Проєктування та програмування мікропроцесорних пристроїв автоматики

Спеціальність: Комп'ютеризовані системи управління та автоматика
Код дисципліни: 7.174.06.E.016
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Комп'ютеризовані системи автоматики
Лектор: д.т.н., професор Бучма Ігор Михайлович
Семестр: 2 семестр
Форма навчання: денна
Мета вивчення дисципліни: Метою вивчення дисципліни є закріплення студентами грунтовних знань з методів проектування та програмування мікропроцесорних пристроїв, збудованих на основі мікроконтролерів, зокрема, одноплатних комп'ютерів. Вивчення питань, пов'язаних з враховуванням впливу різних факторів на швидкодію виконання завлдань, з умінням використовувати аналогові та цифрові виводи одноплатного комп'ютера, розробляти робочі програми мовою високого рівня, а загалом, з створенням інтерактивних проектів (в основі лежить принцип організації, при якому мета досягається обміном інформації між елементами системи) на базі комп'ютерних модулів, таких як, Arduino, Raspberry Pi та інші. В таких пристроях одноплатний комп'ютер керує процесами вводу первинної інформації, її опрацювання в режимі автономному чи реального часу, відображення та виводу. В результаті вивчення модуля студенти набудуть знань з теорії та принципів проектування і програмування мікропроцесорних пристроїв для застосування в автоматиці та інших галузях науки і техніки.
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у студентів необхідних компетентностей: Інтегральних (ІНТ): здатність розв’язувати складні задачі і проблеми автоматизації та комп‘ютерно-інтегрованих технологій у професійній діяльності та/або у процесі навчання, що передбачає проведення досліджень та/або проведення інноваційної діяльності та характеризується комплексністю та невизначеністю вимог та умов; загальних: ЗК1. Здатність проведення досліджень на відповідному рівні. спеціальних: СК2. Здатність проектувати та впроваджувати високонадійні системи автоматизації та їх прикладне програмне забезпечення для реалізації функцій управління та опрацювання інформації, здійснювати захист прав інтелектуальної власності на нові проектні та інженерні рішення.. Результати вивчення даної дисципліни деталізують такі програмні результати навчання: РН02. Створювати високонадійні системи автоматизації з високим рівнем функціональної та інформаційної безпеки програмних та технічних засобів. РН08. Застосовувати сучасні математичні методи, методи теорії автоматичного керування, теорії надійності та системного аналізу для дослідження та створення систем автоматизації складними технологічними та організаційно-технічними об’єктами кібернетичних виробництв.. РН10. Розробляти і використовувати спеціалізоване програмне забезпечення та цифрові технології для створення систем автоматизації складними організаційно-технічними об’єктами, професійно володіти спеціальними програмними засобами.. РН11. Дотримуватись норм академічної доброчесності, знати основні правові норми щодо захисту інтелектуальної власності, комерціалізації результатів науково-дослідної, винахідницької та проектної діяльності.
Результати навчання: У результаті вивчення навчальної дисципліни студент повинен бути здатним продемонструвати такі результати навчання: а) знати - особливості архітектури універсальних мікропроцесорів, мікроконтролерів; - основні фактори впливу на швидкодію програмованих засобів при реалізації на їх основі електронних систем будь-якого призначення; - підходи та принципи використання одноплатних малогабаритних комп’ютерів типу Arduino, ефективних при побудові різноманітних електронних засобів автоматики, зв’язку, робототехніки, цифрової обробки сигналів, методи їх програмування мовою високого рівня, тощо; - підходи до розроблення програмованих пристроїв найрізноманітнішого призначення; б) вміти - застосовувати програмні методи введення аналогового сигналу через аналогові входи цифрового комп’ютера, правильно використовувати його цифрові входи, аргументовано вибирати варіанти реалізації мікропроцесорних систем в залежності від їх призначення та виконання поставленої задачі; - формулювати вимоги до характеристик програмованих електронних систем; - створювати принципові схеми електронних засобів на основі мініатюрних одноплатних комп’ютерів типу Arduino та інших типів; - програмувати засоби, побудовані на базі мініатюрних одноплатних комп’ютерів типу Arduino та інших типів; - оцінювати точність розроблених засобів; - вибирати основні характеристики мікропроцесора під вирішення конкретних задач.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Супервізорні системи керування та збору даних. Проектування та програмування мікропроцесорних пристроїв автоматики, КП
Короткий зміст навчальної програми: У навчальній дисципліні „Проектування та програмування мікропроцесорних пристроїв автоматики” розглядаються теоретичні та практичні аспекти проектування мікропроцесорних пристроїв з використанням сучасної елементної бази, зокрема одноплатних комп’ютерів типу Arduino, Wiring, Raspberry Pi і т.д., збудованих на основі 8-розрядних мікроконтролерів. Особлива увага надається розгляду практичних прикладів проектування та програмування конкретних засобів, на яких продемонстровано особливості підходів до виконання різних технічних завдань.
