Типовой комплект учебного оборудования Интерфейсы периферийных устройств IPU

На сегодняшний день компьютерная техника представляет собой одно из самых бурно развивающихся направлений человеческой деятельности. Однако, компьютер сам по себе беспомощен: ему нужно подключить клавиатуру, принтер, модем и другую периферию. Вся эта периферия подключается к ПК специфичным для каждого устройства способом: через интерфейсы. Поэтому становится важным изучить интерфейсы взаимодействия компьютеров с периферийными устройствами, а также между собой.

Для изучения интерфейсов взаимодействия компьютеров и периферии предназначен предлагаемый стенд «-Интерфейсы периферийных устройств»- (далее ИПУ). В лабораторных работах освещаются как уже устаревающие, но показательные при обучении интерфейсы PS/2 (для клавиатур и «мышей»), Centronics (для подключения принтеров), так и повсеместно распространенные и популярные интерфейсы типа USB и RS-232 (для модемной связи). Помимо этого, стенд позволяет изучать и интерфейсы между внутренними узлами компьютера, например, интерфейс доступа в flash-памяти SPI, управляющий интерфейс I2C, а также однопроводной интерфейс для датчиков температуры и ключей-таблеток 1-wire. Таким образом, появляется возможность изучить работу узлов компьютерной системы, как между собой, так и с внешними устройствами.

              

Cтенд делает изучение ИПУ как можно более наглядным и простым. В состав стенда входит персональный компьютер и логический анализатор, которые позволяют наблюдать все процессы на мониторе, упрощая понимание логики работы всех элементов системы. Еще одним преимуществом стенда является его модульность: разбиение стенда на модули упрощает коммутацию и позволяет быстрее и нагляднее выполнять соединения.

Одним из преимуществ стенда является использование микроконтроллеров для физической реализации интерфейсов. Это означает, что помимо интерфейсов, студенты получают возможность изучить базовые сведения по работе микроконтроллеров, что позволяет проводить на этом стенде лабораторные работы по дисциплинам «Микропроцессорные системы», «Архитектура ЭВМ» и другим, связанным с микроконтроллерами.

Хорошо продуманная методическая часть является неотъемлемой частью стенда. Во время лабораторной работы студент не просто наблюдает работу интерфейса &ndash- он самостоятельно программирует микроконтроллер на работу с этим интерфейсом (пишет программу на языке высокого уровня или ассемблере). 

Это дает более глубокое понимание логики работы взаимодействующих модулей. К примеру, одна из лабораторных работ заключается в том, чтобы модуль при присоединении к компьютеру идентифицировал себя как клавиатура и посылал в систему коды нажатых клавиш. После выполнения таких лабораторных работ студент будет иметь полное представление, как об интерфейсе взаимодействия, так и о физических особенностях устройств. Помимо этого проведение лабораторных работ позволяет не только изучить интерфейсы и микроконтроллеры, но и повысить уровень алгоритмического мышления и уровень программирования в целом.

При изготовлении стенда используются немецкие клеммы фирмы HIRSCHMANN. Применение этих клемм значительно повышает качество стенда и упрощает физическое соединение модулей. Многолетняя практика показала, что первыми выходят из строя кнопки, потому что при выполнении лабораторных работ они нажимаются чаще всех остальных. Поэтому модуль логического анализатора сделан с применением новейшей технологии емкостных сенсоров: просто коснитесь пальцем лицевой панели и модуль распознает нажатие. Помимо улучшения внешнего вида модуля, такая замена позволяет на несколько порядков увеличить ресурс, так как в емкостные сенсоры могут работать десятилетиями - в них нет движущихся механических частей. 

Для наглядности и удобства программирования в модули встроены ЖК-дисплеи (4 строки по 16 символов), на которые можно выводить информацию, программируя модуль. Также для удобства отладки в модули встроены JTAG отладчики, позволяющие просто и наглядно отлаживать программу.

Дополнительно существует возможность заказать стенд с четырехканальным портативным цифровым осциллографом, что позволит получить навыки работы с этим универсальным измерительным прибором. Осциллограф позволяет, в отличие от логического анализатора, увидеть происходящие процессы в динамике и зачастую применение осциллографа позволяет упростить как выполнение лабораторной работы, так и поиск ошибок в схеме. Помимо этого осциллограф позволяет исследовать аналоговые сигналы, что расширяет диапазон проводимых лабораторных и исследовательских работ.

