514

2

УДК 004.384

Программирование микроконтроллеров для мехатронных и робототехнических систем [Электронный ресурс]: методические указания для самостоятельной работы студентов по направлению подготовки 15.03.06 Мехатроника и робототехника / А. В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 8 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», доктор технических наук, профессор Афоничев Д.Н.

3

Введение

Учебный план по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника» включает изучение дисциплины «Программирование микроконтроллеров для мехатронных и робототехнических систем» в течение 7-го семестра в объеме 144 часов, из которых 18 часов отводится для лекционных занятий, 36 часов для лабораторных работ, 54 часа для самостоятельной работы студентов, 36 часов на подготовку к прохождению итогового контроля (сдача экзамена). Кроме того, по данной дисциплине предусматривается выполнение и защита курсовой работы.

Рабочая программа дисциплины определяет в качестве основной цели формирование у студентов теоретических знаний и практических навыков программирования микроконтроллеров семейства AVR фирмы Atmel (на примере использования 8-разрядного микроконтроллера ATmega8535).

Для достижения данной цели в ходе изучения дисциплины решаются следующие задачи:

изучение архитектуры, системы команд, режимов адресации, а также возможностей языка Ассемблера микроконтроллеров семейства AVR;

ознакомление с составом и особенностями функционирования периферийных устройств микроконтроллеров семейства AVR (на примере использования 8-разрядного микроконтроллера ATmega8535);

освоение методики разработки программного обеспечения на языке Ассемблера для микроконтроллеров семейства AVR в интегрированной среде Atmel AVR Studio, включая выполнение отладки программы с использованием программного эмулятора;

приобретение навыков работы с микроконтроллерным блоком управления лабораторного комплекса «Программирование микроконтролле-

ров».

В результате освоения дисциплины «Программирование микроконтроллеров» студент должен:

знать: архитектуру, систему команд, режимы адресации, а также возможности языка Ассемблера, состав и особенности функционирования периферийных устройств микроконтроллеров семейства AVR;

уметь: строить алгоритмы и разрабатывать программы на языке Ассемблера для микроконтроллеров семейства AVR для управления различными технологическими объектами;

владеть: методикой подготовки и отладки программ в интегрированной среде разработки Atmel AVR Studio, приемами работы с блоком управления лабораторного комплекса «Программирование микроконтроллеров».

1 Содержание учебной дисциплины

В соответствии с рабочей программой освоение дисциплины «Программирование микроконтроллеров» предусматривает изучение следующих разделов (тем) и вопросов, входящих в их состав:

4

Раздел 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ В МЕХАТРОННЫХ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Применение микропроцессорной техники для обработки информации и управления в мехатронных и робототехнических системах. Общие сведения о микроконтроллерах. Особенности использования микроконтроллеров в мехатронных и робототехнических системах.

Раздел 2. АРХИТЕКТУРА И ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА AVR

Классификация микроконтроллеров семейства AVR. Архитектура 8- разрядных микроконтроллеров семейства AVR. Организация памяти 8- разрядных контроллеров семейства AVR. Система команд и режимы (способы) адресации микроконтроллеров семейства AVR.

Раздел 3. ЯЗЫК АССЕМБЛЕРА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА AVR

Директивы Ассемблера. Структура программы на языке Ассемблера. Методика разработки программы на языке Ассемблера в интегрированной интерактивной среде Atmel AVR Studio. Средства отладки программ для микроконтроллеров семейства AVR.

Раздел 4. СОСТАВ, ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ 8-РАЗРЯДНЫХ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА AVR

Параллельные порты ввода-вывода. Система прерываний. Программирование внешних прерываний. Таймеры-счетчики. Аналоговый компаратор. Ана- лого-цифровой преобразователь. Интерфейсы связи для микроконтроллеров семейства AVR: последовательный интерфейс SPI, универсальный асинхронный приемо-передатчик USART. Защита кода и данных. Конфигурационные и калибровочные ячейки микроконтроллеров семейства AVR. Режимы параллельного и последовательного программирования, самопрограммирования.

Назначение лекционных занятий по дисциплине «Программирование микроконтроллеров для мехатронных и робототехнических систем» получение теоретических знаний студентами по важнейшим разделам дисциплины, а также формирование общего представления по обзорным темам (вопросам) дисциплины.

