Программа курса (осенний семестр)

Базовая часть

Тема 1. Введение. Программирование микроконтроллеров на языке С

Теория. Микроконтроллеры. Функции и применение микроконтроллеров. Основные параметры микроконтроллеров. Архитектура микроконтроллеров. Семейства микроконтроллеров ARM и их назначение. Устройство микроконтроллеров. Ядра Cortex-M0/M3/M4F. Периферийные блоки микроконтроллеров: ввод-вывод общего назначения, тактирование, таймеры, прерывания.

Язык С для микроконтроллеров ARM. Особенности разработки программ для микроконтроллеров по сравнению с программированием для ПК. Ввод и вывод. Адресация. Двоичное и шестнадцатеричное счисления. Среда программирования IAR EWARM. Возможности отладки программ.

Практика. Создание и настройка проекта в среде IAR. Создание прошивки, осуществляющей работу с блоком ввода-вывода общего назначения. Работа с технической документацией (поиск адресов аппаратных регистров, работа с принципиальной схемой тестовой платы).

Тема 2. Прерывания

Теория. Прерывания. Виды прерываний. Контроллер прерываний NVIC в ядре Cortex-M. Вектора прерываний. Приоритеты. Флаги прерываний в контроллерах STM. Рекомендации по написанию обработчиков прерываний.

Практика. Создание программы, реализующей асинхронный ввод-вывод сигналов. Освоение документации NVIC. Настройка прерываний блока ввода-вывода общего назначения.

Тема 3. Таймеры

Теория. Таймеры. Виды таймеров. Режимы работы таймеров. Измерение малых промежутков времени. Система тактирования микроконтроллера и методы её настройки.

Практика. Разработка программы для периодического вывода сигналов с использованием таймера и делителей частоты. Измерение параметров сигналов с помощью цифрового осциллографа.

Тема 4. Широтно-импульсная модуляция

Теория. Широтно-импульсная модуляция. Применение ШИМ для управления электронными устройствами. Особенности реализации ШИМ на микроконтроллере. Сглаживание. Специальные режимы работы таймеров.

Практика. Разработка программы для генерации ШИМ сигнала с заданными параметрами.

Тема 5. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования

Теория. АЦП и ЦАП.  Частота дискретизации и разрядность. Основные виды АЦП (АЦП прямого преобразования, АЦП последовательного приближения, сигма-дельта АЦП) и их характеристики. Режимы запуска АЦП. Дифференциальный режим измерения. Алгоритмы усреднения измеряемых величин: скользящее среднее и экспоненциальное усреднение. Библиотека для работы с периферийными блоками HAL Driver.

Практика. Разработка программы, осуществляющей измерение напряжения внешнего аналогового сигнала с помощью АЦП.

Тема 6. Обмен данными

Теория. Последовательные и параллельные интерфейсы. UART. Принцип работы шины UART, протокол передачи данных. События блока UART на микроконтроллерах STM32. Протоколы SPI и I2C, их принципы работы. Концепция ведущий-ведомые.

Практика. Разработка прошивки для микроконтроллера, осуществляющей приём и отправку данных по UART. Освоение программного обеспечения для работы с COM-портами на ПК.

Тема 7. Флеш-память

Теория. Принцип работы ячейки флеш-памяти (транзистор с плавающим затвором, чтение и запись данных). NOR и NAND конструкции флеш-памяти. Многоуровневые ячейки. Особенности работы с флеш-памятью из программ.

Практика. Разработка программы для подсчёта импульсов с использованием флеш-памяти для сохранения значения счётчика на случай перезагрузки или потери питания.

Дополнительные темы (читаются по усмотрению преподавателя)

Тема Д1. Дисплеи

Теория. Виды дисплеев. Электронно-лучевые трубки (принцип работы, развёртка). Жидкокристаллические дисплеи (принцип действия ЖК ячейки, устройство мониторов, адресация). Кодирование цветов, битность изображения. Плазменные дисплеи. Светодиодные дисплеи. Проекторы (3LCD, LC0S, DLP). Резистивные и ёмкостные сенсорные дисплеи. Перспективные виды дисплеев (OLED, интерференционные дисплеи, SED, PixelSense).