Отдельно следует отметить, что стенд ИПУ совместим с другими стендами нашей компании: «Сети GSM», «Сенсорные сети ZigBee», «Системы навигации GPS и ГЛОНАСС», «Микроконтроллеры» и «ПЛИС». Это означает, что если в лаборатории установлены эти комплекты, у обучаемых появляется возможность комбинировать модули из разных стендов, создавая разнообразные сложные системы. В качестве примеров таких систем можно привести, GPS-трекер, систему сбора данных с удаленных датчиков по беспроводным интерфейсам, систему «умный дом» и многое другое. Таким образом, появляется база для курсового и дипломного проектирования студентам технических специальностей.

Состав стенда поставляется в 2 комплектациях: Базовой и Базовой + ПК:

Базовая комплектация включает:

1. Модуль логического анализатора (1 шт.)

Технические характеристики модуля:

не менее 16 каналов логического анализатора- частота дискретизации до 200 МГц- измерение, декодирование и анализ сигналов: I2C, UART (RS232C, RS485), SPI и смешанных сигналов с тактовой частотой до 100 МГц- память на канал до 1 Мбит, захват от 5нс- расширенная синхронизация, анализ: по шине, логический, статистический- коэффициент сжатия до 255:1- передача данных по интерфейсу USB 2.0 на управляющий компьютер- напряжение питания 220 В- потребляемая мощность от сети не более 20 Ватт- диапазон рабочих температур, не менее: +10&hellip-+40 С- корпус изготовлен из пластмассы и снабжен резиновыми ножками. Модуль контроллера ПУ (2 шт.) Габариты (ШхВхД): не менее 180х60х135 мм.

2. Модуль контроллера ПУ (2 шт.)

Технические характеристики модуля:

питание от интерфейса USB (напряжение питания не менее 5 вольт, потребляемый ток не более 300 мА)- USB-интерфейс для соединения с компьютером- диапазон рабочих температур, не менее: +10…+40 С- корпус изготовлен из пластмассы и снабжен резиновыми ножками. Модуль микроконтроллера USB (1 шт.) Габариты (ШхВхД): не менее 180х60х135 мм.

3. Модуль микроконтроллера USB (1 шт.)

Технические характеристики модуля:

питание от интерфейса USB (напряжение питания 5 вольт, потребляемый ток не более 300 мА)- USB-интерфейс для соединения с компьютером- USB-Host разъем для подключения устройств USB- USB-Slave разъем для подключения целевого микроконтроллера в ПК- диапазон рабочих температур, не менее: +10…+40 С- корпус изготовлен из пластмассы и снабжен резиновыми ножками. Модуль преобразования уровней сигналов (1 шт.) Габариты (ШхВхД): не менее 180х60х135 мм.

4. Модуль преобразования уровней сигналов (1 шт.)

Технические характеристики модуля:

питание от интерфейса USB (напряжение питания не менее 5 вольт, потребляемый ток не более 300 мА)-  USB-интерфейс для соединения с компьютером- разъем Centronics для соединения с LPT-разъемом ПК- разъем DB-9 для соединения с COM-портом компьютера- разъем PS/2 для соединения с клавиатурами или мышками- диапазон рабочих температур, не менее: +10…+40 С- корпус изготовлен из пластмассы и снабжен резиновыми ножками. Соединительные провода для коммутации гнёзд на лицевых панелях модулей (30 шт.) Провод LPT->-Centronics (1 шт.) Провод USB AM->-BF (4 шт.) Провод DB9->-DB9 (1 шт.) Мышь USB (1 шт.) Клавиатура USB (1 шт.) Персональный компьютер (1 шт.): системный блок (1 шт.) монитор жидкокристаллический (1 шт.) клаиватура USB (1 шт.) мышь USB (1 шт.) USB-Flash накопитель емкостью не менее 1 Гб (1 шт.) Учебно-методическое пособие по лабораторному практикуму (3 комплекта). Опционально: Осциллограф (1 шт.) 

5. Соединительные провода для коммутации гнёзд на лицевых панелях модулей (20 шт.)

6. Провод LPT->-Centronics (1 шт.)  

7. Провод USB AM->-BF (4 шт.)

8. Провод DB9->-DB9 (1 шт.)

9. Мышь USB (1 шт.)

10. Клавиатура USB (1 шт.)

11. USB-Flash накопитель емкостью не менее 1 Гб (1 шт.)

12. Учебно-методическое пособие  по лабораторному практикуму (3 комплекта).

Комплектация базовая + ПК содержит те же позиции плюс персональный компьютер.

Дополнительно могут быть приобретены осциллограф и комплект "-стендовый стол+ПК (ноутбук)"-.

Модули стенда 

Главным модулем стенда является модуль «Контроллер Периферийного Устройства», или, сокращенно «Контроллер ПУ». В комплект входят два таких модуля. 

