Установка "Интерфейсы периферийных устройств" IPU
Установка "Интерфейсы периферийных устройств" IPU предназначена для проведения лабораторно-практических работ для студентов высших, средних и профессионально-технических учебных заведений с целью получения знаний, опыта и навыков работы с различными интерфейсами периферийных устройств. Стенд позволяет изучить в ходе выполнения лабораторно-практических работ различные интерфейсы, используемые при подключении периферии к ПК и другим устройствам. Рассматриваются интерфейсы PS/2, Centronics, USB и USB-host (классы HID, CDC и Mass Storage Device), RS-232, SPI, I2C и 1-wire. Данные интерфейсы используются как при взаимодействии узлов компьютера между собой, так и при работе с периферийными устройствами.
Варианты поставки:
- исполнение настольное, ИПУ - без ПК, содержит базовую комплектацию
- исполнение настольное с компьютером, ИПУ-НК - дополнительно к базовой комплектации содержит компьютер
- исполнение стендовое с компьютером, ИПУ-СК - дополнительно к базовой комплектации содержит компьютер и стол
Рисунок 1. Общий вид стенда (настольное исполнение с компьютером).
Настольный вариант с компьютером, ИПУ-КПредставлен на рисунке 1 (стол не включён в поставку).
Стендовый вариант, ИПУ-СК
Функциональность стенда и его структура
Стенд выполнен в виде набора модулей. Модули могут коммутироваться как с компьютером, так и между собой. Для полноценного изучения всех интерфейсов необходимо наличие персонального компьютера. Специально для стенда разработан комплект учебно-методических пособий, которые помогут изучить различные интерфейсы как в теории, так и на практике, а также помогут с легкостью разобраться в работе стенда. Комплект учебно-методических пособий состоит из трёх руководств: теоретическое, управление стендом и лабораторный практикум. В теоретическом руководстве даётся описание основных моментов программирования микроконтроллера, описывается процесс работы с ЖК-дисплеем, описывается информация по каждому из изучаемому интерфейсу, и классу USB. Руководство по управлению описывает принципы работы с каждым узлом стенда и как применить полученные знания в теории на реальном оборудовании. В конечном итоге в рамках лабораторного практикума закрепляются знания, полученные от теоретического материала, –студенты на практике изучают каждый интерфейс, используя различное оборудование.
Модуль контроллера ПУ
Модуль предназначен для управления периферией расположенных на данном и других модулях, для изучения интерфейсов, таких как SPI, I2C и прочих. Некоторые выводы микроконтроллера доступны на лицевой панели, и могут соединяться между собой приборными проводами. Модули программируются с персонального компьютера и имеют возможность отладки посредством интерфейса JTAG, позволяя выполнять программу по шагам, менять значения ячеек памяти и многое другое, значительно облегчая отладку программ. Модуль представлен следующими
- функциональными частями:
- Микроконтроллер Atmega (1 шт.)
- Жидкокристаллический цифробуквенный дисплей (1 шт.)
- Светодиоды (4 шт.)
- Кнопочные переключатели (2 шт.)
- JTAG отладчик с индикацией (1 шт.)
- Блок портов ввода-вывода (1 шт.)
Модуль контроллера USB
Модуль содержит в себе микроконтроллер фирмы Atmel, который содержит в себе аппаратную реализацию интерфейса USB. Модуль может работать в режиме USB-Host (позволяя считывать данные с USB Flash -накопителей и других USB устройств) и USB-Slave (подключаться к компьютеры и идентифицировать себя как любое USB-устройство: от клавиатуры до принтера). Микроконтроллер способен работать в режиме Full Speed USB 2.0, обеспечивая скорость передачи до 12 мБит/сек. В модуль встроена Flash-память с интерфейсом SPI для реализации устройства Mass Storage Device. Модуль программируются с персонального компьютера через интерфейс SPI программатор. Модуль представлен следующими функциональными частями:
- Микроконтроллер фирмы Atmel (1 шт.)
- Жидкокристаллический цифробуквенный дисплей (1 шт.)
- SPI программатор (1 шт.)
- Светодиод для индикации логических уровней (4 шт.)
- Кнопочные переключатели (2 шт.)
- Flash память (2 шт.)
- Виртуальный COM-порт (1 шт.)
Модуль преобразователя уровней сигналов
Модуль предназначен для изучения интерфейсов Centronics, LPT, PS/2, физического и виртуального COM порта. На задней панели модуля расположены разъемы Centronics, для
соединения с LPT-портом ПК, PS/2 для подключения мыши, COM для подключения к физическому СОМ-порту компьютера, USB для реализации виртуального СОМ-порта. На лицевой панели выведены контакты этих интерфейсов (если это необходимо, то предварительно преобразованные к уровням ТТЛ). Модуль представлен следующими функциональными частями:
- Порт Centronics (1 шт.)
- Порт PS/2 (1 шт.)
- Физический COM-порт (RS-232) (1 шт.)
- Виртуальный COM-порт (1 шт.)
- Светодиоды для индикации логических уровней (8 шт.)
Модуль логического анализатора
Модуль предназначен для получения временных диаграмм работы интерфейсов. Этот модуль условно делится на несколько узлов. Главным узлом является непосредственно логический анализатор, который соединяется с компьютером через интерфейс USB. Также в модуле смонтирован датчик температуры DS18B20+ и память Touch-Memory (ключ-таблетка) с интерфейсами 1-wire. Для подключения доступны 16 каналов логического анализатора. Анализатор позволяет проводить измерение, декодирование и анализ сигналов I2C, UART (RS232C, RS485), SPI и смешанных сигналов. Модуль представлен следующими функциональными частями:
- Отключаемый генератор меандра, с емкостным управлением (2 шт.)
