Московский энергетический институт (технический университет)
Скачать 184.55 Kb.
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) ЦЕНТР ПОДГОТОВКИ «МЭИ-ФЕСТО» ___________________________________________________________________________________________________________ Направление подготовки: Управление в технических системах Профиль подготовки: Управление и информатика в технических системах Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Форма обучения: очная РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ "МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И МИКРОПРОЦЕССОРЫ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ "
Москва - 2010 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Целью дисциплины является формирование знаний о конструкции, архитектуре, элементной базе и принципах построения промышленных цифровых устройств: от электронных датчиков, до программируемых логических контроллеров; познакомить с устройством основных узлов промышленных контроллеров: цифровыми входами\выходами, аналоговыми входами\выходами, коммуникационными интерфейсами, схемой питания и т.п.; роль микроконтроллеров и микропроцессоров в системах управления, аппаратные и программные аспекты при работе с микроконтроллерами, решение типовых прикладных задач. По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:
Задачами дисциплины являются:
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла Б.3 основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилю "Управление и информатика в технических системах» направления 220400 «Управление в технических системах». Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Электроника», «Электротехника», «Вычислительные машины, системы и сети пневмоавтоматики», «Технические средства автоматизации и управления», «Информатика». Знания, полученные по освоению дисциплины, могут быть использованы на практике, как в самостоятельном порядке, так и существенно дополнять знания от дисциплин: «Элементы электроавтоматики», «Мехатроника» и «Программирование контроллеров», а также при освоении программы магистерской подготовки. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования: Знать:
Уметь:
Владеть:
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 90 часов.
4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения 4.2.1. Лекции 1. Введение в микропроцессорную технику. Устройство микроконтроллеров. Ознакомление с микроконтроллерами. Примеры использования микроконтроллеров в бытовых и промышленных цифровых устройствах. Решаемые задачи и приложения. Классификация микроконтроллеров. Известные производители современных микропроцессорных устройств. Архитектура микроконтроллера dsPIC30F. Устройство процессора микроконтроллера. Шина данных. Структура (карта) памяти. Адресация. Периферийные функции. Набор инструкций. Тактирование процессора и периферийных функций микроконтроллера. Функция сброса (RESET) микроконтроллера. Регистры конфигураций. Основные режимы работы микроконтроллера. Технические характеристики микроконтроллеров (рабочее напряжение, потребляемый ток, температурный диапазон, производительность в MIPS, объём памяти, набор периферийных функций и т.п.). Выбор микроконтроллера в соответствии с требованиями приложения. Основной набор технической документации для работы с микроконтроллерами. Программные и аппаратные средства для работы с микроконтроллерами. Назначение программатора. Среда программирования, используемые языки программирования, компиляторы языков высокого уровня, библиотеки. 2. Порты вводы\вывода микроконтроллеров. Цифровые входы\выходы ПЛК Порты ввода\вывода (в\в) микроконтроллеров. Применение портов. Структурная схема. Дополнительные функции портов в\в. Мультиплексированные функции и их развязка с портами в\в. Группировка выводов микроконтроллеров в порты. Принцип и логика обозначения выводов и портов. Основные регистры для работы с портами в\в. Порядок конфигурации. Регистровые и битовые операции для работе с портами в\в. Запись данных в порт в\в. Чтение данных из порта в\в. Форматы представления данных: бинарный, десятичный, шестнадцатеричный. Физические параметры сигналов и ограничения при работе с портами в\в (номинальный ток, напряжение, время нарастания, спада, период). Цифровые (бинарные) входы\выходы промышленных логических контроллеров (ПЛК). Схемотехническая реализация цифровых входов\выходов ПЛК на базе портов в\в микроконтроллера. Способы согласования уровней сигналов внешних электрических цепей (нагрузки) и внутренних (микроконтроллера). Гальванически развязанные входы\выходы. Релейные и транзисторные выходы, специфика применения. Стандартные уровни сигналов (5, 12, 24, 48 В DC, 220 В AC) во внешних электрических цепях при работе с цифровыми входами\выходами ПЛК. 3. Аппаратные и программные таймеры Таймеры. Аппаратные и программные таймеры. Применение таймеров. Классификация таймеров микроконтроллера dsPIC30F (тип А, В и С). Структурные схемы таймеров. Принцип работы таймера. Схема тактирования и синхронизации таймера. Тактирования от внутренней шины и внешнего источника тактирования. Основные регистры. Режимы работы: таймер, синхронный счетчик, асинхронный счетчик, стробирование по управляющему входу, часы реального времени. Дополнительные функции таймеров: работа в составе АЦП, объединение двух таймеров (режим 32-разрядного таймера). Флаг прерывания. Порядок конфигурации. Пример программы работы с таймером. Применение таймеров ПЛК. Типовые настройки таймеров. 