Дипломная работа: Разработка и отладка программного обеспечения виртуальной лаборатории Программирование микроконтроллерных

развитой, понятный и адекватный (поведение максимально приближено к реальной, что является чрезвычайно важным) интерфейс пользователя, что должно способствовать правильному восприятию фактов и правильному их осмыслению;

возможность достаточно быстро и достаточно просто завладеть информационными технологиями, которые используются у ВЛ;

наличие инструкций по выполнению работ;

наличие предметной справочной информационной базы с простым доступом к ней;

наличие вопросов и фактов, на которые следует обратить особенное внимание;

пользователь должен иметь возможность использовать при работе с ВЛ современные пакеты автоматизации инженерного труда в заданной предметной области (интеграция с существующими популярными пакетами САПР).

1.2 Принцип построения лабораторного практикума

1.2.1 Концепция построения лабораторного практикума

Предлагается следующая концепция построения нового лабораторного практикума:

1. Сначала используется ряд лабораторных работ, связанных с обретением практических привычек программирования внутренней структуры МК и основных периферийных устройств, которые входят в его состав (порты ввода\вывода, память данных, таймеры-счетчики, система прерываний и т.п.).

2. На втором уровне обучения разрабатываются простые микроконтроллерные устройства с использованием некоторых внешних устройств (клавиатуры, разнообразных индикаторов, цифро-аналоговых преобразователей и других датчиков входных сигналов). Эти периферийные устройства могут входить в состав учебно-отладочных стендов или находиться извне. При этом должны применяться также программные модули, разработанные и отлаженные на предыдущем уровне обучения.

3. На третьем уровне обучения разрабатываются более сложные микроконтроллерные устройства и системы с участием персональных компьютеров (например, виртуальные измерительные устройства).

4. Отладка микроконтроллерных устройств на втором и третьем этапах обучения практически невозможна без использования измерительных приборов (генераторов сигналов, осциллографов, логических анализаторов, и других), в качестве таких с успехом могут использоваться виртуальные приборы на основе ПК.

5. Аппаратные и программное средства ЛП должны разрешать студенту использовать для разработки микроконтроллерных пристроил разные типы МК (AVR, PIC или MCS-51).

6. Лабораторный практикум должен разрешать выполнение задач в дистанционном режиме. Это снова же таки диктует необходимость использования в структуре аппаратных средств виртуальных приборов, которые будут доступными пользователю (студенту). При этом также необходимо организовать работу пользователя с методическими материалами, аппаратными и программными средствами. А это в свою очередь требует наличие простого и наглядного графического интерфейса ЛП.

1.2.2 Структура лабораторных работ

Лабораторные работы составленные блочно-иерархичным подходом. Согласно которому, первые лабораторные работы которые стоят на низшей иерархической степени, самые малые за сложностью и объемом. Они включают у себя работу по одним периферийным прибором МК. Так возможно больше углубить знание путем детального рассматривания отдельной задачи. На следующей степени рассматриваются задачи с дополнительными задачами, которые нуждаются в, готовые уже на предыдущем этапе, алгоритмы и решения, а те в свою очередь представляют фундамент для следующего иерархического уровня. Так до тех пор, пока не реализуется задача сконструировать некоторый многофункциональный микроконтроллерный прибор или систему.

1.3 Архитектура аппаратного обеспечения ВЛ

Учебно-отладочные стенды "AVR-Microlab" разрешают выполнять весь список лабораторных работ по лабораторному практикуму, имеют малую стоимость и имеют возможность использовать МК не только фирмы Atmel, а и Microchip (при условии небольшой заделы). Объект исследования ВЛ использует "AVR-Microlab". На основе этого стенда строятся микроконтроллерные устройства и МКС. Стенд построен по блочно-модульному принципу, поддерживает интерфейсы USB и RS232. Важным плюсом является возможность использования USB.

Используя такие стенды, можно научиться и усвоить общие принципы функционирования, которые было заложено в основу при создании целого класса МК (от разных производителей). МК, которые поддерживает стенд, разрешают реализовать широкую гамму простых устройств автоматизации, среди которых может быть собственный модуль ввода/вывода.

Анализ существующих аналогов ВЛ показывает, что объект исследования соединяется с ПК через посредничество многофункционального модулю ввода/вывода (БМВВ), которым может быть готовый контролер, сигнальный процессор или устройство собственной разработки. Модуль выполняет управление объектом за счет вывода и считывает состояние объекту за счет ввода. Важным недостатком готовых решений для таких модулей есть их стоимость.

Проблема может быть решена за счет использования в качестве БМВВ аппаратных средств ВВК [13-15]. ВВК построенный на основе открытой архитектуры, а его технических возможностей довольно для удовлетворения требований лабораторного практикума, стоимость значительно низшая. В отличие от готовых решений, ПО ВВК легко может быть приспособленное к использование во ВЛ. ВВК использует аппаратные возможности учебно-отладочного стенда "AVR-Microlab".

Аппаратное обеспечение изображено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Архитектура аппаратного обеспечения ВЛ

Таким образом, использование двух учебно-отладочных стендов дает возможность реализовать лабораторный практикум в полном объеме. Аппаратное обеспечение может быть легко подсоединено ко всем современным ПК через интерфейс USB.

1.4 Архитектура ПО ВЛ "Программирование икроконтроллерных систем"

Рассмотрим открытую архитектуру ПО (рисунок 3). Открытость достигается за счет введения в структуру ВЛ адаптеров, которые свободно могут прибавляться к ВЛ, подключаться к шине сообщений (это можно реализовать через ПО администрирование).

ВЛ с открытой архитектурой состоит из следующих компонентов:

Ядро - центральный компонент ВЛ, основной задачей которого являются предоставления компонентам системы набора сервисов, необходимых для реализации;

Шина сообщений - обеспечивает интерфейс взаимодействия компонент ВЛ;

Адаптеры ВЛ - реализуют зависимые от типа ВЛ операции взаимодействия с native-службами операционной системы (или систем) и физическими ресурсами за специальными протоколами;

Клиентское ПО - web-интерфейс пользователя; ПО складывается из 2 частей - общей оболочки и реализации клиентских частей протоколов взаимодействия с ресурсами ВЛ;

Программное обеспечение администрирования - программа, которая разрешает централизованно руководить одним или несколькими серверами ВЛ.