Цифрові пристрої 2

Мета дисципліни:

формування комплексу знань і здобуття навичок з розробки апаратних та програмних засобів  радіоелектронних  і телекомунікаційних цифрових пристроїв на мікроконтролерів; аналіз проблем та особливостей їх використання. 

Завдання дисципліни: 
 
- вивчення базових архітектур мікропроцесорних систем;
- вивчення принципів побудови та функціонування  мікроконтролерів;
- вивчення методів розробки апаратного забезпечення мікроконтролерних систем;
- вивчення методів розробки програмного забезпечення мікроконтролерних систем; 
- оволодіння навичками проектування цифрових систем на базі  мікроконтролерів.
- здобуття навичок здійснювати моделювання цифрових пристроїв на основі сучасних методів  комп’ютерного моделювання;
- придбання навичок та вмінь самостійно використовувати методи розробки апаратного та програмного забезпечення для проектування радіоелектронних  і телекомунікаційних систем на базі  мікроконтролерів  при виконанні кваліфікаційних  та  науково-дослідних робіт.
 
Основні результати навчання 
- уміти застосовувати базові знання основних нормативно-правових актів та довідкових матеріалів, чинних стандартів і технічних умов, інструкцій та інших нормативно-розпорядчих документів у галузі електроніки та телекомунікацій;
- уміти застосовувати знання в галузі інформатики й сучасних інформаційних технологій, обчислювальної і мікропроцесорної техніки та програмування, програмних засобів для розв’язання спеціалізованих задач та практичних проблем у галузі професійної діяльності.   
- здатність брати участь у створенні прикладного програмного забезпечення для елементів (модулів, блоків, вузлів) телекомунікаційних систем, інфокомунікаційних, телекомунікаційних мереж, радіотехнічних систем, тощо;
- уміти проектувати, в т.ч. схемотехнічно нові (модернізувати існуючі) елементи (модулі, блоки, вузли) телекомунікаційних та радіотехнічних систем, систем телевізійного й радіомовлення тощо.
- уміти використовувати системи моделювання та автоматизації схемотехнічного проектування для розроблення елементів, вузлів, блоків радіотехнічних та телекомунікаційних систем;
- здатність знаходити, оцінювати і використовувати інформацію з різних джерел, необхідну для розв’язання професійних завдань, включаючи відтворення інформації через електронний пошук; 
- застосовувати розуміння теорії стохастичних процесів, методи статистичної обробки та аналізу даних при розв'язанні професійних завдань;
- уміти застосовувати знання в галузі інформатики й сучасних інформаційних технологій, обчислювальної і мікропроцесорної техніки та програмування, програмних засобів для розв’язання спеціалізованих задач та практичних проблем у галузі професійної діяльності.  
 

Форми організації освітнього процесу та види навчальних занять
 
Л – лекційні заняття; Лз – лабораторні заняття; СРС – самостійна робота здобувача вищої освіти; РГР – розрахунково-графічна робота; МКР – модульна контрольна робота; К – консультації.
 
Тематика та види навчальних занять
 
1 тиждень
Л1. Загальна характеристика мікропроцесорних систем.  Класифікація  мікропроцесорних систем.  фоннеймановська і гарвардська архітектура мікропроцесорних систем 
Л2. Запам’ятовувальні пристрої в МПС  Класифікація та параметри напівпровідникових запам’ятовувальних пристроїв  Методика побудови модулів памяті  в МПС.
Лз1. Програмнме середовище Proteus, для емуляції роботи цифрових пристроїв. 
СРС. К.
 
2 тиждень
Л3. Принцип побудови обчислювального ядра мікропроцесорної системи. Організація пам'яті програм та пам'яті даних.  Блок інтерфейсних функцій.  Переривання.   
Л4. Архітектура мікроконтролерів AVR  Загальні відомості про архітектуру мікроконтролерів AVR.  Сімейства мікроконтролерів ATmega та ATtiny.

Лз2. Повноекранний налагоджувач програм  MicrochipStudio для  мікроконтролерів фірми Microchip(Atmel)
СРС. К.
 
3 тиждень
Л5.  Організація обчислювального ядра мікроконтролерів ATmega та ATtiny   Програмна модель  мікроконтролерів сімейства AVR . Переривання.
Л6. Організація пам’яті мікроконтролерів ATmega8 та ATtiny2313.  Пам’ять програм.  Пам’ять даних. Регістри загального призначення.  Регістри вводу-виводу. Засоби адресації пам’яті даних.
Лз3. Налагоджувач програм CodeVisionAVR  для  мікроконтролерів сімейства AVR. 
СРС. К.
 