Опис: Тема 1. Загальний порядок проектування апаратно-програмних засобів Загальний порядок проектування апаратних засобів. Основні стадії проектування. Методика проектування технічних засобів. Загальні відомості про цифрову систему керування. Тема 2. Методологія проектування пристроїв на основі мікропроцесорів Основні етапи проектування мікропроцесорних пристроїв. Розробка базової концепції та алгоритму роботи пристрою. Проектування апаратних засобів. Розробка алгоритмів робочих програм. Розроблення робочих програм. Приклади деяких найпростіших програм. Тема 3. Швидкість виконання завдань процесорами Вплив мови програмування на швидкість виконання завдань. Вплив технічних засобів на швидкість виконання завдань. Вплив програмних алгоритмів на швидкість виконання завдань. Тема 4. Мікроконтролери. Основні особливості Мікроконтролери з CISC-архітуктурою: Структура; Умовне позначення МС типу і8051; ПЗП або резидентна пам’ять програм (РПП); Блок управління; Порти вводу/виводу; Блок таймерів/лічильників (Т/C); Мікроконтролери з RISC-архітектурою сімейства AVR: Ядро мікроконтролерів AVR; Структура мікроконтролера AT90S8535. Пам’ять програм і даних. Периферія МК AVR. Основні характеристики системи команд АVR та характеристики сімейства Classic. Тема 5. Засоби спрощеного проектування та програмування мікропроцесорних пристроїв Комунікація між фізичними об’єктами. Класифікація комп’ютерів за фізичним інтерфейсом. Одноплатні комп’ютери. Склад плати Arduino UNO та його умовне позначення. Аналогові входи Arduino. Програмне середовище. Розроблення програм в середовищі IDE. Алгоритми обчислювальних процесів. Планування та розроблення проектів з Arduino. Повторення команд за допомогою петлі for. Тема 6. Приклади використання ARDUINO при проектуванні технічних засобів Застосування широтно-імпульсної модуляції (ШІМ-PWM). Використання цифрових виводів. Використання виразу if-than-else. Логічні змінні. Приклад проектування тестера батарейки живлення. Тема 7. Арифметичні операції в системі ARDUINO Змінна типу float. Оператори порівняння чисел. Підвищення точності вимірювань аналогового сигналу за допомогою опорної напруги. Робота з функціями. Проектування та програмування швидкого термометра з використанням світлодіоду.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль здійснюється шляхом перевірки знань усним опитуванням та виконанням індивідуальних завдань. Підсумкове оцінювання знань на екзамені складається з усної компоненти та письмового вирішення індивідуальних завдань. Тема 3. Швидкість виконання завдань процесорами Вплив мови програмування на швидкість виконання завдань. Вплив технічних засобів на швидкість виконання завдань. Вплив програмних алгоритмів на швидкість виконання завдань.
Критерії оцінювання результатів навчання: Поточний контроль - перевірка знань шляхом усного опитування та виконання індивідуальних завдань: - на практичних заняттях 30 балів; Підсумкове оцінювання знань на екзамені: - усна компонента 20 балів; - письмова компонента 50 балів.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Tom Igoe. Spraw by rzeczy przemowily. Programowanie urzadzen elektronicznych z wykorzystaniem Arduino. Gliwice, Helion, 2011.-462 s. 2. John Boxall. ARDUINO 65 praktyczny7ch projektow. Gliwice, Helion, 2014.-422 s. 3. Бучма І.М. Мікропроцесорні пристрої.-Львів: „Львівська політехніка”, 2005.-235с. 4. Tom Igoe. Spraw by rzeczy przemowily. Programowanie urzadzen elektronicznych z wykorzystaniem Arduino. Gliwice, Helion, 2011.-462 s. 5. ВНС.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою: вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112 E-mail: nolimits@lpnu.ua Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).

Проєктування та програмування мікропроцесорних пристроїв автоматики (курсовий проєкт)

Спеціальність: Комп'ютеризовані системи управління та автоматика
Код дисципліни: 7.174.06.E.019
Кількість кредитів: 3.00
Кафедра: Комп'ютеризовані системи автоматики
Лектор: д.т.н., професор Бучма Ігор Михайлович
Семестр: 2 семестр
Форма навчання: денна
Мета вивчення дисципліни: Метою вивчення дисципліни є засвоєння теорії і практики проектування технічних засобів мікропроцесорних пристроїв, розроблення алгоритмів керування та робочих програм.
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у студентів необхідних компетентностей: загальні компетентності: знання етапів проектування технічних засобів взагалі та технічних засобів на основі мікропроцесорів зокрема; фахові компетентності: рівень фахової компетентності повинен відповідати високому умінню використовувати набуті знання при проектуванні засобів з використанням сучасних мікропроцесорів, зокрема, мікроконтролерів та вбудовуваних комп'ютерів.
