473

2

УДК 681.51.01

Микропроцессорные устройства управления мехатронных и робототехнических систем [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника / А. В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 8 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.

3

Введение

Учебный план по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника» включает изучение дисциплины «Микропроцессорные устройства управления мехатронных и робототехнических систем» в течение 8-го семестра в объеме 144 часов, из которых 24 часов отводится для лекционных занятий, 48 часов для лабораторных работ, 72 часа для самостоятельной работы студентов. Итоговый контроль осуществляется в виде сдачи дифференцированного зачёта.

Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели усвоение студентами принципов организации, методов функционирования и использования микропроцессорных устройств управления в составе мехатронных и робототехнических систем.

Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются следующие задачи:

ознакомление со структурой базовой микропроцессорной системы управления, особенностями организации подсистем памяти и вводавывода, составом периферийных устройств микропроцессорных систем управления;

изучение функциональных возможностей и классификации однокристальных микроконтроллеров, используемых для построения микропроцессорных систем управления технологическим оборудованием автоматизированных производств;

уяснение структуры многоуровневых систем управления автоматизированного производства, особенностей программно-технических средств, используемых для их реализации, путей повышения производительности микропроцессорных систем управления;

усвоение приемов и способов разработки и отладки программного обеспечения для встроенных микропроцессорных систем, элементов программирования на языке ассемблера однокристального микроконтроллера;

приобретение навыков работы с учебным лабораторным стендом «Классик-1», который используется для изучения основ микропроцессов и микропроцессорных систем.

Врезультате освоения дисциплины «Микропроцессорные устройства управления мехатронных и робототехнических систем» студент должен:

знать: структуру, функциональные возможности и классификацию однокристальных микроконтроллеров, принципы построения многоуровневых микропроцессорных систем управления с их использованием, элементы программирования на языке ассемблера для разработки программного обеспечения встроенных микропроцессорных (микроконтроллерных) систем управления, особенности решения задач управления автоматизированного производства с использованием микропроцессорных систем;

уметь: использовать возможности программно-технических средств

4

микропроцессорных систем управления для повышения производительности технологического оборудования автоматизированного производства;

владеть: методикой и практическими приемами выполнения лабораторных работ с использованием учебного лабораторного стенда «Классик- 1», способами разработки программного обеспечения для микропроцессорных систем управления автоматизированного производства.

1Содержание учебной дисциплины

Всоответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Микропроцессорные устройства управления мехатронных и робототехнических систем» предусматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:

Раздел 1. Введение. Структура базовой микропроцессорной системы управления. Цели и задачи дисциплины. Основные понятия и классификация микропроцессорных систем. Современные тенденции развития микропроцессорных систем управления технологическими комплексами. Типовая архитектура однокристальных микропроцессоров и микроконтроллеров. Основные принципы организации систем управления на базе микропроцессоров и микроконтроллеров. Преимущества микропроцессорных систем управления. Примеры различных структур микропроцессорных систем управления.

Раздел 2. Архитектура и классификация микропроцессоров. Аппарат-

ные и программные принципы реализации систем управления и контроля. Процессорное ядро микропроцессорных систем управления. Принстонская (фоннеймановская) и гарвардская архитектуры микропроцессорных систем. Микропроцессоры с CISC и RISC-архитектурой. Особенности системы команд микропроцессоров. Логическая и арифметическая обработка данных.

Раздел 3. Организация подсистемы памяти. Типы памяти микропро-

цессорных систем. Подсистема оперативной памяти. Подсистема энергонезависимой памяти. Особенности использования раздельной памяти программ и памяти данных. Внутренний интерфейс микропроцессорной системы управления: шины, протокол обмена, технические средства. Организация обмена информацией между элементами микропроцессорной системы управления.

Раздел 4. Организация подсистемы ввода-вывода. Внешний интерфейс микропроцессорной системы. Организация связей микропроцессоров и микроконтроллеров с периферийными устройствами. Подсистемы параллельного ввода-вывода. Синхронный и асинхронный обмен по параллельному интерфейсу с квитированием. Интерфейсы последовательной связи. Интерфейсы RS-232, RS-485, SPI, I2C (TWI), USB и протоколы обмена. Программирование функций приема-передачи данных в микроконтроллерах. Системы прерываний. Особенности реализации систем прерываний в микроконтроллерах. Сопряжение цифровых и аналоговых устройств. Использование аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей.

5

Раздел 5. Однокристальные микроконтроллеры и их классификация.

Архитектурные особенности и функциональные возможности типовых семейств микроконтроллеров MCS-51, AVR, ARM и других.

Раздел 6. Программное обеспечение встроенных микропроцессорных систем управления. Состав и структура программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем управления. Требования к программному обеспечению встроенных микропроцессорных систем. Программная реализация алгоритмов управления. Особенности программирования микропроцессорных систем в режиме реального времени. Обзор возможностей операционных систем реального времени. Этапы разработки программного обеспечения. Языки программирования. Язык ассемблера. Языки высокого уровня. Быстродействие. Разрядность. Организация опроса датчиков. Формирование управляющих сигналов. Ожидаемые события, использование таймеров.

Раздел 7. Программно-технические средства разработки и отладки программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем. Ос-

новные понятия и возможности кросс-систем разработки программного обеспечения встроенных микропроцессорных систем. Структура и функциональные возможности интегрированных систем разработки приложений. Эмуляторы и симуляторы программ встроенных микропроцессорных систем.

Раздел 8. Методы повышения производительности микропроцессор-

ных систем управления. Современные подходы к повышению эффективности использования микропроцессорных систем управления автоматизированным производством.

Назначение лекционных занятий по дисциплине «Микропроцессорные устройства управления мехатронных и робототехнических систем» получение теоретических знаний студентами по важнейшим разделам дисциплины, а также формирование общего представления по обзорным темам (вопросам) дисциплины.

Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисциплины «Микропроцессорные устройства управления мехатронных и робототехнических систем» является прохождение студентом лабораторного практикума. Согласно Положению о сдаче экзаменов и зачётов в ФГБОУ ВО ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова студент, не выполнивший лабораторный практикум, не допускается к сдаче зачёта.

В соответствии с рабочей программой дисциплины «Микропроцессорные устройства управления мехатронных и робототехнических систем» предусматривается следующая тематика лабораторных работ (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту лабораторной работы):

Знакомство со учебно-лабораторным стендом «Классик-1» (4 часа). Изучение простых команд и методов адресации (6 часов). Изучение арифметических команд (4 часа).

Изучение команд управления переходами. Использование подпрограммы и стека (6 часов).

Изучение возможностей работы с внешними устройствами (6 часов).

6

Изучение программируемого интервального таймера (4 часа).

(4 часа).

Изучение модуля синхронного последовательного порта (4 часа). Изучение модуля асинхронного последовательного порта (4 часа). Каждая работа лабораторного практикума предполагает выполнение

практической части с использованием компьютера и соответствующего программного обеспечения, подготовку письменного отчёта о выполненной лабораторной работе и его защиту. Требования к оформлению отчёта обычно излагаются в методических указаниях к лабораторным работам. При защите отчёта студент должен продемонстрировать знание необходимого теоретического минимума по теме лабораторной работы, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.

В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается 50 % общего времени, отводимого на изучение дисциплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной работы, предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных вопросов лекционного курса, другую для доработки отчётов о выполненных лабораторных работах и подготовки к их защите.

2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

При осуществлении самостоятельной работы студент должен руководствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к лабораторным работам, методическими указаниями к выполнению курсовой работы, материалами конспекта лекций, рекомендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая электронные источники информации.

Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ.

Основная литература

1.Гуров, В. В. Микропроцессорные системы [Электронный ресурс] : учебник / В. В. Гуров. – М. : ИНФРА, 2018. – 336 с. – ЭБС «Знаниум».

2.Беккер, В. Ф. Технические средства автоматизации. Интерфейсные устройства и микропроцессорные средства [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В. Ф. Беккер. – 2-е изд. – М. : РИОР: ИНФРА-М, 2019. – 152 с. – ЭБС «Знаниум».

Дополнительная литература

1. Стариков, А.В. Микропроцессорные устройства управления мехатронных и робототехнических систем [Электронный ресурс] : лабораторный практикум по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 «Мехатроника и робо-

7

тотехника» для очной формы обучения / А. В. Стариков. ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». Воронеж, 2018. 94 с. – ЭБС ВГЛТУ.

2. Стариков, А.В. Микропроцессорные устройства управления мехатронных и робототехнических систем [Электронный ресурс] : методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» для очной формы обучения / А. В. Стариков. ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». Воронеж, 2018. 8 с. – ЭБС ВГЛТУ.

3.Валов, А. В. Микропроцессоры и их применение в системах управления [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. В. Валов, С. П. Лохов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. – Ч.1. – 77 с.; Ч.2. – 81 с.; Ч.3. – 58 с.

–ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».

4.Чернышев, А. Ю. Электронная и микропроцессорная техника [Электронный ресурс] : учеб. пособие / А. Ю. Чернышев, Е. А. Шутов. – Томск: Издво Томского политехнического университета, 2010. – 135 с. – ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».

Для качественного освоения дисциплины возможно потребуются следующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:

http://window.edu.ru портал «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»;

http://www.znanium.com ЭБС «Знаниум»;

http://www.twirpx.com сайт с обширной подборкой научной, учебной

и учебно-методической литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных источников.

Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по заявленным темам.

Также самостоятельно студенты в компьютерном классе кафедры автоматизации производственных процессов дорабатывают лабораторные работы, готовят отчёты по ним.

8

Стариков Александр Вениаминович

Микропроцессорные системы управления автоматизированного производства

Методические указания для самостоятельной работы по направлению

подготовки бакалавра 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника»

для очной формы обучения

Редактор С.Ю. Крохотина

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»