4 тиждень
Л7. Система команд мікроконтролерів AVR    Формат програми на асемблері.   Арифметичні і логічні команди асемблера. Команди передачі даних.
Л8. Система команд мікроконтролерів AVR.    Команди розгалуження та пересилання Асемблера.  Команди роботи з бітами.  Директиви компілятора асемблера.
Лз.4 Програмна реалізація генератора імпульсів і вимірювача тимчасових інтервалів на  мікроконтролерах AVR без та з використанням таймерів-лічильників
СРС. К.
 
5 тиждень
Л9. Робота в програмному середовищі  MicrochipStudio. Вікна та режими MicrochipStudio. Розробка та налагодження програм на мові асемблер в MicrochipStudio 
Л10. Основи мови С для мікроконтролерів. Оператори С.  Робота з функціями.
Особливості роботи з розрядами в мові С. Розробка та налагодження програм на мові С в MicrochipStudio.
Лз5 Ввід інформації з клавіатури засоби   її ївідображення на світлодіодних індикаторах  
СРС. К.
 
6 тиждень
Л11. Робота в програмному середовищі  CodeVision AVR. Вікна та режими CodeVision AVR.  Розробка та налагодження програм на мові C в  CodeVision AVR.
Л12. Організація інтерфейсних підсистем мікроконтролерів ATmega8 та ATtiny2313  Порти вводу-виводу.  Таймери-лічильники.
Лз6. Використання  послідовних портів USART та SPI  в AVR 
СРС. К.
 
7 тиждень
Л13. Організація підсистем мікроконтролерів ATmega8 та ATtiny2313   Аналоговий компаратор. Аналогово-цифровий перетворювач.   
Л14. Послідовні периферійні інтерфейси мікроконтролерів ATmega 8 та ATtiny2313: універсальний синхронно-асинхронний прийомо-передавач.
Лз7. Мікроконтролерний вимірювач температури по протоколу 1Wire з індикацією на РК індикаторі
 СРС. К.
 
8 тиждень
Л15. Послідовні периферійні інтерфейси  мікроконтролерів ATmega8 та ATtiny2313: послідовний периферійний інтерфейс SPI, TWI, 1Wire.
Л16. Огляд процесорів Cortex  Версії архітектур ARM. Процесор Cortex , Обчислювальне ядро Cortex.  Програмна модель. Карта пам'яті. Метод "Bit Banding"
Лз8. Використання  вбудованих АЦП  і таймера  МК  ATmega328  для   управління параметрами вихідного сигналу з ШИМ 
СРС. К.  МКР1.
 9 тиждень
Л17. Архітектура обчислювального ядра  мікроконтролерів ARM  Cortex M3.Регістри.  Регістри спеціального призначення. Режими роботи. Виключення і переривання. Таблиця векторів та стек.
Л18. Система пам’яті мікроконтролерів ARM  Cortex M3 Основні особливості системи пам’яті.  Карта пам’яті. Атрибути доступу до пам’яті
Лз9. Вивчення архітектури стенду на базі відлагоджувальної  плати фірми «STM»  з МК з ядром ARM–Cortex М3
СРС. К.
 
10 тиждень
Л19. Пристрої введення-виведення мікроконтролерів ARM  Cortex M3. Порти введення-виведення загального призначення.  Альтернативні функції.  Сигналізація подій.
Л20. Контролер вкладених векторних переривань мікроконтролерів ARM  Cortex M3.  Загальні свідомості про контролер переривань. Базові засоби конфігурації переривань. Приклади ініціалізації переривань. Програмні переривання
Лз10. Програмна реалізація генерування  сигналів в МК з ядром ARM–Cortex М3; використання ЦАП
СРС. К.
 
11 тиждень
Л21. Аналого-цифровий перетворювач мікроконтролерів ARM  Cortex M3. Час перетворення і групи перетворення. Функція віконного компаратора. Базова конфігурація АЦП. Режими здвоєних перетворень
Л22. Таймери загального призначення та багатофункціональні таймери мікроконтролерів ARM  Cortex M3. Таймери загального призначення. Блок захоплення/порівняння. Режим вимірювання параметрів ШІМ-сигналу. Режим широко-імпульсної модуляції
Лз11. Переривання і їх використання в мікроконтролерах з ядром Cortex-М3; застосування таймерів.     
СРС. К.
 