Практика. Написание программы, осуществляющей вывод графических примитивов и текста на TFT-LCD дисплей тестовой платы. Освоение высокоуровневых библиотек для работы с периферийными блоками и внешними устройствами.

Тема Д2. Система тактирования микроконтроллера

Теория. Классификация и принципы работы генераторов тактовой частоты. Кварцевые и RC-генераторы. Фазовая автоподстройка, делители и умножители частоты. Тактовые частоты шин данных и периферийных блоков микроконтроллера.

Практика. Настройка системы тактирования микроконтроллера, вывод тактового сигнала микроконтроллера. Измерение частоты тактирования с помощью осциллографа. Изучение зависимости формы сигнала от значения тактовой частоты.

Тема Д3. USB

Теория. Краткая история внедрения шины USB. Физический уровень (кабели и разъёмы, состояния шины, кодирование данных). Пакетный уровень (структура и виды пакетов). Транзакционный уровень (адреса, конечные точки). Логический уровень (виды каналов, передача данных по периодам). Дескрипторы и классы устройств. Краткий обзор спецификаций USB.

Практика. Передача данных с ПК на контроллер по USB c использованием CDC класса.

Тема Д4. Операционные системы реального времени

Теория. Операционные системы мягкого и жёсткого реального времени, а также их особенности. Диспетчеризация задач. Синхронизация задач. Операционная система FreeRTOS. Некоторые функции для управления задачами во FreeRTOS.

Практика. Настройка FreeRTOS и создание многозадачной программы для управления светодиодами.

Программа курса (весенний семестр)

• Тематические лекции
• Дополнительные разделы программирования микроконтроллеров
• Выполнение курсовой работы по программированию

Отчетность

Осенний семестр - зачет

Весенний семестр - зачет с оценкой

- В конце осеннего семестра в течение 4 занятий выполняется зачетная работа.

Примеры тем зачетных работ:

• Измерение частоты внешнего сигнала с выводом результата на дисплей.
• Генерация ШИМ сигнала с регулировкой частоты и скважности.
• Измерение ёмкости конденсатора путём анализа формы отклика RC-цепи на периодический сигнал.
• Измерение индуктивности  путём анализа формы отклика RL-цепи на периодический сигнал.
• Генерация гармонического сигнала путём модуляции одиночными импульсами.
• Измерение расстояния между акустическим излучателем и микрофоном с помощью измерения задержки распространения звука.
• Измерение скорости звука импульсным методом
• Стабилизация напряжения в RC цепи с обратной связью. Напряжение задаётся с компьютера и выводится на дисплей.

- В течение весеннего семестра выполняется курсовая работа.

По согласованию с научными руководителями курсовая работа по программированию может быть совмещена с курсовой работой по физике. Для этого нужно, чтобы работа в значительной мере была посвящена автоматизации эксперимента или другим задачам, подразумевающим программированию микроконтроллеров.

Курсовые работы прошлых лет можно посмотреть здесь.

Литература

• Конспекты первых 2 лекций: лекция 1, лекция 2.
  
• Мартин М. Инсайдерское руководство по STM32
• Брайан Керниган, Деннис Ритчи "Язык программирования С"
• Майоров С.А., Кириллов В.В., Приблуда А.А. "Введение в микро-ЭВМ"
• Тревор Мартин, "Микроконтроллеры фирмы STMicroelectronics на базе ядра Cortex-M3. Серия STM32"
• Фрунзе А.В. "Микроконтроллеры это же просто" (Том1, Том2, Том3)
• К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки "Организация ЭВМ"
• Paul Scherz. Practical electronics for inventors.