Результати навчання: У результаті вивчення навчальної дисципліни студент повинен бути здатним продемонструвати такі результати навчання: знати: - етапи проектування ДКР та в загальному типи і етапи виконання НДР; - особливості та етапи проектуваннч технічних засобів мікропроцесорних пристроїв; - особливості розроблення алгоритмів керування та робочих програм; - основні програмні модулі, з яких будується програма; - особливості використання мікропроцесорів, мікроконтролерів та вбудовуваних комп'ютерів; - вплив різних технічних та програмних факторів на швидкодію мікропроцесорних пристроїв; - програмні середовища для розроблення програмного забезпечення. вміти: вибирати мікропроцесори або вбудовувані комп'ютери для реалізації мікропроцесорного пристрою, розробити алгоритми керування пристроєм, створювати робочі програми пристрою; проектувати пристрої та розраховувати їх кінцеві параметри
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Основи схемотехніки Комп'ютерна електроніка, ч.2 Мікроконтролери Платформи Інтернету речей
Короткий зміст навчальної програми: У процесі вивчення дисципліни засвоюються знання та підходи пов'язані з проектуванням технічних засобів взагалі та мікропроцесорних зокрема, тобто основні етапи проектування мікропроцесорного пристрою: розроблення основної концепції пристрою; розроблення алгоритму керування, розроблення технічних засобів пристрою, розроблення програмних засобів пристрою. Формуються знання необхідні для оцінки впливу різних факторів на швидкодію мікропроцесорного пристрою, знання, що стосуються використання мікроконтролерів з архітектурою CISC та RISC. Набуваються знання з використання вбудовуваних комп'ютерів для побудови мікропроцесорних пристроїв та використання мови С і програмного середовища IDE для написання та верифікації програм.
Опис: Тема 1. Загальний порядок проектування апаратно-програмних засобів Загальний порядок проектування апаратних засобів. Основні стадії проектування. Методика проектування технічних засобів. Загальні відомості про цифрову систему керування. Тема 2. Методологія проектування пристроїв на основі мікропроцесорів Основні етапи проектування мікропроцесорних пристроїв. Розробка базової концепції та алгоритму роботи пристрою. Проектування апаратних засобів. Розробка алгоритмів робочих програм. Розроблення робочих програм. Приклади деяких найпростіших програм. Тема 3. Швидкість виконання завдань процесорами Вплив мови програмування на швидкість виконання завдань. Вплив технічних засобів на швидкість виконання завдань. Вплив програмних алгоритмів на швидкість виконання завдань. Тема 4. Мікроконтролери. Основні особливості Мікроконтролери з CISC-архітуктурою: Структура; Умовне позначення МС типу і8051; ПЗП або резидентна пам’ять програм (РПП); Блок управління; Порти вводу/виводу; Блок таймерів/лічильників (Т/C); Мікроконтролери з RISC-архітектурою сімейства AVR: Ядро мікроконтролерів AVR; Структура мікроконтролера AT90S8535. Пам’ять програм і даних. Периферія МК AVR. Основні характеристики системи команд АVR та характеристики сімейства Classic. Тема 5. Засоби спрощеного проектування та програмування мікропроцесорних пристроїв Комунікація між фізичними об’єктами. Класифікація комп’ютерів за фізичним інтерфейсом. Одноплатні комп’ютери. Склад плати Arduino UNO та його умовне позначення. Аналогові входи Arduino. Програмне середовище. Розроблення програм в середовищі IDE. Алгоритми обчислювальних процесів. Планування та розроблення проектів з Arduino. Повторення команд за допомогою петлі for. Тема 6. Приклади використання ARDUINO при проектуванні технічних засобів Застосування широтно-імпульсної модуляції (ШІМ-PWM). Використання цифрових виводів. Використання виразу if-than-else. Логічні змінні. Приклад проектування тестера батарейки живлення. Тема 7. Арифметичні операції в системі ARDUINO Змінна типу float. Оператори порівняння чисел. Підвищення точності вимірювань аналогового сигналу за допомогою опорної напруги. Робота з функціями. Проектування та програмування швидкого термометра з використанням світлодіоду.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль здійснюється шляхом перевірки знань усним опитуванням та виконанням індивідуальних завдань. Підсумкове оцінювання знань на екзамені складається з усної компоненти та письмового вирішення індивідуальних завдань.
Критерії оцінювання результатів навчання: Поточний контроль - перевірка знань шляхом усного опитування та виконання індивідуальних завдань: - на практичних заняттях 20 балів; Підсумкове оцінювання знань на екзамені: - усна компонента 20 балів; - письмова компонента 60 балів.
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Бойко В.И. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микроконтроллеры.-СПб: БХВ-Петербург, 2004.-464с. 2. John Boxall. ARDUINO 65 praktyczny7ch projektow. Gliwice, Helion, 2014.-422 s. 3. Бучма І.М. Мікропроцесорні пристрої.-Львів: „Львівська політехніка”, 2005.-235с. 4. Tom Igoe. Spraw by rzeczy przemowily. Programowanie urzadzen elektronicznych z wykorzystaniem Arduino. Gliwice, Helion, 2011.-462 s. 5. ВНС.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою: вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112 E-mail: nolimits@lpnu.ua Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).