12 тиждень
Л23. Формат передачі кадру даних USART. Підключення USART. Апаратна частина USART. Швидкість прийому/передачі. Передача та прийом даних, переривання модуля USART.
Л24. Комунікаційні УВВ мікроконтролерів ARM  Cortex M3. Інтерфейс SPI. Модуль I2C. 
Лз12. Генерування сигналів з ШІМ в мікроконтролерах з ядром Cortex-М3 
СРС. К.
 
13 тиждень
Л25. Модулі СAN и USB мікроконтролерів ARM  Cortex M3. CAN-контролер. Модуль интерфейсу USB
Л26. Програмування мікроконтролерів ARM  Cortex M3. Загальні свідомості. Середовище розробки STM32 CubeMX. Типовий процес розробки програмного забезпечення
Лз13. Використання USART  та SPI в мікроконтролерах з ядром Cortex-М3 
СРС. К.
 
14 тиждень
Л27. Методика розробки програмного забезпечення  для мікроконтролерів ARM  Cortex M3. Середовище розробки програмного забезпечення  IAR Embedded Workbench for ARM. Середовище розробки програмного забезпечення  Keil u-Vision for ARM.  Середовище розробки програмного забезпечення  STM32 CubeIDE.
Л28. Приклади розробки програмного забезпечення  и моделювання роботи  цифрових пристроїв на базі мікроконтролерів  сімейства STM32F32. Приклади  програм  цифрової обробки сигналів  на С для мікроконтролерів  STM32F32
Лз14. Апаратно-програмна реалізація цифрового фільтру в МК з ядром ARM–Cortex М4 ч.1
СРС. К.
 
15 тиждень 
Л29. Апаратний цифровий фільтр на базі мікроконтролерів STM32 з ядром Cortex M4 Ключові поняття і принцип роботи цифрових фільтрів
Л30. Апаратно програмна реалізація КИХ фільтра з використанням апаратного прискорювача функцій фільтрації - модуля FMAC, в пристроях сімейства STM32G4
Лз14. Апаратно-програмна реалізація цифрового фільтру в МК з ядром ARM–Cortex М4
ч.2
СРС. К.
МКР2.
 
Індивідуальна робота - Курсова робота
 
Метою курсової роботи (КР) є закріплення та поглиблення знань з теорії  цифрової схемотехніки, придбання практичних навичок з принципів побудови мікроконтролерних пристрів. 
Завдання курсового проекту можна сформулювати таким чином:
• відповідно до завдання розробити алгоритм роботи мікроконтролерного пристрою, вибрати необхідні первинні перетворювачі (датчики);
• вибрати мікроконтролер(або мікроконтролери), що задовольняють вимогам швидкодії і функціональними можливостями реалізації алгоритму, а також з урахуванням простоти і менших витрат;
•  розробити структурну та принципову електричні схеми мікроконтролерного пристрою;
• з урахуванням обраних мікроконтролерів, вибрати інструментальні засоби для розробки програми виконання алгоритму, розробити програму та здійснити її налагодження;
           • обрати інструментальне середовище, в якому здійснити моделювання роботи пристрою;
     Індивідуальні теми, що надаються студентам,  присвячені розробці апаратного та програмного забезпечення для мікроконтролерного пристрою що входить до складу нескладних  радіоелектронних  або телекомунікаційних систем.
     Типове   завдання    на    курсову роботу.
Розробити мікропроцесорний пристрій  (МПП), 
апаратна частина якого включає: два однокристальних мікроконтролерів (МК1,МК2) сімейства AVR (Mega/Tiny); клавіатура на К клавіш;  датчик вхідного сигналу з аналоговим виходом (наприклад: мікрофон, датчики температури, вологості, тензодатчик, інш.);  пристрої виводу інформації: індикатори типу 7SEG та LCD ;
програмне забезпечення МПП: провести ініціалізацію мікроконтролерів; після рестарту  мікроконтролери працюють в режимі генерування відеоімпульсів с періодом Т мс і тривалістю  τ мс. Один з мікроконтролерів повинен використовувати для цього свої таймери-лічильники. Мікроконтролер МК1 очікує факту натиснення  клавіші з клавіатури (можливо по перериванню), визначає код натиснутої клавіші N (N = 1…K) виводить його  на два індикатори 7SEG-BCD і  пересилає  його до мікроконтролера МК2, формуючи для останнього сигнал на переривання. Мікроконтролер МК2 після отримання сигналу на переривання здійснює введення N-відліків вхідного процесу з вбудованого АЦП. На МК2 реалізовано один з наступних алгоритмів цифрової обробки вхідного сигналу (PАR): обчислення середнього (сер.) значення з N відліків, пошук максимального (макс.) або мінімального(мін.) значення з N відліків. Мікроконтролер МК2  виводить в першу строку  LCD індикатора LM016L номер варіанту КП “VAR = XX“, а в другу строку  виводить значення параметру PAR  Після цього всі  мікроконтролери повинні знову перейти в режим генерування відеоімпульсів. 
 
