. Если эмулятор найден, то выбирается как базовая система отладки. Если эмулятор не найден, то отладка будет выполняться на встроенном программном симуляторе AVR. Внутрисхемный эмулятор позволяет производить отладку приложения на реальной целевой плате. Следует помнить, что в режиме реального времени эмулятор работает существенно быстрее, чем программный симулятор.

Отметим еще раз, что независимо режима работы отладчика, интерфейс AVR Studio 4 не меняется. При переключении между различными режимами отладки все параметры среды сохраняются. Информация о текущем режиме отладчика выводится в строке состояния AVR Studio4.

Отладка проекта при помощи программного симулятора

Перед запуском программы ее сначала надо скомпоновать, нажав на кнопку F7, или выбрав в меню Project->Build или нажав на кнопку панели инструментов. В окне output (рис. 3.7) должно появиться сообщение о том, что компоновка завершилась без ошибок.

Рис. 3.7 Экран AVR Studio4 в режиме отладки

Для начала отладки нужно нажать на кнопку Start Debugging . При этом появится желтая стрелка (рис. 3.7.), которая указывает на команду, которая будет выполнена следующей. Программа находится в режиме пошагового выполнения. Для выполнения следующей команды надо нажать кнопку F10 («Step Over») или F11 («Step Into»). Разница между ними в том, что F10 выполняет всю подпрограмму как одну команду, а F11 «проникает» внутрь нее и выполняет все команды по отдельности.

Пользователь может выполнять программу полностью в пошаговом режиме, трассируя блоки функций, или выполняя программу до того места, где стоит курсор.

С помощью команд пошагового режима можно проследить изменения значений в регистрах устройств ввода/вывода, памяти и регистрового файла. К команде шагового режима относится также Auto Step. Помимо шагового режима, возможна отладка программы с использованием точек останова (Breakpoints). Командой Run в пункте пункт меню Debug запускается исполнение программы. Программа будет выполняться до остановки пользователем или до обнаружения точки останова. Для установки точки останова в AVR Studio4 служит пункт меню Debug -> Toggle Breakpoint. Точка останова ставится в строке, отмеченной курсором (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Точка останова в окне исходного текста программы в режиме отладки

Красная отметка в левом поле окна исходного текста программы показывает установленную точку останова.

В процессе отладки также можно выбрать пункт меню Debug -> Run To Cursor. При выборе этого пункта исполняемый код будет выполняется до достижения команды, обозначенной курсором. Если команда, обозначенная курсором, не достигается, отладчик продолжает исполнять код программы до тех пор, пока исполнение не будет прервано пользователем. Поскольку режим Run To Cursor зависит от позиции курсора, он доступен только при активном окне исходного текста. Для остановки исполнения программы пользователем служит команда Stop Debugging в меню Debug. В состоянии останова эта команда недоступна. Пункт меню Debug -> Reset выполняет сброс микроконтроллера. Если программа при этом выполняется, то ее исполнение будет остановлено. После сброса информация во всех окнах модифицируется. Для наблюдения за работой программы можно открыть несколько окон, отображающих состояние различных узлов микроконтроллера. Окна открываются нажатием соответствующих кнопок на панели инструментов или при выборе соответствующего пункта меню View.

Регистровый файл микроконтроллера AVR отображается в окне Registers (рис. 3.9). Если в процессе выполнения программы в очередном цикле значение какого-либо регистра изменится, то этот регистр будет выделен красным цветом. При этом, если в следующем цикле значение регистра останется прежним, то цветовое выделение будет снято. Такое же цветовое выделение реализовано в окнах устройств ввода/вывода, памяти и переменных

Рис. 3.9 Окно состояния регистрового файла

Состояние встроенных периферийных устройств микроконтроллера отображено в окне Workspace в кладке I/O (рис. 3.10)



Рис. 3.10 Окно состояния устройств ввода-вывода

В этом окне отражаются все функциональные блоки микроконтроллера. Любой блок может быть раскрыт нажатием на его значок. При раскрытии блока в окне отражаются адреса и состояния всех его регистров и отдельных, доступных для модификации, битов (рис. 3.11).