            

Модуль содержит в себе микроконтроллер ATmega16 фирмы Atmel. Некоторые выводы микроконтроллера доступны на лицевой панели, и могут соединяться между собой приборными проводами. Модули программируются с персонального компьютера и имеют возможность отладки посредством интерфейса JTAG (отладчик JTAG ICE), позволяя выполнять программу по шагам, менять значения ячеек памяти и многое другое, значительно облегчая отладку программ. На передней панели расположен символьный четырехстрочный LCD-дисплей, подключенный к микроконтроллеру. Также на лицевой панели смонтировано 2 кнопочных переключателя и 4 светодиода. Для сброса целевого микроконтроллера предусмотрена кнопка сброса. Для индикации состояния отладчика предусмотрены светодиоды индикации его состояния. 

Для работы с интерфейсом USB служит специальный модуль – «Микроконтроллер USB». 

         

Модуль содержит в себе микроконтроллер AT90USB1287 фирмы Atmel, который содержит в себе аппаратную реализацию интерфейса USB. Модуль может работать в режиме USB-Host (позволяя считывать данные с USB Flash -накопителей и других USB устройств) и USB-Slave (подключаться к компьютеры и идентифицировать себя как любое USB-устройство: от клавиатуры до принтера). Микроконтроллер способен работать в режиме Full Speed USB 2.0, обеспечивая скорость передачи до 12 мБит/сек. В модуль встроена Flash-память с интерфейсом SPI для реализации устройства Mass Storage Device. Модуль программируются с персонального компьютера через интерфейс SPI (в модуле содержится программатор AVR ISP). На передней панели расположен символьный четырехстрочный LCD-дисплей, подключенный к микроконтроллеру. Также на лицевой панели смонтировано 2 кнопочных переключателя и 4 светодиода для облегчения отладки программ. Для сброса микроконтроллера предусмотрена специальная кнопка сброса. Для индикации состояния отладчика предусмотрены специальные светодиоды.

Для преобразования уровней сигналов физических портов компьютера к ТТЛ уровням применяется модуль «Преобразователь уровней сигналов».       

На задней панели модуля расположены разъемы Centronics, для соединения с LPT-портом ПК, PS/2 для подключения мыши, COM для подключения к физическому СОМ-порту компьютера, USB для реализации виртуального СОМ-порта. На лицевой панели выведены контакты этих интерфейсов (если это необходимо, то предварительно преобразованные к уровням ТТЛ).  

Для получения временных диаграмм работы интерфейсов служит модуль логического анализатора. Этот модуль условно делится на несколько узлов. Главным узлом является непосредственно логический анализатор, который соединяется с компьютером через интерфейс USB. Также в модуле смонтирован датчик температуры DS18B20+ с интерфейсом 1-wire (для изменения его температуры предусмотрена кнопка, включающая нагреватель, расположенный непосредственно около датчика), память Touch-Memory (ключ-таблетка), два отключаемых генератора меандра с частотами 1 кГц и 1 Гц.

Для подключения доступны 16 каналов логического анализатора с частотой дискретизации до 200 МГц. Анализатор позволяет проводить измерение, декодирование и анализ сигналов I2C, UART (RS232C, RS485), SPI и смешанных сигналов с тактовой частотой до 100 МГц. Встроенная память до 1 Мбит на канал позволяет сохранять диаграммы, растянутые по времени. Анализатор имеет несколько режимов синхронизации: по шине, логический, статистически и другие. 

Опционально к стенду можно заказать портативный цифровой четырехканальный осциллограф. Применение этого прибора во многих ситуациях значительно проще логического анализатора. Также появляется возможность исследовать аналоговые сигналы. 

Программное обеспечение 

Для работы со стендом используется следующее программное обеспечение: 

AKIP Logic Analyzer (Программное обеспечение для работы с логическим анализатором)- Eclipse SDK (Для программирования на языке С и С++)- ATMEL AVR Studio 4.19 (Для программирования на языке ассемблер)- Bray+ Terminal (Для работы с СОМ-портом)- LPTprog (Для управления LPT-портом).

Все программное обеспечение предназначено для работы на операционной системе Microsoft Windows XP/Vista/7. Ниже приведены снимки монитора во время работы со стендом. 

