1. Введение Микроконтроллеры представляют собой законченную микропроцессорную систему обработки информации, которая реализована в виде одной большой интегральной микросхемы. С появлением однокристальных микро-ЭВМ связывают начало эры компьютерной автоматизации в области управления. По-видимому, это обстоятельство и определило термин «микроконтроллер» (англ. «control» - управление). Впоследствии расширение сферы использования МК повлекло за собой разви-тие их архитектуры за счет размещения на кристалле периферийных устройств (модулей), отражающих своими функциональными возможностями специфику решаемых задач. По этой же причине появились не только семейства микроконтроллеров, которые объединяют родственные микроконтроллер (с одинаковой системой команд, разрядностью), но и стали выделяться подвиды микроконтроллеров: коммуникационные, для управления и т. д. Из всех видов сверхбольших интегральных микросхем мик-роконтроллеры обладают наибольшей специализацией и разнообразием функций, используемых во встроенных системах управления, в том числе в бытовых приборах. Общее число типов кристаллов с различными системами команд превышает 500, и все они, в силу существования изделий с их использованием, имеют свою устойчивую долю рынка. Ввиду огромного количества объектов, управление которыми обеспечивает-ся с помощью микроконтроллеров, годовой объем их выпуска превышает 2 миллиарда экземпляров, на порядок превосходя объем выпуска микропроцессоров общего приме-нения. Весьма широкой является также номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, которая содержит несколько тысяч типов. В марте 1997 г. Motorola анонсировала второго представителя 16-битового семейства микроконтроллеров 68HC12. Само семейство и первый его представитель 68HC812A4 (A4) были анонсированы в мае 1996 г. 68HC912B32 (B32) - первый 16-битовый MCU, интегрирующий на кристалле флэш-ЭСППЗУ и стираемое по байтам ЭСППЗУ. Микроконтроллер В32 удобно использовать в случаях, где программный код и данные помещаются в память кристалла, т. е. в случае однокристального варианта ядра системы управления. Кроме этого, архитектура НС12 оптимизирована для языков высокого уровня (HLL), быстрых математических операций и нечеткой логики. Свойства HLL могут повысить продуктивность программы за счет возрастания эффективности машинного кода. Дистанционный курс «Микроконтроллеры» предназначен для изучения принципов построения и функционирования, а также овладения практическими навыками программирования микроконтроллера 68HC912B32. В результате его прохождения обучаемый получает представление о структуре и принципах взаимодействия различных функциональных блоков микроконтроллера, знакомится с группой решаемых устройством измерительных задач и его использования в составе различных измерительных систем, а также приобретает практические навыки их решения с помощью программирования на языке низкого и высокого уровня. Знания, полученные при прохождении этого курса, могут быть использованы специалистом в дальнейшем на разных этапах проектирования цифровых измерительных приборов и систем, а также при изучении микроконтроллеров и микропроцессоров различного типа. 2. Место и роль дисциплины в учебном процессе Дисциплина «Микроконтроллеры» входит в цикл профессиональной и практической подготовки для бакалавров направления 7.0913 «Метрология и измерительная техника». Программа дисциплины «Микроконтроллеры» рассчитана на предварительную подготовку, полученную при изучении следующих дисциплин: «Вычислительная техника и программирование», «Основы электроники», «Основы метрологии», «Системное программирование», «Основы электротехники», «Теория электрических сигналов и цепей», «Цифровые измерительные приборы», «Измерительные преобразователи», «Методы и техника обработки сигналов». Полученные при изучении дисциплины «Микроконтроллеры» знания, умения и навыки используются в дальнейшем при изучении последующих дисциплин цикла профессиональной и практической подготовки: «Цифровые измерительные приборы», «Проектирование систем с микрокомпьютерами» (рисунок 1).
