Аппаратно-программный комплекс на базе универсального лабораторного стенда для изучения 8, 16 и 32-разрядных микроконтроллеров

Современный этап развития микроконтроллеров связан с появлением широкого круга задач, требующих увеличения разрядности процессорного ядра до 16/32 разрядов и перехода на языки программирования высокого уровня. Увеличивается число прикладных областей, задачи которых решаются с помощью операционных систем реального времени, функционирующих на микроконтроллерных платформах. Высокопроизводительные 32–разрядные микроконтроллеры с архитектурой ARM7 и ARM9, Cortex–M3 и другие стерли границу между ранее обособленными областями встраиваемых систем — компьютерной, на основе 32–разрядных процессоров с программированием на языках высокого уровня, и контроллерной, на основе 8–разрядных микроконтроллеров с программированием на ассемблере. Но и старые архитектуры не исчезли. Такие фирмы, как Atmel, Analog Devices, Winbond, Silicon Laboratories и ряд других использовали новые возможности микроэлектроники для выпуска на основе ядра 8051 микроконтроллеров с расширенными наборами периферийных модулей. Благодаря этому архитектура 8051, которой многие прочили забвение, обрела «второе дыхание» и стала стандартом «де–факто».

В целом можно заключить, что современный специалист в области встраиваемых систем должен владеть практическими навыками проектирования на основе широкой гаммы 8–, 16– и 32–разрядных микроконтроллеров с применением нескольких языков программирования. Задача обучения, повышения квалификации и переподготовки в настоящее время важна не только для образовательных учреждений, но и для индивидуальных специалистов, которые нуждаются в периодическом тренинге. В связи с этим весьма актуальными выглядят универсальные учебные средства по микроконтроллерам, наращиваемые по возможностям и позволяющие освоить широкую номенклатуру элементной базы и программных средств.

Компания mikroElektronika (Сербия) имеет значительный опыт разработки и производства аппаратных и программных учебных средств для микроконтроллеров. Ее изделия отличаются хорошей методической проработкой комплекса задач, связанных с передачей практического опыта проектирования. В лабораторных стендах удачно выбраны комбинации процессорных ядер микроконтроллеров, наборов их внутренних интерфейсных блоков и модулей ввода/вывода на платах.

Комплект аппаратных средств от фирмы mikroElektronika включает универсальный лабораторный стенд на основе платы UNI–DS3 (рис. 1) и набора микроконтроллерных плат специализации, а также платы расширения. В настоящее время лабораторный стенд поддерживает 8–разрядные микроконтроллеры 8051 и AVR (ATMEL), PICmicro (Microchip), 16–разрядные микроконтроллеры dsPIC, 32–разрядные ARM7 микроконтроллеры NXP и «системы на кристалле» PSoC фирмы Cypress Semiconductor.

Аппаратные средства лабораторного стенда представляют собой конструктор из набора функциональных модулей. На универсальной плате установлены функциональные модули ввода/вывода и стабилизатор напряжения питания, используемый при подключении внешнего источника. На рис. 1 видно, что продуманное расположение функциональных модулей на плате подкреплено множеством поясняющих надписей и знаков, так что процесс работы становится во многом интуитивно понятен до чтения документации. Кроме фиксированного набора модулей ввода/вывода на плате стенда, производитель выпускает функциональные модули в виде небольших плат расширения. Все линии портов микроконтроллера на универсальной плате выведены на девять штыревых разъемов 2×5 выводов, к которым возможно подключение внешних плат, расширяющих номенклатуру изучаемых периферийных устройств.

На универсальной плате в качестве устройств ввода могут использоваться кнопки, подключенные ко всем линиям портов микроконтроллеров, 12–разрядный АЦП, часы реального времени, считыватель MMC/SD–карт. Для отображения данных на плате имеются светодиоды на всех линиях портов микроконтроллера, а также предусмотрены посадочные места со штыревыми разъемами для установки алфавитно–цифрового и графического дисплеев. Вывод данных может производиться на 12–разрядный ЦАП. Для двунаправленного обмена установлены драйверы и разъемы RS–232, RS–485, CAN и Ethernet.

Универсальный лабораторный стенд UNI–DS3 имеет развитую систему коммутации, которая позволяет выборочно подключать к линиям портов микроконтроллера устройства ввода/вывода и формировать аппаратную конфигурацию микроконтроллерной системы в соответствии с требованиями проекта.

На плате универсального стенда имеется разъем, в который может быть установлена одна из плат специализации. На этих платах находятся целевые микроконтроллеры и схемы их ближайшего обрамления, включая интегрированные программаторы. В настоящее время набор плат специализации следующий:

UNI–DS3 40 PIN PIC CARD (рис. 2). Плата предназначена для изучения новых 8–разрядных микроконтроллеров семейства PIC. На ней установлен микроконтроллер PIC18F4520, разработанный на основе технологии nanoWatt. Он имеет 8–разрядное ядро c производительностью 10 MIPS и аппаратным умножителем 8×8 разрядов. Ядро может тактироваться от внутреннего прецизионного генератора с программируемой частотой от 31 кГц до 8 МГц. Флэшпамять программ составляет 32 кбайт,