Рис. 3.11 Развернутый порт PORTВ в окне устройств ввода/вывода

Каждый доступный для модификации бит может быть установлен или сброшен как программой по ходу ее исполнения, так и пользователем вручную (указав курсором мыши, нужный бит и щелкнув левой кнопкой мыши пользователь может изменить значение бита на обратное) - в режиме программной симуляции это является способом имитации входного воздействия на микроконтроллер.

Для индикации состояния программного счетчика, указателя стека, содержимого регистра статуса SREG и индексных регистров X, Y и Z в процессе отладки программы можно в окне Workspace нажать на вкладку Processor (рис. 3.12).

Рис. 3.12 Состояния процессорного ядра

В этом же окне отображается текущее время выполнения программы и тактовая частота ядра микроконтроллера.

Просмотр ячеек памяти программ, памяти данных, EEPROM и регистров портов ввода/вывода в ходе исполнения программы возможно также с помощью диалогового окна Memory. Падающее меню диалогового окна позволяет выбрать один из пяти массивов ячеек памяти: Data, IO, Eeprom, Program Memory, Register. Для одновременного просмотра нескольких областей окно Memory может быть открыто несколько раз. Информация в диалоговом окне может быть представлена в виде байтов или в виде слов в шестнадцатеричной системе счисления, а также в виде ASСII - символов (рис. 3.13).

Рис. 3.13 Окно просмотра содержимого памяти

Для внесения изменений в программу в процессе отладки необходимо редактировать её исходный текст. При попытке запуска симулятора на исполнение программы после редактирования на экране появляется окно, сообщающее об изменении программы и необходимости её компиляции. Для сохранения проекта необходимо воспользоваться пунктом меню Project -> Close. При закрытии проекта сохраняются все его настройки. Во время следующей загрузки настройки будут автоматически восстановлены.

Индивидуальные задания к выполнению лабораторной работы №1

1. Разработать алгоритм и программу для определения всех чисел >b из массива A(10), расположенных в ОЗУ. Результат записать в РВ с интервалом 1с.

2. Разработать алгоритм и программу для определения суммы пяти 2-х байтных чисел, расположенных в ОЗУ. Результат записать в РD (ст. байт) и РС (мл. байт) с интервалом 1с., если флажок С=0, иначе сохранить в ОЗУ.

3. Разработать алгоритм и программу для определения суммы двух 32 разрядных чисел, расположенных в ОЗУ. Результат побайтно записать в РА с интервалом 0,5с.

4. Разработать алгоритм и программу для подсчета количества единиц в 8 разрядном слове порта В. Результат записать в РС, если D0=1, иначе в РА.

5. Разработать алгоритм и программу для программной реализации 8 разрядного распределителя импульсов (порт РА) с программно изменяемой скоростью (Порт РВ).

6. Разработать алгоритм и программу для реализации 8 разрядного двоичного счетчика (Порт РС). Режим суммирование при РВ0=1, режим вычитание при РА0=1.

7. Разработать алгоритм и программу для определения суммы нечетных чисел из массива А(10). Результат записать в РА, если D7=1, иначе в РС.

8. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РВ(0-7)>11 или РС(0-7)>22 или РА=1, то записать в РD число 0F, иначе число F0.

9. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РВ(0-7)>11 или РС(0-7)>22 и РА=1, то записать в РD число 0F, иначе число F0.

10. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РA(0-7)<07 и РС(0-7)>22 или РB=1, то записать в РD число 33, иначе число 55.

11. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РС0=1 или РС1=0 и РС7=1, то записать в РА число АА, иначе в РВ число 55.

12. Разработать алгоритм и программу для реализации следующих логических условий. Если РВ0=0 и РС1=1 или РС7=0, то записать в РD число А0, иначе в РA число 50.

13. Разработать алгоритм и программу для программной реализации следующих логических условий. Если РВ(0-7)=11 или РС(0-7)=22 или РА=0, то записать в РD число 0F, иначе число F0.

14. Разработать алгоритм и программу для программной реализации следующих логических условий. Если РС0=0 и РС1=0 и РС7=0, то записать в РА число 88, иначе в РВ число 55.

15. Разработать алгоритм и программу для определения суммы массивов 1 байтных чисел A(5) и В(5), расположенных в различных областях ОЗУ. Результат сохранить в ОЗУ.

Контрольные вопросы к лабораторной работе №1

1. В какой последовательности создается новый проект в отладчике AVR Studio 4?

2. Что с собой представляет проект, созданный в отладчике AVR Studio 4? Какие файлы содержит проект?

3. Перечислите функциональные возможности отладчика AVR Studio 4.

4. Каким образом производится запись данных в ОЗУ, EEPROM в AVR симуляторе (Simulator)?

5. Каким образом можно вводить данные по параллельным портам МК в AVR симуляторе?

6. Перечислите режимы работы симулятора при выполнении программы.

7. В каких случаях используются точки останова и как их определить?

8. В каких режимах может выполняется программа в AVR симуляторе? Перечислите их.

9. Приведите команды обращения к внешним устройствам.

10. Как производится запись данных в регистры общего назначения (РОН)? Приведите примеры команд обращения к РОН.

11. Как регистры общего назначения могут быть использованы в качестве указателя памяти? Перечислите их.

12. Приведите команды обращения к ОЗУ.

13. Какие способы адресации данных используются в МК семейства AVR? Перечислите их. Приведите примеры обращения к ОЗУ.

Лабораторная работа №2.

Подсистема ввода аналоговых сигналов микроконтроллера

Цель работы. Изучение принципов работы АЦП. Получение навыков разработки и отладки программ управления АЦП и обработки данных.

Краткие теоретические сведения

ATmega8535 содержит 10-разрядный АЦП последовательного приближения. АЦП связан с 8-канальным аналоговым мультиплексором, 8 однополярных входов которого связаны с линиями порта A.

Источник опорного напряжения (ИОН) для АЦП (V_ИОН) определяет диапазон преобразования АЦП. Если уровень однополярного сигнала свыше V_ИОН, то результатом преобразования будет 0x3FF. В качестве V_ИОН могут выступать AVCC, внутренний ИОН 2,56В или внешний ИОН, подключенный к выв. AREF. AVCC подключается к АЦП через пассивный ключ. Внутреннее опорное напряжение 2,56В генерируется внутренним эталонным источником VBG, буферизованного внутренним усилителем. В любом случае внешний вывод AREF связан непосредственно с АЦП и, поэтому, можно снизить влияние шумов на опорный источник за счет подключения конденсатора между выводом AREF и общим. Напряжение V_ИОН также может быть измерено на выводе AREF высокоомным вольтметром. Обратите внимание, что V_ИОН является высокоомным источником и, поэтому, внешне к нему может быть подключена только емкостная нагрузка.

Регистр управления мультиплексором АЦП- ADMUX

-D7,D6-REFS1,0. Биты выбора источника опорного напряжения

00-AREF, внутренний V_ИОН отключен

01-AVCC с внешним конденсатором на выводе AREF

10-Зарезервировано

11-Внутренний источник опорного напряжения 2.56В с внешним конденсатором на выводе AREF

-D 5-ADLAR. Бит управления представлением результата преобразования. Бит ADLAR влияет на представление результата преобразования в паре регистров результата преобразования АЦП. Если ADLAR=1, то результат преобразования будет иметь левосторонний формат, в противном случае - правосторонний.

-D4-D0-MUX4:0. Биты выбора аналогового канала и коэффициента усиления (более подробно см. раздел ХХХХ).