4. Философия прерываний микропроцессоров. Событийно-ориентированное программирование. Прерывания. Философия аппаратных прерываний микропроцессорных устройств. Основной и альтернативный вектор прерывания микроконтроллера. Прерывания периферийных функций. Функция внешнего прерывания CN (Change Notification). Функция внешнего прерывания INT. Конфигурационные регистры прерываний. Приоритеты, разрешение, флаги прерываний. Структура программы на языке С при использовании аппаратных прерываний микроконтроллера. Процедуры обработки прерываний. Прерывания, как основополагающий механизм при реализации событийно-ориентированного программирования. Согласование обработки нескольких единовременных прерываний. Пример программы работы с прерываниями. Роль прерываний в ПЛК. Операционная система ПЛК и прерывания. 5. Последовательный интерфейс. Универсальный асинхронный приемо-передатчик. Последовательный интерфейс передачи данных. Отличие последовательного и параллельного способов передачи данных. Существующие стандарты и реализации последовательных интерфейсов (RS232, RS485, CAN и т.п.), особенность применения. Внутрисхемные последовательные интерфейсы (SPI, I2C), особенность применения. Модуль UART (Универсальный Асинхронный Приемо-Передатчик). Его назначение. Структурная схема модуля. Приемник модуля UART. Передатчик модуля UART. Генератор скорости обмена. Основные регистры. Режимы работы. Настройка модуля UART: скорость обмена данными, количество бит данных, стоповые и стартовые биты, биты проверки четности\нечетности, управление потоком. Расчет параметров тактирования модуля UART. Прерывания приемника. Прерывания передатчика. Реализация RS232 интерфейса на основе UART модуля. Пример программы c модулем UART. Использование и настройка программы HyperTerminal для отладки последовательного канала передачи данных между ПК и микроконтроллером. Интерфейсы передачи данных в промышленной автоматизации. Топологии подключения: точка-точка, шина, звезда, кольцо, свободная топология. Полнодуплексная и полудуплексная схема передачи цифровых сигналов. Аппаратные и программные механизмы контроля целостности передаваемых данных. Дифференциальная схема передачи сигналов. Протокол обмена данными между устройствами. Отличие протокола и интерфейса. Современные промышленные протоколы. 6. Аналоговые сигналы. АЦП и ЦАП микроконтроллера. Применение аналоговых сигналов в промышленности. Аналоговые выходы\входы ПЛК. Стандартные типы аналоговых сигналов (0..5В, 0..10В, -10..+10В, 0..20мА и др.), специфика их применения и ограничения. АЦП и ЦАП. Применение АЦП и ЦАП. Современные методы и принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид и наоборот. Устройство АЦП. Устройство ЦАП. Классификация АЦП и ЦАП, особенность применения каждого из типов, характеристические параметры. АЦП микроконтроллера. Основные регистры. Режимы работы АЦП. Порядок конфигурации АЦП. Расчет времени выборки и преобразования сигнала. Выбор формата представления данных. Усреднение значений АЦП. Работа с несколькими аналоговыми каналами. Пример программы работы с АЦП микроконтроллера. 7. Комплексная разработка цифровых устройств на базе микроконтроллеров Этапы разработки электронных устройств. Техническое задание. Современные САПР. Производство печатных плат. Монтаж электронных компонентов. Тестирование образцов. Разработка ПО и микропрограмм, работа в проектной группе. Процесс разработки комплексных прикладных программ микроконтроллера. Правила «хорошего тона». Работа с библиотеками. Создание собственных библиотек, структурирование проектов, ведение учета версий программ. Операционные системы (ОС) для сложных микропроцессорных систем. Типовые механизмы, используемые для построения ОС. 4.2.2. Практические занятия Практические занятия учебным планом не предусмотрены. 4.3. Лабораторные работы № 1. Ознакомление с демонстрационной платой, её принципиальной схемой. Установка среды разработки MPLAB IDE. Установка программатора MPLAB ICD2. Установка компилятора С30. Запуск среды разработки. Основные элементы интерфейса MPLAB IDE. Настройка программатора. Создание нового проекта. Структура проекта на языке С. Структура программы на языке С. Макросы конфигураций микроконтроллера и биты конфигураций. Процесс компиляции. Пример программы на С и Assembler, окно\функция Disassembly Listing. Применение программатора для записи программы в микроконтроллер и ее отладки. Режимы отладки. Окно отладки и контроля регистров и переменных Watch. Точки останова Break Points. Разработка первой программы для микроконтроллера dsPIC30F6014 на языке С. Объявление и инициализация переменных. Сравнение программ на языках С и Assembler. Анализ автоматического распределения адресов программной памяти. № 2. Разработка прикладной программы микроконтроллера для ввода/вывода данных и сигналов посредством портов в\в. Опрос состояния кнопок и управление состоянием светодиодов, подключенных к портам в\в микроконтроллера отладочной платы. Работа с микроконтроллером в режиме отладки. Использование точек останова Break Points при отладке программы. Использование контрольного окна Watch для контроля состояния регистров в режиме отладке. Искусственная (ручная) корректировка регистров в окне Watch. Практическое применение Булевых функций при работе с портами в\в. Выполнение битовых и регистровых операций с портами, реализация