Типовой комплект учебного оборудования «Интерфейсы периферийных устройств» IPU

Описание

Для изучения интерфейсов взаимодействия компьютеров и периферии предназначен предлагаемый стенд «Интерфейсы периферийных устройств» (далее ИПУ). В лабораторных работах освещаются как уже устаревающие, но показательные при обучении интерфейсы PS/2 (для клавиатур и «мышей»), Centronics (для подключения принтеров), так и повсеместно распространенные и популярные интерфейсы типа USB и RS-232 (для модемной связи). Помимо этого, стенд позволяет изучать и интерфейсы между внутренними узлами компьютера, например, интерфейс доступа в flash-памяти SPI, управляющий интерфейс I2C, а также однопроводной интерфейс для датчиков температуры и ключей-таблеток 1-wire. Таким образом, появляется возможность изучить работу узлов компьютерной системы, как между собой, так и с внешними устройствами.

Лабораторные работы и методические рекомендации по их проведению:

• 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).

Состав комплекта

• Модуль логического анализатора 1 шт.
  • не менее 16 каналов логического анализатора;
  • частота дискретизации до 200 МГц;
  • измерение, декодирование и анализ сигналов: I2C, UART (RS232C, RS485), SPI и смешанных сигналов с тактовой частотой до 100 МГц;
  • память на канал до 1 Мбит, захват от 5нс;
  • расширенная синхронизация, анализ: по шине, логический, статистический;
  • коэффициент сжатия до 255:1;
  • передача данных по интерфейсу USB 2.0 на управляющий компьютер;
  • напряжение питания 220 В;
  • потребляемая мощность от сети не более 20 Ватт;
  • диапазон рабочих температур, не менее: +10…+40 С;
  • корпус изготовлен из пластмассы и снабжен резиновыми ножками.
• Модуль контроллера ПУ 2 шт.
  • питание от интерфейса USB (напряжение питания не менее 5 вольт, потребляемый ток не более 300 мА);
  • USB-интерфейс для соединения с компьютером;
  • диапазон рабочих температур, не менее: +10…+40 С;
  • корпус изготовлен из пластмассы и снабжен резиновыми ножками.
• Модуль микроконтроллера USB 1 шт.
  • питание от интерфейса USB (напряжение питания 5 вольт, потребляемый ток не более 300 мА);
  • USB-интерфейс для соединения с компьютером;
  • USB-Host разъем для подключения устройств USB;
  • USB-Slave разъем для подключения целевого микроконтроллера в ПК;
  • диапазон рабочих температур, не менее: +10…+40 С;
  • корпус изготовлен из пластмассы и снабжен резиновыми ножками.
• Модуль преобразования уровней сигналов 1 шт.
  • питание от интерфейса USB (напряжение питания не менее 5 вольт, потребляемый ток не более 300 мА);
  • USB-интерфейс для соединения с компьютером;
  • разъем Centronics для соединения с LPT-разъемом ПК;
  • разъем DB-9 для соединения с COM-портом компьютера;
  • разъем PS/2 для соединения с клавиатурами или мышками;
  • диапазон рабочих температур, не менее: +10…+40 С;
  • корпус изготовлен из пластмассы и снабжен резиновыми ножками.
• Соединительные провода для коммутации гнёзд на лицевых панелях модулей 30 шт.
• Провод LPT->Centronics 1 шт.
• Провод USB AM->BF 4 шт.
• Провод DB9->DB9 1 шт.
• Мышь USB 1 шт.
• Клавиатура USB 1 шт.
• Персональный компьютер 1 шт.:
  • системный блок 1 шт.
  • монитор жидкокристаллический 1 шт.
  • клаиватура USB 1 шт.
  • мышь USB 1 шт.
• USB-Flash накопитель емкостью не менее 1 Гб 1 шт.
• ПО
  • AKIP Logic Analyzer (Программное обеспечение для работы с логическим анализатором);
  • Eclipse SDK (Для программирования на языке С и С++);
  • ATMEL AVR Studio 4.19 (Для программирования на языке ассемблер);
  • Bray+ Terminal (Для работы с СОМ-портом);
  • LPTprog (Для управления LPT-портом).
• Осциллограф

Описание состава

Главным модулем стенда является модуль «Контроллер Периферийного Устройства», или, сокращенно «Контроллер ПУ». В комплект входят два таких модуля.

Модуль содержит в себе микроконтроллер ATmega16 фирмы Atmel. 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 (отладчик JTAG ICE), позволяя выполнять программу по шагам, менять значения ячеек памяти и многое другое, значительно облегчая отладку программ. На передней панели расположен символьный четырехстрочный LCD-дисплей, подключенный к микроконтроллеру. Также на лицевой панели смонтировано 2 кнопочных переключателя и 4 светодиода. Для сброса целевого микроконтроллера предусмотрена кнопка сброса. Для индикации состояния отладчика предусмотрены светодиоды индикации его состояния.

Для работы с интерфейсом USB служит специальный модуль – «Микроконтроллер USB».

Модуль содержит в себе микроконтроллер AT90USB1287 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 (в модуле содержится программатор AVR ISP). На передней панели расположен символьный четырехстрочный LCD-дисплей, подключенный к микроконтроллеру. Также на лицевой панели смонтировано 2 кнопочных переключателя и 4 светодиода для облегчения отладки программ. Для сброса микроконтроллера предусмотрена специальная кнопка сброса. Для индикации состояния отладчика предусмотрены специальные светодиоды.

Для преобразования уровней сигналов физических портов компьютера к ТТЛ уровням применяется модуль «Преобразователь уровней сигналов».

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).

Для получения временных диаграмм работы интерфейсов служит модуль логического анализатора. 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+ с интерфейсом 1-wire (для изменения его температуры предусмотрена кнопка, включающая нагреватель, расположенный непосредственно около датчика), память Touch-Memory (ключ-таблетка), два отключаемых генератора меандра с частотами 1 кГц и 1 Гц.

Для подключения доступны 16 каналов логического анализатора с частотой дискретизации до 200 МГц. Анализатор позволяет проводить измерение, декодирование и анализ сигналов I2C, UART (RS232C, RS485), SPI и смешанных сигналов с тактовой частотой до 100 МГц. Встроенная память до 1 Мбит на канал позволяет сохранять диаграммы, растянутые по времени. Анализатор имеет несколько режимов синхронизации: по шине, логический, статистически и другие.

Опционально к стенду можно заказать портативный цифровой четырехканальный осциллограф. Применение этого прибора во многих ситуациях значительно проще логического анализатора. Также появляется возможность исследовать аналоговые сигналы.