Регистр управления и статуса АЦП - ADCSRA

-D7-ADEN: Разрешение работы АЦП.

-D6 - ADSC. Запуск преобразования АЦП.

-D5 - ADFR. Выбор режима автоматического перезапуска АЦП

-D4 - ADIF. Флаг прерывания АЦП. Данный флаг устанавливается после завершения преобразования АЦП и обновления регистров данных. Если установлены биты ADIE и I (регистр SREG), то происходит прерывание по завершении преобразования.

-D3-ADIE. Разрешение прерывания АЦП 11001111

-D2-D0 - ADPS2:0: Биты управления предделителем АЦП. Данные биты определяют на какое значение тактовая частота ЦПУ будет отличаться от частоты входной синхронизации АЦП (более подробно см. раздел 2.7).

Пример программы разработки программы управления АЦП

Аналоговый сигнал -по входу ADC0/PA0.

Считывание результата преобразования из регистров данных АЦП и запись их в PC -по сигналу «Запрос прерывания»

Разрядность результата преобразования -8. ИОН- внешний AREF.

.include "m8535def.inc"

;---------------------------------------------------------------

;настройка векторов прерывания

.cseg

.org 0x000

rjmp RESET ;прерывание после сброса

.org $00e

;прерывание при окончании преобразования

rjmp AD_CONV

Reset:

;---------------------------------------------------------------

;Инициализация стека

ldi r16, low(RAMEND) ;загрузить в r16 младший байт

;RAMEND

out SPL,r16 ;вывести значение r16 в SPL

ldi r31, high(RAMEND) ;загрузить в r16 старший байт

;RAMEND

out SPH,r16 ;вывести значение r16 в SPH

;---------------------------------------------------------------

;Инициализация АЦП

sei ;устанавливаем флаг разрешения прерываний

ldi r16,0xсf ;разрешение работы

out adcsr,r16 ;разрешение прерывания и старт

clr r16 ;сбрасываем все биты в r16

out admux,r16 ;выбор 0 канала АЦП (порт PA0)

;и параметр усиления

ser r16 ;устанавливаем все биты в r16

out ddrc,r16 ;настройка PORTC на вывод

;---------------------------------------------------------------

;цикл ожидания

loop:

nop

nop

rjmp loop

;---------------------------------------------------------------

;подпрограмма обслуживания АЦП

AD_CONV:

sei ;устанавливаем флаг разрешения прерываний

in r16,adch ;загрузка байта результата в регистр r16

out portc,r16 ;вывод содержимого r16 в PORTC

ldi r16,0xсf ;разрешение работы

out adcsr,r16 ;разрешение прерывания и старт

reti ;возврат

Индивидуальные задания к выполнению лабораторной работы №2

(Время преобразования и источник опорного напряжения выбрать самостоятельно)

1. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 6-му каналу в режиме приоритетного прерывания. Разрядность результата -10. Результат записать в PORTC и PORTD.

2. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 3-му каналу в режиме приоритетного прерывания. Разрядность результата -10. Если результат четное число, то записать в PORTC и PORTD, иначе в ОЗУ

3. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 3-му каналу в режиме приоритетного прерывания. Разрядность результата -8. Если результат четное число, то записать в PORTC, иначе в ОЗУ

4. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 7-му каналу в режиме опроса флажка готовности АЦП. Разрядность результата -8. Если результат четное число, то записать в PORTC, иначе в ОЗУ

5. Разработать программу определения среднего арифметического значения аналоговых сигналов на 6 и 7 входах. Чтение результата по сигналу запрос прерывания. Разрядность результатов -10. Результат сохранить в ОЗУ.

6. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 3-му каналу в режиме приоритетного прерывания. Разрядность результата -10. Если результат больше заданного числа X, то записать в PORTC и PORTD, иначе в ОЗУ

7. Разработать программу для ввода аналогового сигнала по 1-му каналу в 8-ми разрядном формате. Результат записать в PORTD при PB0=1, иначе в PORTС.

...