Реферат: Розробка та відлагодження програмного забезпечення віртуальної лабораторії на базі програмно-відладочного
Для реалізації зазначених вище віртуальних приладів необхідні такі апаратні засоби – мікроконтролер, АЦП, ЦАП, перетворювачі рівнів та перетворювачі інтерфейсів. Всі ці засоби присутні на програмно-відлагоджувальному стенді „AVR MicroLAB”. Таким чином, віртуальний вимірювальний комплекс може бути реалізований на таких самих технічних засобах, які використаються для навчання.
4.4. Архітектура апаратного забезпечення ВЛ
Вихідне технічне завдання предписує використовувати в апаратній частині ВЛ навчально-відлагоджувальні стенди «AVR-Microlab». Такі стенди дозволяють виконувати весь список лабораторних робіт з лабораторного практикуму, мають малу вартість та мають можливість використовувати МК не тільки фірми Atmel, а й Microchip (за умови невеликою доробки). Об’єкт дослідження ВЛ використовує «AVR-Microlab». На основі цього стенду будуються мікроконтролерні пристрої та МКС. Стенд побудований за блочно-модульним принципом, підтримує інтерфейси USB та RS232. Істотним плюсом є можливість використання USB.
Використовуючи такі стенди, можна навчитися та засвоїти загальні принципи функціонування, які було заложено в основу при створенні цілого класу МК (від різних виробників). МК, які підтримує стенд, дозволяють реалізувати широку гаму простих пристроїв автоматизації, серед яких може бути власний модуль вводу/виводу.
Аналіз існуючих аналогів ВЛ показує, що об’єкт дослідження з’єднується з ПК через посередництво багатофункціонального модулю вводу/виводу (БМВВ), яким може бути готовий контролер, сигнальний процесор чи пристрій власної розробки. Модуль виконує керування об’єктом за рахунок виводу та зчитує стан об’єкту за рахунок вводу. Істотним недоліком готових рішень для таких модулів є їхня вартість.
Проблема може бути вирішена за рахунок використання в якості БМВВ апаратних засобів ВВК [13-15]. ВВК побудований на основі відкритої архітектури, а його технічних можливостей досить для задовільнення вимог лабораторного практикуму, вартість значно нижча. На відміну від готових рішень, ПЗ ВВК легко може бути пристосоване до використання у ВЛ. ВВК використовує апаратні можливості навчально-відлагоджувального стенду «AVR-Microlab».
Апаратне забезпечення зображене на рисунку 3.
Рисунок 3 – Архітектура апаратного забезпечення ВЛ
Таким чином, використання двох навчально-відлагоджувальних стендів дає можливість реалізувати лабораторний практикум в повному обсязі. Апаратне забезпечення може бути легко під’єднаним до всіх сучасних ПК через інтерфейс USB.
5. Реалізація ВВК на основі програмно-відлагоджувального стенда „AVR MicroLAB”
5.1. Апаратні засоби для реалізації ВВК
Даний віртуальний вимірювальний комплекс реалізується на основі програмно - відлагоджувального стенда „AVR MicroLAB”.
Для реалізації кожного приладу необхідні такі апаратні ресурси як порти вода/виводу мікроконтролера, пам'ять даних і пам'ять програм мікроконтролера.
У результаті аналізу реалізацій даних приладів отримана, що при об'єднанні їх у вимірювальний комплекс на основі AVRMicroLAB загальний розмір коду програми буде становити приблизно 3 Кб, загальний розмір змінних 2 Кб. Таким чином, для реалізації даного ВВК на основі AVRMicroLAB у його состав можуть входити такі МК: ATMega 323 (2К, 32К), ATMega 32 (2К, 32К).
Для реалізації двоканального осцилографа необхідно два входи модуля аналого-цифрового перетворювача AIN0, AIN1.
Для реалізації генератора байтів використаються 8 виходів мікроконтролера.
