Структура учебного стенда НТЦ -31.100
В. М. Логин, И. Н. Цырельчук, О. Ч. Ролич
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
СИСТЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
В 2-Х ЧАСТЯХ
ЧАСТЬ 1
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ СЕМЕЙСТВА AVR
Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов
Республики Беларусь по образованию в области информатики и
радиоэлектроники в качестве пособия
для специальности 1-39 03 01 «Электронные системы безопасности»
Минск БГУИР 2014
УДК 004.056(076.5)
ББК 32.973.202-018.2я73
Л69
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Автоматизированные системы управления производством»
учреждения образования «Белорусский государственный аграрный
технический университет»
(протокол №2 от 20.09.2013);
доцент кафедры «Робототехнические системы»
Белорусского национального технического университета,
кандидат технических наук, доцент Р. В. Новичихин
Логин, В. М.
| Л69 | Интеллектуальные электронные системы безопасности : лаб. практикум. В 2 ч. Ч. 1: Микроконтроллеры семейства AVR / В. М. Логин, И. Н. Цырельчук, О. Ч. Ролич. – Минск : БГУИР, 2014. – 113 с. : ил. ISBN 978-985-543-025-5(ч.1). |
| Лабораторный практикум по дисциплине «Интеллектуальные электронные системы безопасности» состоит из восьми лабораторных работ. В первой и второй рассматривается лабораторный стенд НТЦ-31.100. В третьей лабораторной работе – использование подпрограмм и векторов прерываний, сброс и обработка прерываний. В четвертой и пятой рассматриваются устройства динамической и матричной жидкокристаллической индикации, шестой – способ ввода информации при помощи клавиатуры. В седьмой и восьмой лабораторных работах рассматривается организация интерфейсов приборных шин TWI и SPI, а также работа часов реального времени. |
УДК 004.056(076.5)
ББК 32.973.202-018.2я73
| ISBN 978-985-543-025-5(ч.1) 978-985-543-024-8 | © Логин В. М., Цырельчук И. Н., Ролич О. Ч., 2014 |
| © ОУ «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», 2014 |
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ
УЧЕБНОГО СТЕНДА НТЦ-31.100. 6
1.1. Микроконтроллеры семейства AVR.. 6
1.2. Учебный стенд НТЦ -31.100. 7
1.3. Контрольные вопросы.. 10
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. ИЗУЧЕНИЕ ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА И СИСТЕМЫ КОМАНД МИКРОКОНТРОЛЛЕРА СЕМЕЙСТВА AVR.. 11
2.1. Общие сведения о системе команд микроконтроллеров семейства AVR Mega 11
2.2. Интегрированная среда AVR Studio. 11
2.3. Директивы в Assembler 14
2.4. Контрольные вопросы.. 19
2.5. Варианты заданий. 19
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОДПРОГРАММ И ВЕКТОРОВ ПРЕРЫВАНИЙ, СБРОС И ОБРАБОТКА ПРЕРЫВАНИЙ.. 21
3.1. Подпрограммы.. 21
3.2. Вектора сброса и прерываний. 23
3.3. Время реакции на прерывание. 25
3.4. Пример написания программы.. 26
3.5. Контрольные вопросы.. 29
3.6. Варианты заданий. 29
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА
ДИНАМИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИИ.. 31
4.1. Устройства цифровой индикации. 31
4.2. Электрическая принципиальная схема. 33
4.3. Пример программы «бегущая» строка. 34
4.4. Контрольные вопросы.. 36
4.5. Варианты заданий. 36
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА
МАТРИЧНОЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИИ.. 38
5.1. Теоретические основы и принципы работы ЖКИ.. 38
5.2. Рефлективные индикаторы.. 40
5.3. Трансмиссивные индикаторы.. 41
5.4. Трансрефлективные индикаторы.. 41
5.5. Сегменты ЖКИ.. 41
5.6. Жидкокристаллический индикатор SC-1602 BULT. 42
5.7. Электрическая принципиальная схема. 47
5.8. Контрольные вопросы.. 48
5.9. Варианты заданий. 48
5.10. Пример выполнения лабораторной работы.. 49
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВВОДА
ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПОМОЩИ КЛАВИАТУРЫ.. 55
6.1. Матричная организация клавиатур. 55
6.2. Контрольные вопросы.. 56
6.3. Варианты заданий. 56
6.4. Пример выполнения лабораторной работы.. 57
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕЙСА
ПРИБОРНОЙ ШИНЫ TWI И РАБОТЫ ЧАСОВ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ.. 63
7.1. Двухпроводной последовательный интерфейс TWI 63
7.2. Формат посылки и передаваемых данных. 64
7.3. Модуль TWI 66
7.4. Регистры TWI 69
7.5. Часы реального времени. 73
7.6. Электрическая принципиальная схема. 75
7.7. Контрольные вопросы.. 75
7.8. Варианты заданий. 75
7.9. Пример выполнения лабораторной работы.. 76
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8. ИССЛЕДОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ И
РАБОТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ПЕРИФЕРИЙНОГО ИНТЕРФЕЙСА
SPI 85
8.1. Приборная шина SPI 85
8.2. Реализация интерфейса SPI в микроконтроллерах ATMega. 88
8.3. Микросхема Flash памяти (DataFlash) AT45DB041B.. 92
8.4. Электрическая принципиальная схема к лабораторной работе. 97
8.5. Контрольные вопросы.. 98
8.6. Варианты заданий. 98
8.7. Пример выполнения лабораторной работы.. 99
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. 105
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. 111
ЛИТЕРАТУРА.. 112
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время возросла актуальность задач по обеспечению безопасности людей, защите жилых помещений, личных автомобилей, банков, магазинов, транспорта, производственных помещений, территорий от возможных угроз: проникновения посторонних лиц, преднамеренных действий со стороны злоумышленников, действий естественных сил природы и т. п. Для решения этих задач не обойтись без интеллектуальных электронных систем безопасности (ИЭСБ).
Современные ИЭСБ представляют взаимодействующие между собой аппаратно-программные комплексы, выполняющие функции по распознаванию угроз, обработке по заранее разработанным программам сигналов об угрозах и соответствующее реагирование на угрозы с целью их ликвидации или снижения ущерба организациям, предприятиям или физическим лицам. Специфика современных ИЭСБ состоит в том, что в своем составе кроме традиционных электронных технических частей, таких, как датчики и исполнительные устройства, они содержат компьютерные подсистемы или программируемые микропроцессорные устройства, а в качестве каналов связи между составными частями ИЭСБ используются беспроводные каналы, в том числе спутниковые и каналы мобильной радиосвязи.
Данный лабораторный практикум состоит из двух частей. В 1-й части лабораторного практикума рассматриваются системы на базе программируемых микроконтроллеров ATMega128 семейства AVR и организация интерфейсов приборной шины TWI и SPI. Во 2-й части лабораторного практикума будут рассмотрены беспроводные каналы связи между составными частями ИЭСБ, а именно спутниковая и мобильная радиосвязь.
Суть лабораторных работ сводится к практическому получению навыков работы с учебным стендом НТЦ-31.100, исходя из цели каждой работы, а также написания программного кода. Персонализация заданий к каждой лабораторной работе осуществляется посредством выдачи преподавателем каждому студенту индивидуального задания согласно вариантам заданий.
Выполнение лабораторных работ предполагает домашнюю подготовку, включающую: изучение соответствующего теоретического материала курса, знакомство с инструкцией, прилагаемой к учебному стенду, изучение методики проведения лабораторных работ.
Результаты выполнения и подготовленные отчеты по каждой лабораторной работе индивидуально предъявляются студентом преподавателю и защищаются с привлечением необходимого теоретического материала из данного лабораторного практикума и лекционного курса.