Тематичний план виконання:

- видача завдання – 2-й тиждень;
- аналіз завдання,  вибір і обґрунтування структурної та принципової  схеми пристрою  8-й тиждень;
- розрахунки(якщо потрібно) електричних параметрів структурної та електричної принципової схеми  9-й тиждень;
- розроблення програмного забезпечення та моделювання роботи пристрою 12-й тиждень; 
- оформлення  КР в цілому. Здача КР на перевірку – 13-й тиждень.
- захист курсового проекту на засіданні комісії  14-й тиждень.

 
Самостійна робота
 
Самостійна робота складає 90 годин. Розподіл самостійної роботи за видами навчальних робіт:
1) підготовка до лекційних занять – 30 годин;
2) підготовка до лабораторних занять – 30 годин;
3) виконання курсової роботи – 30 годин.
 
 
Процедура оцінювання
 
Система оцінювання рівня навчальних досягнень ґрунтується на принципах ЄКТС та є накопичувальною. Дисципліна поділяється на два семестрові модулі. Здобувачі протягом семестру готуються до лекційних та лабораторних занять, виконують 2 модульні контрольні роботи.
 
Модульні контрольні роботи №1 та №2 виконуються у письмовій формі з використанням тестових запитань.  Максимальна оцінка за її виконання становить 30 балів. Модульна контрольна робота у вигляді тестів складається з 25 тестових запитань, кожна правильна відповідь на запитання 1-20 оцінюється в 1 бал, кожна правильна відповідь на запитання 21-25 оцінюється в 2 бали.

Кожний модуль оцінюється у максимально можливі 50 балів:

Семестровий модуль № 1
Лз1…7. Оцінка за виконання сьоми лабораторних завдань – 20 балів ( 2 бали за Лз1 та по 3 за Лз2-7).  
МК1. Модульна контрольна робота – 30 балів (8 тиждень). Перескладання можливе протягом 9–11 тижнів за розкладом консультацій.
 
Семестровий модуль № 2
Лз8…15. Оцінка за виконання  лабораторних завдань – 20 балів (по 3 бали за Лз8-13, 2 бали за Лз14 ) 
МК2. Модульна контрольна робота – 30 балів (15 тиждень).
 
Максимальна оцінка за повний обсяг виконаних навчальних елементів дисципліни за семестр – 100 балів.
 
Підсумковим контролем з дисципліни є залік, білет до якого складається з теоретичної частини (3 запитання) та практичної частини (1 задача). Максимальна оцінка за правильні відповіді на всі питання екзаменаційного білету становить 100 балів.

Умови допуску до підсумкового контролю
 
Залікова оцінка з навчальної дисципліни виставляється після закінчення її вивчення 
за сумарними результатами поточного контролю (першого та другого семестрових модульних контролів). До модульної контрольної роботи №1 (МКР1) допускаються всі здобувачі вищої освіти. До модульної контрольної роботи №2 (МКР2) допускаються тільки ті здобувачі, яким зараховано перший семестровий модуль та які виконали накопичувальну частину другого семестрового модуля (не менш ніж на 60 %). Здобувачу вищої освіти перший семестровий модуль зараховується, якщо за підсумками оцінювання МКР1 та накопичувальної частини він отримав 30 та більше балів. Якщо здобувач вищої освіти отримав недостатню кількість балів з навчальної дисципліни, він має право на перескладання дисципліни до початку наступного
навчального семестру.
 
 
Політика освітнього процесу
 
Здобувач зобов’язаний своєчасно та якісно виконувати всі отримані завдання; за необхідністю з метою з’ясування всіх не зрозумілих під час самостійної та індивідуальної роботи питань, відвідувати консультації викладача. Дотримуватись принципів академічної доброчесності. 
 
Відсутність здобувача на контрольній роботі або на екзамені відповідає оцінці «0».
 
Під час лекції здійснювати телефонні дзвінки забороняється.