Для реалізації генератора сигналів довільної форми використається блок цифро-аналогового перетворювача, побудованого на ИМС DA3 типи TLC5615 фірми Texas Instruments, що представляє собою десятирозрядний ЦАП з послідовним SPI- інтерфейсом, виведеним на порт «B» контролера. Таким чином, використаються розряди 4-7 порту В. Фільтр вихідного сигналу першого порядку організується за допомогою модуля блоку вихідних ключів, до складу якого входять 2 RC фільтри НЧ для фільтрації вихідних сигналів мікроконтролера. Вони підключаються до виходів 4-5 порту С.
Для реалізації логічного аналізатора використаються розряди 8 виходів мікроконтролера (для введення даних).
Таким чином, з урахуванням описаної конфігурації кожного із приладів можна запорпонувати 2 варіанти розподілу апаратних ресурсів між ними.
Варіант 1: зєднання комутуються одноразово для всіх лабраторних робіт. При цьому для приймання та передавання сигналів необхідні додаткові засоби буферізації, що потребує внесення змін до принципової схеми стенда та додаткового часу на обробку данихю
Структурна схема розподілу ресурсів мікроконтролера (вар. 1) між приладами наведена на рис. 4
/
Рисунок 4. Структурна схема розподілу ресурсів мікроконтролера між приладами
Варіант 2: Для різних задач зєеднання у стенді комутуються за двома варіантами – для використання аналогових та цифрових приладів. Структурна схема розподілу ресурсів мікроконтролера (вар. 2) між приладами наведена на рис. 5 (а,б)
Рисунок 5а. Структурна схема розподілу ресурсів мікроконтролера між приладами «Генератор байтів» та «Логічний аналізотор»
Рисунок 5б. Структурна схема розподілу ресурсів мікроконтролера між приладами «Осцилограф» та «Генератор сигналів довільної форми»
5.2. Протокол обміну даними між ПК та стендом
Для реалізації віртуальної лабораторії необїідно здійснювати обмін даними між стендами та сервером. Для передавання даних від ПК до станду та в зворотному напрямку визначен протокол запитів та відповідей для кожного з віртуальних приладів. Їх структура подана у таблиці 2.
| Генератор байтів | ||||||
| до МК | "Старт" | "Стоп" | ||||
| код ГСл | код ГСл | |||||
| старт | Стоп | |||||
| частота | ||||||
| тип генерації | ||||||
| об'єм даних | ||||||
| данні (256 b) | ||||||
| До ПК | Ответ | |||||
| код ГСл | ||||||
| 0 | ||||||
| Осцилограф | ||||||
| до МК | "Старт" | "Стоп" | ||||
| код Осц | код Осц | |||||
| старт | стоп | |||||
| тип сигнала+синхронизация | ||||||
| пороговый уровень | ||||||
| частота | ||||||
| номер канала | ||||||
| До ПК | Ответ | Продолжение | ||||
| код Осц | код Осц | |||||
| об'єм даних | об'єм даних | |||||
| данні (256 b) | данні (256 b) | |||||
| Генератор сигналів | ||||||
| до МК | "Старт" | "Стоп" | ||||
| код ГС | код ГС | |||||
| старт | стоп | |||||
| частота | ||||||
| тип генерації | ||||||
| об'єм даних | ||||||
| данні (256 b) | ||||||
| До ПК | Ответ | |||||
| код ГС | ||||||
| 0 | ||||||
|
Таблиця 2. Формат запитов да відповідей для віртуальних приладів | ||||||
| Логічний аналізатор | ||||||
| до МК | "Старт" | "Стоп" | ||||
| код ЛА | код ЛА | |||||
| старт | стоп | |||||
| канал запуску | ||||||
| шаблон | ||||||
| глибина п-п реєстрації | ||||||
| частота | ||||||
| До ПК | Ответ | Продолжение | ||||
| код ЛА | код ЛА | |||||
| об'єм даних | об'єм даних | |||||
| данні | данні | |||||
Таблиця 2. Продовження