3. Основные задачи и структура дисциплины Все виды работ по дисциплине «Микроконтроллеры» проходят в средах LearningSpace (за исключением зачётного тестирования, проводимого в среде Moodle), со следующим разбиением материала: - лекционный материал, - практические занятия, - лабораторный практикум, - курсовой проект, - материалы для тестового контроля знаний и умений, - итоговое тестирование. Методическое обеспечение лекционного материала может быть использовано самостоятельно для подготовки будущих специалистов в области метрологии и измерительной техники (в области микропроцессорной техники). Практические занятия по своей сути являются подготовительными к занятиям лабораторного практикума. В процессе прохождения этих занятий обучаемый решает поставленные перед ним измерительные задачи с помощью предварительных расчётов и программирования и работает со специализированным программным обеспечением (симулятором микроконтроллера) для проверки успешности выполнения задания. В лабораторных работах, помимо выполнения заданий, ориентированных в большей степени на программирование, проводятся реальные эксперименты с помощью отладочных модулей микроконтроллера М68НС12, которые позволяют формировать умения и навыки по обработке измерительной информации и обмену данными с помощью устройств сбора и обработки данных. При этом работа с отладочными модулями осуществляется в дистанционном режиме, что позволяет обучаемому получить практический опыт работы с реальной аппаратурой, находясь при этом за монитором своего компьютера. По окончании процесса изучения дисциплины обучаемый проходит итоговое (зачётное) тестирование, по результатам которого делается вывод о степени успешности усвоения ним изученного в рамках дисциплины материала.
4. Информация об обучающей системе Обучающая система предназначена для изучения курса «Микроконтроллеры», который входит в планы подготовки бакалавров многих инженерных специальностей. Предполагаемое время начала обучения – 8-й семестр. Предполагается, что студенты имеют базовый уровень знаний в области метрологии, электроники, программирования на языках низкого уровня и методам обработки цифровой информации. Обучающая система включает в себя лекции, лабораторные занятия, практические занятия, и курсовой проект. Изучение лекций и проведение лабораторных занятий сопровождается тестированием, а изучение практических занятий – выполнением домашних заданий, что позволяет осуществить контроль процесса обучения. Курсовое проектирование являются завершающей частью учебной программы по дисциплине «Микроконтроллеры» и предназначены для закрепления и углубления теоретических знаний в области микропроцессорной техники, получения навыков расчетов отдельных блоков цифровых измерительных устройств, разработки и расчетов схем подключения блока микроконтроллера к внешним устройствам, разработки алгоритмов и написания программного обеспечения для решения измерительных и системных задач разрабатываемого устройства (приём измеряемого сигнала и его обработка, индикация полученных результатов, коррекция погрешностей и т.д.). Приобретенные в результате выполнения практических, лабораторных занятий и курсового проекта навыки и полученные результаты могут использоваться при выполнении следующих курсовых проектов, расчетно-графических работ, дипломного проекта и магистерской выпускной работы. 4.1. Цель создания системы Система предназначена для изучения основ микропроцессорной техники; изучения круга измерительных задач, решаемых с помощью подобных устройств; а также выработки у обучающихся системного подхода к построению измерительных микропроцессорных систем, который заключается в грамотном анализе методов решения измерительной задачи и соответствующем распределении функций проектируемой системы между аппаратной и программной частью. Для реализации поставленной цели у студентов вырабатываются: - знания основных понятий и определений в отрасли микропроцессорной техники; - знания структуры и программной модели широко применяемой модификации микроконтроллера; - знания системы команд микроконтроллера и спектра прикладных задач, решаемого с их помощью; - знания принципов функционирования и программирования специализированных периферийных блоков микроконтроллера, - навыки работы с измерительной аппаратурой; - опыт разработки цифровых измерительных устройств. 4.2. Область знаний и целевая аудитория Области знаний, положенные в основу системы – метрология, электроника, электротехника, системное программирование, методы и техника обработки сигналов. Целевая аудитория – студенты старших курсов направления подготовки специальностей 7.0913 "Метрология и информационные измерительные технологии", студенты старших курсов технических специальностей, студенты старших курсов направления подготовки "Метрология и информационные измерительные технологии", студенты старших курсов технических специальностей, связанных с микропроцессорной техникой, специалисты в области микропроцессорной техники, специалисты других направлений, связанных с разработкой и использованием микропроцессорных измерительных систем, интеллектуальных средств измерений, систем мониторинга, технической диагностики. 4.3. Состав и объем дистанционного курса Состав обучающей системы приведен на рис. 2.