Опционно может быть поставлен осциллограф:    

Технические характеристики   

Дисплей - 2.8&Prime- цветной TFT LCD Разрешение дисплея - 320×-240 Полоса пропускания -  0 &mdash- 72 МГц Частота выборок       -    72 Msps 8 бит Память измерений   -    4096 точек на каждый канал Чувствительность по горизонтали   -    1 мкс/дел — 10 с/дел (1-2-5 шаг) Чувствительность по вертикали     -      20 мВ/дел — 10 В/дел (с ?1 щупом) 2 В/дел — 100 В/дел (с ?10 щупом) Входное сопротивление      -    >-500K&Omega- Максимальное входное напряжение       -        80 В (с ?1 щупом) Режимы триггера     -     Auto, Norma, Single, None and Scan Измерения     -  Частота, период, скважность- действующее, амплитудное, среднеквадратичное напряжение. Генератор пробного сигнала  встроенный 10 Гц — 1 МГц (1-2-5 шаг) Источник питания     -    3,7 В литиевая батарея 700 мАч, или USB-порт. Габариты (без щупов) 98*50*14 мм 

Лабораторный практикум:

Знакомство с комплексом, изучение программного и аппаратного обеспечения модулей периферийных устройств. Управление портами ввода-вывода в модулях микроконтроллера. Программа анализа логического состояния портов, управление светодиодами. Логический анализатор: режимы работы, подключение к модулю микроконтроллеров. Анализ логического состояния портов микроконтроллера. Интерфейс Centronics. Режим работы SPP. Передача байт от микроконтроллерного устройства в анализатор. Назначение линий обратной связи интерфейса. Создание двух программ: первую в один блок микроконтроллера (режим ведущего), вторую в другой блок микроконтроллера (режим ведомого). Передача массива данных из первого модуля микроконтроллера во второй. Интерфейс PS/2. Режимы работы, скорость, формат посылок. Эмуляция интерфейса с помощью микроконтроллера, анализ посылок на анализаторе. Подключение PS/2 мыши, изучение формата посылок, инициализации. Считывание перемещений мыши программой в модуле микроконтроллера. Интерфейс RS-232. Режимы, скорость работы. Режимы управления потоком, назначение управляющих линий. Физические уровни сигналов. Работа в режиме ведущего и ведомого. Создание программ в модули микроконтроллеров для обмена по этому интерфейсу. Обмен информацией с компьютером через переходник USB->-COM. Различные форматы посылок, биты четности. Анализ асинхронных кадров обмена. Интерфейс SPI. Назначение линий, режимы работы: мастер, ведомый. Многоточечный режим работы. Реализация следующей схемы обмена: один модуль микроконтроллеров является ведомым устройством, логический анализатор также включается в режим эмуляции устройства SPI. Второй модуль микроконтроллеров является ведущим. Создание программ, которые реализуют обмен: модуль микроконтроллера, работающий в режиме мастера, считывает информацию из анализатора и отправляет ее в модуль ведомого микроконтроллера. Интерфейс I2C. Назначение линий, состояния шины, режимы работы: мастер, ведомый. Генерация сигналов Start, Ack, Nack, Stop, ReStart. Мультимастерный режим работы. Реализация следующего типа обмена: оба модуля микроконтроллеров являются мастерами и периодически считывают информацию из модуля анализатора, включенного в режим эмуляции ведомого устройства I2C. Коллизии на шине, методы борьбы с ними. Интерфейс 1-wire. Режимы работы: обычное питание, паразитное питание. Генерация кадров обмена. Управление датчиком температуры с интерфейсом 1-wire (DS18B20). Считывание показаний температуры c датчика DS18B20. Ключи-таблетки «Touch memory»: считывание кодов, программирование. Программа – реализующая считывание кода с выводом на индикатор. Интерфейс USB. Физическая реализация, изучение стека протокола. Типы и назначение конечных точек, типы посылок (управляющие, изохронные, блоковые и по прерыванию). Типовой протокол USB: HID. Создание программы, которая позволяет модулю USB-микроконтроллера определяться в системе как USB-клавиатура, запускать блокнот и выводить в него строку «Hello, world!». Интерфейс USB. Типовой протокол USB: Mass Storage Device. Реализация программы, которая позволяет определяться в компьютере как устройство хранения данных (используется встроенная в модуль микросхема Flash-памяти). Интерфейс USB. Типовой протокол USB: CDC Device. Реализация программы, которая позволяет модулю определяться в компьютере как виртуальный СОМ-порт. Реализация эхо-обмена с компьютером (возвращаем принятые байты). Интерфейс USB. Режим USB-host. Реализация USB-host для устройства HID: подключение к модулю USB-микроконтроллера клавиатуры с интерфейсом USB. Интерфейс USB. Режим USB-host. Реализация USB-host для устройства Mass Storage Device: подключение к модулю USB-микроконтроллера USB Flash памяти. Интерфейс USB. Режим USB-host. Реализация USB-host для устройства CDC: подключение к модулю USB-микроконтроллера переходника USB->-COM. При помощи анализатора отправка сообщения в микроконтроллер, прием измененной информации (преобразование строчных букв в прописные).