- Датчик температуры с интерфейсов 1-wire (1 шт.)
- Память Touch-Memory (ключ-таблетка) с интерфейсов 1-wire (1 шт.)
- 16-и канальный логический анализатор (1 шт.)
Все блоки стенда можно коммутировать между собой приборными проводами. Клеммы имеют защиту от короткого замыкания, что дает защиту от выхода из строя модулей при неверной коммутации.
Характеристики модулей
- Напряжение электропитания, В 5
- Максимальное потребление тока, мА 500
- Диапазон рабочих температур, ºС +10 … +40
- Габаритные размеры модуля, ШхВхГ, мм 180 х 60 х 135
Кол-во рабочих мест стенда: 2
Базовая комплектация:
- Модуль логического анализатора (1 шт.)
- Модуль контроллера ПУ (2 шт.)
- Модуль контроллера USB (1 шт.)
- Модуль преобразователя уровней сигналов (1 шт.)
- Соединительные, приборные провода (30 шт.)
- Провод LPT-Centronics (1 шт.)
- Провод USB AM-BF (4 шт.)
- Провд DB9-DB9 (1 шт.)
- Мышь PS/2 (1 шт.)
- Клавиатура USB (1 шт.)
- USB-Flash накопитель, емкостью 2 Гб (1 шт.)
- Комплект учебно-методических пособий (2 шт.)
- Программное обеспечение (1 компакт-диск).
Перечень лабораторных работ
- Знакомство с комплексом, изучение программного и аппаратного обеспечения модулей периферийных устройств. Управление портами ввода-вывода в модулях микроконтроллера. Программа анализа логического состояния портов, управление светодиодами. Логический анализатор: режимы работы, подключение к модулю микроконтроллеров. Анализ логического состояния портов микроконтроллера.
- Интерфейс Centronics. Режим работы SPP. Передача байт от микроконтроллерного устройства в анализатор. Назначение линий обратной связи интерфейса. Создание двух программ: первую в один блок микроконтроллера (режим ведущего), вторую в другой блок микроконтроллера (режим ведомого). Передача массива данных из первого модуля микроконтроллера во второй.
- Интерфейс PS/2. Режимы работы, скорость, формат посылок. Эмуляция интерфейса с помощью микроконтроллера, анализ посылок на анализаторе. Подключение PS/2 мыши, изучение формата посылок, инициализации. Считывание перемещений мыши программой в модуле микроконтроллера.
- Интерфейс RS-232. Режимы, скорость работы. Режимы управления потоком, назначение управляющих линий. Физические уровни сигналов. Работа в режиме ведущего и ведомого. Создание программ в модули микроконтроллеров для обмена по этому интерфейсу. Обмен информацией с компьютером через переходник USB->COM. Различные форматы посылок, биты четности. Анализ асинхронных кадров обмена.
- Интерфейс SPI. Назначение линий, режимы работы: мастер, ведомый. Многоточечный режим работы. Реализация следующей схемы обмена: один модуль микроконтроллеров является ведомым устройством, логический анализатор также включается в режим эмуляции устройства SPI. Второй модуль микроконтроллеров является ведущим. Создание программ, которые реализуют обмен: модуль микроконтроллера, работающий в режиме мастера, считывает информацию из анализатора и отправляет ее в модуль ведомого микроконтроллера.
- Интерфейс I2C. Назначение линий, состояния шины, режимы работы: мастер, ведомый. Генерация сигналов Start, Ack, Nack, Stop, ReStart. Мультимастерный режим работы. Реализация следующего типа обмена: оба модуля микроконтроллеров являются мастерами и периодически считывают информацию из модуля анализатора, включенного в режим эмуляции ведомого устройства I2C. Коллизии на шине, методы борьбы с ними.
- Интерфейс 1-wire. Режимы работы: обычное питание, паразитное питание. Генерация кадров обмена. Управление датчиком температуры с интерфейсом 1-wire (DS18B20).Считывание показаний температуры c датчика DS18B20. Ключи-таблетки «Touch memory»: считывание кодов, программирование. Программа – реализующая считывание кода с выводом на индикатор.
- Интерфейс USB. Физическая реализация, изучение стека протокола. Типы и назначение конечных точек, типы посылок (управляющие, изохронные, блоковые и по прерыванию). Типовой протокол USB: HID. Создание программы, которая позволяет модулю USB-микроконтроллера определяться в системе как USB-клавиатура, запускать блокнот и выводить в него строку «Hello, world!».
- Интерфейс USB. Типовой протокол USB: Mass Storage Device. Реализация программы, которая позволяет определяться в компьютере как устройство хранения данных (используется встроенная в модуль микросхема Flash-памяти).
- Интерфейс USB. Типовой протокол USB: CDC Device. Реализация программы, которая позволяет модулю определяться в компьютере как виртуальный СОМ-порт. Реализация эхо-обмена с компьютером (возвращаем принятые байты).
- Интерфейс USB. Режим USB-host. Реализация USB-host для устройства HID: подключение к модулю USB-микроконтроллера клавиатуры с интерфейсом USB.
- Интерфейс USB. Режим USB-host. Реализация USB-host для устройства Mass Storage Device: подключение к модулю USB-микроконтроллера USB Flash памяти.
- Интерфейс USB. Режим USB-host. Реализация USB-host для устройства CDC: подключение к модулю USB-микроконтроллера переходника USB->COM. При помощи анализатора отправка сообщения в микроконтроллер, прием измененной информации (преобразование строчных букв в прописные).