Помимо лекционных занятий, обязательным элементом изучения дисциплины «Программирование микроконтроллеров для мехатронных и робототехнических систем» является прохождение студентом лабораторного практикума. Согласно Положению о сдаче экзаменов и зачётов в ФГБОУ ВО ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова студент, не выполнивший лабораторный практикум, не допускается к сдаче экзамена или зачёта.

В соответствии с рабочей программой дисциплины «Программирование микроконтроллеров» предусматривается следующая тематика лаборатор-

ных работ (в скобках указано нормативное количество времени, отводимое на выполнение и защиту лабораторной работы):

1.Блок управления учебно-лабораторного комплекса «Программирование микроконтроллеров» (4 часа).

5

2.Общее знакомство с интегрированной средой разработки программ

AVR Studio (6 часа).

3.Управление параллельными портами ввода-вывода МК ATmega8535 (8 часов).

4.Изучение системы внешних прерываний МК ATmega8535 (6 часов).

5.Изучение работы таймеров-счётчиков МК ATmega8535 (6 часов).

6.Изучение работы аналого-цифрового преобразователя МК ATmega8535

(6 часов).

Каждая работа лабораторного практикума предполагает выполнение практической части с использованием учебно-лабораторного оборудования, подготовку письменного отчёта о выполненной лабораторной работе и его защиту. Требования к оформлению отчёта обычно излагаются в методических указаниях к лабораторным работам. При защите отчёта студент должен продемонстрировать знание необходимого теоретического минимума по теме лабораторной работы, аргументировано ответить на вопросы преподавателя, касающиеся практической части работы.

При изучении дисциплины используются:

мультимедийная техника (ноутбук, видеопроектор, интерактивная доска) при чтении лекций;

интегрированная среда AVR Studio фирмы Atmel для разработки программ на языке ассемблера;

специальное прикладное ПО для работы с блоком управления учебнолабораторного комплекса «Программирование микроконтроллеров».

В соответствии с учебным планом на самостоятельную работу студента предусматривается более трети от общего времени, отводимого на изучение дисциплины. При этом одну часть времени, планируемого для самостоятельной работы, предполагается использовать для самостоятельного изучения отдельных вопросов лекционного курса, другую для доработки отчётов о выполненных лабораторных работах и подготовки к их защите, третью для выполнения курсовой работы и подготовки к её защите.

2 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы

При осуществлении самостоятельной работы студент должен руководствоваться указаниями преподавателя, данными методическими указаниями, методическими указаниями к лабораторным работам, методическими указаниями к выполнению курсовой работы, материалами конспекта лекций, рекомендованной основной и дополнительной учебной литературой, включая электронные источники информации.

Ниже приведен перечень основной и дополнительной литературы, имеющейся в учебной библиотеке ВГЛТУ, а также представленной в открытом доступе в электронных библиотечных системах (ЭБС): Знаниум, Единое окно доступа к образовательным ресурсам и других.

6

Основная литература

1. Гуров, В. В. Микропроцессорные системы [Электронный ресурс] : учебник / В. В. Гуров. – М. : ИНФРА, 2018. – 336 с. – ЭБС «Знаниум».

Дополнительная литература

1.Водовозов, М. В. Микроконтроллеры для систем автоматики [Электронный ресурс] : учеб. пособие / М. В. Водовозов. – Изд. 3-е, доп. и перераб. – М. : Инфра-Инженерия, 2016. – 164 с. – ЭБС «Знаниум».

2.Стариков, А. В. Программирование микроконтроллеров для мехатронных и робототехнических систем [Электронный ресурс] : лабораторный практикум по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника» для очной формы обучения / А. В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». – Воронеж, 2018. – 75 с. – ЭБС ВГЛТУ.

–ЭБС ВГЛТУ.

3. Стариков, А. В. Программирование микроконтроллеров для мехатронных и робототехнических систем [Электронный ресурс] : методические указания к выполнению курсовой работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника» для очной формы обучения / А. В. Стариков; М-во науки и высшего образования РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ».

–Воронеж, 2018. – 16 с. – ЭБС ВГЛТУ.