Лабораторный практикум составлен так, что совершенствование прикладных учебных программ не вызывает необходимости внесения изменений в его текст.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ УЧЕБНОГО СТЕНДА НТЦ-31.100
Цель работы. Изучить состав, функциональную схему стенда, ознакомиться со структурой и принципом работы микроконтроллера, изучить порядок работы стенда.
В ходе выполнения работы необходимо изучить:
– функциональную схему стенда;
– порядок работы со стендом;
– расположение рабочих органов и разъемов подключения стенда.
Теоретическая часть
1.1. Микроконтроллеры семейства AVR
В микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс интегральных схем – микроконтроллеры, которые предназначены для встраивания в приборы различного назначения. От класса однокристальных микропроцессоров их отличает наличие встроенной памяти, развитые средства взаимодействия с внешними устройствами. Микроконтроллеры семейства AVR являются 8‑разрядными микроконтроллерами с RISK-архитектурой и имеют единую базовую структуру (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Структурная схема микроконтроллеров семейства AVR
Обобщенно структуру микроконтроллера можно представить в виде ядра, состоящего из арифметическо-логического устройства, 32 регистров общего назначения, статического оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), флэш-памяти программ, энергонезависимой памяти данных (ЭСППЗУ), логики управления и комплекса периферийных устройств, в который входят параллельные порты ввода-вывода, последовательные порты ввода-вывода, многофункциональные таймеры-счетчики, блок прерываний, сторожевой таймер, аналоговый компаратор и другие устройства.
1.2. Учебный стенд НТЦ -31.100
Структура учебного стенда НТЦ -31.100
Учебный стенд НТЦ-31.100 состоит из следующих структурных элементов (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Функциональная схема учебного стенда СУ-МК НТЦ-31.100
Стенд построен на базе микроконтроллера ATMega128 семейства AVR. Для исследования вывода дискретных сигналов используются дискретные светодиодные индикаторы ДСИ1–ДСИ10. Для исследования применения динамической 7-сегментной индикации используется 8-разрядный светодиодный 7‑сегментный динамический индикатор (ССДИ), управление которым осуществляется через параллельный регистр 1 и дешифратор. Для исследования ввода дискретных сигналов используются датчики дискретных сигналов ДД1–ДД10. К микроконтроллеру подключен матричный жидкокристаллический индикатор МЖКИ и 12-кнопочная клавиатура.
В стенде организована шина I2C, по которой к микроконтроллеру подключены: АЦП, ЦАП (цифровой резистор) и часы реального времени с электрически стираемым ППЗУ.
В стенде организована шина SPI, по которой реализована связь микроконтроллера и энергонезависимого ОЗУ (FRAM), электрически стираемого ПЗУ (DATAFLASH). По шине SPI к микроконтроллеру так же подключены разъем для подключения FLASH-карт памяти (SD, MMC) и два последовательных регистра, через регистр 3 осуществляется ввод в микроконтроллер сигналов с датчиков дискретных сигналов ДД3–ДД10, а через регистр 2 вывод сигналов с микроконтроллера на дискретные светодиодные индикаторы ДСИ3–ДСИ10. Для исследования интерфейса 1-wire стенд оснащен термодатчиком, подключенным к микроконтроллеру.
Для связи с другими устройствами стенд оснащен последовательными портами RS232, RS422/RS485. Стенд оснащен разъемом подключения внешних модулей расширения.
Отладка программ, загружаемых в микроконтроллер, осуществляется посредством встроенного в микроконтроллер модуля внутрисхемной отладки, который взаимодействует с программной интегрированной средой разработки программ для микроконтроллеров на персональном компьютере через модуль JTAG ICE, входящий в состав стенда. Подключение модуля JTAG ICE к персональному компьютеру осуществляется через USB порт.
Все устройства, входящие в состав стенда, кроме JTAG ICE, являются программнодоступными.