Лабораторный стенд для отладки периферийных схем и микроконтроллеров серии PIC

Разработанный учебный лабораторный стенд на базе микроконтроллера — это готовый учебный лабораторный стенд, предназначенный для изучения микроконтроллеров серии PIC, стенд может быть использован для освоения студентами архитектуры микроконтроллеров, а также изучения методов разработки микропроцессорных систем различного назначения.

В статье представлено создание физического и виртуального лабораторных стендов на базе микроконтроллеров PIC. Физический стенд представляет собой печатную плату с наличием портов ввода/вывода и элементами индикации. Виртуальный лабораторный стенд реализован в программе PROTEUS VSM и идентичен физическому стенду. Для детального изучения устройства микроконтроллера и основ его программирования в учебном процессе учащимися выполняются 5 лабораторных работ.

Микроконтроллеры. Микроконтроллер — это компьютер, разместившийся в одной микросхеме. Отсюда и его основные привлекательные качества: малые габариты; высокие производительность, надежность и способность быть адаптированным для выполнения самых различных задач.

Микроконтроллер предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи путем управления микропроцессорным ядром микроконтроллера.

К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.

Высокая скорость выполнения команд в PIC-контроллерах достигается за счет использования двухшинной гарвардской архитектуры вместо традиционной одношинной фон-неймановской. Гарвардская архитектура основывается на наборе регистров с разделенными шинами и адресными пространствами для команд и данных. Все ресурсы микроконтроллера, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры [1].

Данный лабораторный стенд может быть использован для оснащения каждой аудитории, в которой проходят лабораторные занятия по изучению микроконтроллеров семейства PIC, поскольку является готовым портативным и доступном в понимании устройством на микроконтроллере для начинающих их осваивать. Стенд может быть использован студентами как основа для дипломного проектирования или для научно-исследовательской работы в бакалавриате или магистратуре, в силу своей простоты использования и низкой цены по сравнению с аналогичными продуктами.

Описываемый лабораторный стенд предназначен для работы с микроконтроллерами серии PIC 16F873A/876A [2]. Из периферии в распоряжении пользователя имеется 16 символьный 2-х строчный ЖК-дисплей, для которого предусмотрена возможность изменения контраста отображаемого текста на дисплее. Также стенд оснащен 3 портами ввода и 5 портами вывода, которые в свою очередь гальванически развязаны от самого микроконтроллера с помощью оптопар EL817, что предотвращает какие-либо воздействия на микроконтроллер [3]. Питание обеспечивается стандартным источником питания на 9В, использование батареи-кирона также представляется возможным [4]. При работе микроконтроллера производится индикация состояний всех его портов при помощи светодиодов, что позволяет визуально выделить порты, задействованные в данное время.

Помимо внутреннего тактового генератора самого микроконтроллера на 4 МГц, имеется внешний кварцевый резонатор на 20 МГц, что расширяет функциональность и увеличивает производительность микроконтроллера. Для сброса работы микроконтроллера имеется кнопка RESET, которая крайне необходима при его некорректной работе и случайных зависаниях, чтобы перезапустить микроконтроллер [5].

Лабораторный стенд оснащен интерфейсом для программирования микроконтроллера, что облегчает сам процесс программирования, не извлекая микроконтроллер из платы стенда. Помимо этого, имеются регулятор для изменения опорного напряжения на микроконтроллере и выводы для замера этого напряжения с помощью вольтметра [6].

Рис. 1. Лабораторный стенд на базе МК PIC 16F876A

Цифрами обозначены основные блоки лабораторного стенда:

1. Порты ввода RA0, RA1 и RA4 предназначены для подачи сигналов на микроконтроллер.
2. Микроконтроллер PIC 16F876A со схемой индикации. Светодиоды сигнализируют наличие сигнала на соответствующем порте.
3. Цепь питания, состоящая из стабилизатора LM7805, который преобразует входное напряжение 9В в 5В; светодиода, сигнализирующего наличие тока в цепи и кнопки, для перезапуска микроконтроллера.
4. Порты вывода RB0, RB1, RB2, RB4 и RB5, предназначенные для выдачи сигналов от микроконтроллера. Все порты имеют гальваническую развязку, обеспечиваемую оптронами EL817, т. е. цепи питания микроконтроллера и портов вывода независимы, что гарантирует полную защищенность микроконтроллера от внешних воздействий.
5. Дисплей LCD 1602, представляет собой ЖК-дисплей с возможностью вывода текста в 2 строки по 16 символов каждая. Имеется возможность изменять контрастность текста при помощи подстроечного резистора.
6. Блок регулировки опорного напряжения, подаваемого на микроконтроллер, в основном применяется для изменения размера шага квантования. Также имеются два вывода для замера этого напряжения при помощи вольтметра.

Помимо этого, имеется интерфейс для программирования микроконтроллера через программатор PicKit.

Для лабораторного стенда необходимо два источника питания: +9В для основной схемы; +5В для обеспечения гальванической развязки.

Разработанная конструкция лабораторного стенда для работы с микроконтроллерами PIC может быть успешно использована для ознакомления студентов с типовыми схемными решениями микроконтроллерных устройств различного назначения, такими как генератор импульсов, светодиодный индикатор, вольтметр, терминал (пульт) управления, термометр и др., для разработки и отладки новых устройств в ВУЗах Республики Узбекистан, так как обладает всеми необходимыми компонентами и имеет высокую степень защиты от ошибок при подключении питания и включения в цепь. Внедрение данного лабораторного стенда позволит расширить возможности проектирования и отладки плат для студентов, визуально повысить доступность понимания процессов, происходящих в цепях и, соответственно, в устройствах, являясь, тем самым, элементом интерактивного обучения студентов, при этом существенно снизив затраты на оснащение лабораторий.

Литература:

1. Предко М. Справочник по PIC-микроконтроллерам. -М.: ДМК Пресс 2002 г. -512 с.
2. Иванов Ю. И., Кропачев К. А., Финаев В. И. Универсальный лабораторный стенд для исследований микроконтроллеров// Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2012 г. № 36. -181 с.
3. Уилмшурст Т. Разработка встроенных систем с помощью микроконтроллеров PIC. Принципы и практические примеры, -М.: Издательство: МК-Пресс, Корона-Век, ISBN 978–5-903383–61–0, 978–966–8806–46–9, 978–0-7506–6755–5, 2008 г. -544 с.
4. Кохц Д. Измерение, управление и регулирование с помощью PIC микроконтроллеров, Издательство: МК-Пресс, ISBN 978–966–8806–15–5, 2015 г. -304 с.
5. Катцен С. PIC-микроконтроллеры. Полное руководство, -М.: Издательство: Додэка, ДМК Пресс, ISBN 978–5-97060–109–9, 2014 г. -652 с.
6. Заец Н. Радиолюбительские конструкции на PIC-микроконтроллерах, -М.: Издательство: МК-Пресс, Корона-Век, ISBN 978–5-7931–0942–0, 978–966–8806–42–1, 2015 г. -239 с.