масок, сдвиговые операции и операции сравнения. № 3. Разработка программы периодического мерцания светодиодов с использованием программного и аппаратного таймеров микроконтроллера. Сравнение и анализ используемых ресурсов микроконтроллера при работе программного и аппаратного таймеров. Разработка программы измерения времени между событиями (нажатием кнопок) посредством аппаратного таймера. Программное расширение разрядности таймера. Разработка программы подсчета внешних импульсов, подаваемых на выводы таймера (синхронный, асинхронный счетчик). № 4. Разработка прикладной программы микроконтроллера для ввода/вывода данных и сигналов посредством портов в\в и функций внешнего прерывания CN и INT. Опрос состояния кнопок и управление состоянием светодиодов, подключенных к портам в\в микроконтроллера отладочной платы. Разработка программы периодического мерцания светодиодов с использованием аппаратного таймера и его функции прерывания. № 5. Разработка программы обмена данными между ПК и микроконтроллером. В качестве коммуникационной среды используется интерфейс RS232. Разработка процедур обработки произвольной системы команд и реализация собственного протокола обмена. Разработка программы передачи текстовых сообщений. Кодирование цифр, символов и текста таблицей ASCII. Использование указателей в программе микроконтроллера при адресации к элементам массива и текстовым данным. № 6. Разработка программы оцифровки аналоговых сигналов потенциометра и датчика температуры посредством АЦП микроконтроллера. Анализ влияния конфигурационных параметров на работу АЦП. Сравнительный анализ результата усреднения по 2\4\8\16 выборкам. Использование встроенных графических средств среды программирования MPLAB для контроля аналоговых сигналов и величин. Разработка программы считывания и обработки данных 3-х каналов АЦП и передачи данных на ПК по RS232 интерфейсу. № 7. Разработка комплексной прикладной программы микроконтроллера dsPIC30F6014, включающая использование: портов в\в (подключенных кнопок и светодиодов), АЦП (подключенных потенциометров), модуль UART (реализация связи между ПК и микроконтроллером), разработка собственного протокола обмена данными. Разработка комплексной программы микроконтроллера на основе шаблона ОС. 4.4. Расчетные задания Расчетные задания учебным планом не предусмотрены. 4.5. Курсовые проекты и курсовые работы Курсовые проекты и курсовые работы учебным планом не предусмотрены. 5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций и рисунков в виде слайдов и на электронных носителях. Студентам выдаются раздаточные материалы с используемыми рисунками и принципиальными электрическими схемами в электронном виде. Лабораторные работы выполняются за рабочим местом учащегося, оснащенным ПК и комплектом оборудования, позволяющим проводиться разработку, запись и отладку прикладных программ микроконтроллера. В состав комплекта входит отладочная плата элементы которой, позволяют генерировать различные сигналы. Сама отладочная плата способна эмитировать аппаратный состав различных электронных устройств, в том числе и простейший ПЛК. Рабочие места также оснащены ПО – средой разработки программ для разработки прикладных программ микроконтроллера и их отладки. Студенты изучают данную среду программирования, получают навыки работы с различными отладочными инструментами и полезными функциями, ускоряющие процесс разработки прикладных программ микроконтроллера. Самостоятельная работа включает подготовку к лекционным занятиям, подготовку к контрольным опросам, подготовку к выполнению лабораторных работ, самостоятельную разработку программ и подготовку их к сдаче, подготовку к зачету и экзамену. 6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Для текущего контроля успеваемости используются: два контрольных опроса и защита каждой выполненной лабораторной работы. Аттестация по дисциплине – зачет и экзамен. Оценка за зачет определяется как среднеарифметическая оценок за защиты лабораторных работ и ответов на контрольных опросах. Оценка за освоение дисциплины, выносимая в приложение к диплому, определяется как оценка за экзамен. 7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 7.1. Литература: а) основная литература:
б) дополнительная литература:
7.2. Электронные образовательные ресурсы: а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
б) другие: 1. Вебинары и статьи по применению продукции компаний Microchip, Texas Instruments, Analog Devices. 8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций и показа учебных фильмов, слайдов, желательно с интерактивной доской. Для проведения лабораторных работ рекомендуется использовать учебно-отладочные платы компании Microchip или платы др. фирм на базе микроконтроллеров серий dsPIC30F, dsPIC33 или PIC24. Каждое рабочее место должно быть оснащено современным ПК с одним и более интерфейсами (COM портами) RS232 и программатором с USB интерфейсом. В качестве программного обеспечения рекомендуется использовать среду программирования Microchip MPLAB и компилятор Microchip C30 . Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 220400 «Управление в технических системах» и профилю «Управление и информатика в технических системах ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ: Ген. Дир. ООО «Ай Би Си Солюшнс» Головко В.А. УТВЕРЖДАЮ: Директор ЦП МЭИ-ФЕСТО д.т.н., профессор Елисеев А.С. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