4.Смирнов, Ю. А. Основы микроэлектроники и микропроцессорной техники [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Ю.А. Смирнов, С.В. Соколов, Е.В. Титов. – СПб : Лань, 2013. – 496 с. – ЭБС «Издательство «Лань».

5.Воробьева, Г. С. Микроконтроллеры семейства AVR [Электронный ресурс]: лаб. практикум. Методич. рекомендации к выполнению цикла лабораторных работ по дисциплине «Основы микропроцессорной техники» для студентов направлений 210100 «Электроника и микроэлектроника» и 200300 «Биомедицинская инженерия» / Г. С. Воробьева, М. В. Журавлев, Д. П. Упады-

шев, А.М. Штейн. Томск: Изд-во ТПУ, 2009. 90 с. ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам».

Для качественного освоения дисциплины, возможно, потребуются следующие ресурсы информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»:

ЭБС «Единое окно доступа к образовательным ресурсам»: http://window.edu.ru/;

ЭБС «Знаниум»: http://www.znanium.com;

сайт фирмы Atmel: http://www.atmel.com;

сайт с обширной подборкой научной, учебной и учебно-методической литературы, представленной в виде библиотеки открытых электронных источников: http://www.twirpx.com (информация о микроконтроллерах

AVR: http://www.twirpx.com/library/comp/microcontrollers/avr/).

Поскольку лекции читаются не в полном объёме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд тем (табл. 1). Преподаватель сообщает студентам их общее содержание и организует контроль знаний по заявленным темам.

7

Проверка качества освоения разделов (тем) дисциплины осуществляется посредством текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации студентов. Результаты текущего контроля отражаются в баллах модульнорейтинговой системы оценки знаний.

После завершения лекционного курса, выполнения лабораторного практикума и защиты курсовой работы студент допускается к сдаче экзамена по дисциплине «Программирование микроконтроллеров для мехатронных и робототехнических систем». Перечень вопросов для подготовки к экзамену приведен ниже.

Перечень вопросов для подготовки к экзамену

1.Типовая структура микроконтроллерной системы управления.

2.Классификация микроконтроллеров семейства AVR.

3.Описание архитектуры 8-разрядных микроконтроллеров семейства

AVR.

4.Описание разрядов регистра состояния (SREG) микроконтролллеров семейства AVR.

5.Организация памяти микроконтроллеров семейства AVR.

6.Программная модель микроконтроллеров семейства AVR.

7.Перечень этапов разработки программного обеспечения для встраиваемых микроконтроллеров.

8.Описание программных средств, используемых для разработки программного обеспечения.

9.Определение понятия кросс-разработки программного обеспечения.

10.Система команд микроконтроллеров семейства AVR.

11.Способы (режимы) адресации микроконтроллеров семейства AVR.

12.Директивы ассемблера микроконтроллеров семейства AVR.

8

13.Структура программы на языке ассемблера микроконтроллеров семейства AVR.

14.Описание методики разработки программы на языке ассемблера в интегрированной среде разработки Atmel AVR Studio.

15.Перечислить средства отладки программ для микроконтроллеров семейства AVR.

16.Описать возможности и особенности программного управления параллельными портами ввода-вывода микроконтроллеров семейства

AVR.

17.Описать возможности и особенности системы прерываний микроконтроллеров семейства AVR.

18.Описать особенности программирования внешних прерываний микроконтроллеров семейства AVR.

19.Описать работу с таймерами-счётчиками микроконтроллеров семейства AVR.

20.Описать работу аналогового компаратора микроконтроллеров семейства AVR.

21.Описать работу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллеров семейства AVR.

22.Интерфейсы связи для микроконтроллеров семейства AVR: последовательный интерфейс SPI.

23.Интерфейсы связи для микроконтроллеров семейства AVR: универсальный асинхронный приемо-передатчик USART.

24.Защита кода и данных. Конфигурационные и калибровочные ячейки микроконтроллеров семейства AVR.

25.Режимы параллельного и последовательного программирования, самопрограммирования.

Стариков Александр Вениаминович

Программирование микроконтроллеров для мехатронных и робототехнических систем

Методические указания для самостоятельной работы по направлению подготовки бакалавра 15.03.06 – «Мехатроника и робототехника»

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова»