Розробка програмного забезпечення для лабораторного стенду, призначеного для занять з навчальної дисципліни "Комп’ютерна схемотехніка"
Автор: Кладов Євгеній Геннадійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Інформаційні технології проектування
Інститут: Інститут комп'ютерних наук та інформаційних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Кладов Є. Г., Щербовських С.В. (керівник) Розробка програмного забезпечення для лабораторного стенду, призначеного для занять з навчальної дисципліни «Комп’ютерна схемотехніка». Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2020. Розширена анотація Навчальна дисципліна «Комп’ютерна схемотехніка» є невід’ємною складовою сучасної освіти спеціаліста з комп’ютерних наук. У межах даної дисципліни студенти здобувають знання та уміння, пов’язані із застосуванням логічних елементів, тригерів, мультиплексорів, лічильників, дешифраторів, регістрів послідовного зсуву, а також інших елементів комбінаційної та послідовної логіки. Такі елементи використовують у цифрових пристроях та системах для розширення можливостей процесорів та мікроконтролерів. Для набуття навиків із комп’ютерної схемотехніки студенти виконують лабораторний практикум. Зокрема, під час практикуму студенти знайомляться із конкретними типами мікросхем, способами їх підключення та керування. Найбільш використовуваним лабораторним обладнанням з даної дисципліни є стенд ELVIS американської фірми National Instrument [1–4]. Це є універсальний стенд, призначений для виконання широкого діапазону робіт із електротехніки, силової електроніки, аналогової і цифрової схемотехніки. Перевагою даного стенда є можливість підключення до комп’ютера, а також великий набір вимірювальних інструментів. Недоліком є висока ціна як обладнання, так і ліцензійного програмного забезпечення. Щоб уникнути даних недоліків використовують саморобні лабораторні стенди, такі як [5]. Такі стенди є досить дешеві, однак не забезпечують інтеграцію із обчислювальною технікою. Інший підхід, пов’язаний із карантином, полягає у повному переході до імітаційного моделювання [6]. Однак, це вимагає використання ліцензійного програмного забезпечення і не дозволяє у повній мірі осягнути цифрову схемотехніку. Сучасні цифрові пристрої, у тому числі і лабораторні стенди, будують на основі взаємодії мікросхем логічних елементів із входами і виходами мікроконтролера (комп’ютера). У прикладному програмному забезпеченні Multisim (Electronic Workbench) роль мікроконтролера виконує блок «генератор слів». Цей блок на кожному такті подає на вихідні контакти блоку цифрові сигнали, які попередньо задано у налаштуваннях такого блока. Такий підхід не вимагає прив’язки до конкретної мікропроцесорної архітектури. Однак, при переході до реального лабораторного стенду постає питання програмування конкретного мікроконтролера (або комп’ютера). У магістерській кваліфікаційній роботі пропонується для розробленого на кафедрі лабораторного стенду з комп’ютерної схемотехніки додати мікроконтролер Arduino Nano із програмним забезпеченням, яке перетворить його у генератор двійкових слів. Об’єкт дослідження – процес розроблення програмного забезпечення. Предмет дослідження – розроблення програмного забезпечення, яке перетворює мікроконтролер у генератор двійкових слів. Мета дослідження: розробити програмне забезпечення для лабораторного стенду з комп’ютерної схемотехніки з використанням платформи Arduino Nano. На основі огляду ринку сучасних лабораторних стендів для комп’ютерної схемотехніка виділено три основних виробника такої продукції: National Instrument, NTP Centr та Open System. Показано , що технічний розвиток скеровано на об’єднання лабораторних стендів із обчислювальною технікою. Сформовано вимоги до програмного забезпечення для лабораторного стенду на основі діаграми прецедентів. Виділено чотири основних функції: забезпечення циклічного, пакетного, покрокового режимів та скидання. Розроблено програмне забезпечення мовою C++ для мікроконтролера Arduino Nano. Проведено тестування розробленого програмного забезпечення. З цією метою складено схему, яка включає мікроконтролер, 10-сегментний світлодіодний індикатор та чотири кнопки, кожна із яких відповідає вказаній функції. Визначено шість основних лабораторних робіт, на які орієнтовано розроблений лабораторний стенд. Показано на основі діаграм прецедентів основні функції логічних мікросхем, які досліджуються у роботах. Сформовано вербальне завдання, принципові електричні схеми та часові діаграми до лабораторних робіт. Виконано перевірку результатів на комп’ютерній моделі, а також безпосередньо на лабораторному стенді. Ключові слова – інженерна освіта, програмне забезпечення, комп’ютерна схемотехніка, мікроконтролер, схемотехнічне проектування. Перелік використаних літературних джерел 1. Artemeva M., Nikolaev N., Dobriborsci D., Nuyya O. and Slita O. (2016). NI ELVIS II in the concept of cognitive and active learning technologies. International Conference on Information and Digital Technologies (IDT), Rzeszow, 2016, pp. 71-75, doi: 10.1109/DT.2016.7557152 2. Izarova E. G., Shemetova A. D. (2018) Development of Laboratory Training Stand “Auto Switch Measuring Voltage Limits” Based on NI ELVIS II Platform” XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, 2018, pp. 288-291, doi: 10.1109/APEIE.2018.8545268 3. Chew M. T., Demidenko S., Po-Leen Ooi M. and Chow Kuang Y. (2017) Family of low-cost NI ELVIS/LabVIEW-based semiconductor testers for engineering education. IEEE International Conference on Computational Intelligence and Virtual Environments for Measurement Systems and Applications (CIVEMSA), Annecy, 2017, pp. 165-170, doi: 10.1109/CIVEMSA.2017.7995320 4. Klinger, Kreiter C., Pester A. and Madritsch C. (2020). Low-cost Remote Laboratory Concept based on NI myDAQ and NI ELVIS for Electronic Engineering Education. IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON), Porto, Portugal, 2020, pp. 106-109, doi: 10.1109/EDUCON45650.2020.9125086 5. Chipurnov S. A. et al. (2016) Configurable educational stand for analog and digital circuitry. 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, 2016, pp. 339-342, doi: 10.1109/APEIE.2016.7802291 6. Gubsky D. S. and Zemlyakov V. V. (2018) Computer Modelling of Virtual Measuring Stands. International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering, Saratov, 2018, pp. 58-62, doi: 10.1109/APEDE.2018.8542259