Учебно-методический и аппаратно-программный комплекс по изучению программирования микроконтроллеров
Е. А. Вахтина, А. В. Вострухин
Ставропольский государственный аграрный университет Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Ставропольский технологический институт сервиса (филиал), г. Ставрополь
В статье рассматривается процесс педагогического проектирования учебно-методического и аппаратно-программного комплекса по изучению перспективной элементной базы электроники – микроконтроллеров.
Ключевые слова: учебно-методический и аппаратно-программный комплекс; микроконтроллер; электроника; учебное пособие; стенд микроконтроллерный.
EDUCATIONAL-METHODICAL AND HARD-SOFTWARE COMPLEX FOR TRAINING OF MICROCONTROLLERS PROGRAMMING
Е. Vakhtina, А. Vostrukhin
In the article pedagogical designing of an Educational-Methodical and Hard-Software complex for training of electronics' perspective elements base – microcontrollers is considered.
Key terms: Educational-Methodical and Hard-Software complex; microcontroller; electronics; textbook; microcontroller’s stand.
Факторами, ограничивающими внедрение в научно-образовательный процесс технических факультетов ресурсов, предназначенных для изучения и применения перспективной элементной базы электроники – микроконтроллеров (МК), являются:
• необходимость моделирования структуры и отбора содержания обучения из огромного количества источников информации по микроконтроллерам;
• необходимость адаптации содержания к учебному процессу и разработки разнообразных инструментов поддержки студентов в обучении.
В процессе преподавания электроники было найдено решение данной проблемы в форе разработанного учебно-методического и аппаратно-программного комплекса (УМиАПК) как психолого-педагогического и ресурсного обеспечения персональной среды обучения студента программированию микроконтроллеров.
УМиАПК представляет собой комплекс двух блоков: учебно-методического и аппаратно-программного. Рассмотрим каждый их них подробнее.
1) Учебно-методический блок этого комплекса представлен учебным пособием «Введение в программирование микроконтроллера AVR на языке Ассемблера» [1].
Вопрос актуализации его содержания был решен следующим образом. В образовательном процессе, в соответствии с модульным принципом, промышленную электронику делят на две составляющие – информационную и энергетическую. Информационная электроника составляет основу электронно-вычислительной и информационно-измерительной техники, а также устройств автоматики. К ней относятся устройства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации. МК ориентированы на выполнение именно этих информационных функций. Энергетическая электроника связана с устройствами и системами преобразования электрической энергии – это выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и другие устройства. Эти устройства работают также под управлением МК [2].
Анализ результатов патентно-информационного поиска показал, что по частоте и эффективности применения МК одно из первых мест занимает контрольно-измерительная техника. С появлением микропроцессоров кардинально изменились принципы построения измерительных средств. Встроенный в измерительное средство микропроцессор придает ему новые качества: многофункциональность, самокалибровку, автоматизацию статистической обработки измерений, повышение экономичности и надежности, а также позволяет решать задачи, которые ранее даже не ставились. Поэтому целесообразно организовать учебный процесс по изучению МК на примерах построения измерительных средств.
При составлении структуры учебного пособия мы преследовали следующую цель. Излагаемый материал должен быть полезен при выполнении курсовых, дипломных, диссертационных и научно-исследовательских работ, в которых затрагиваются вопросы, связанные с измерениями физических величин. При этом рассматриваемые измерительные средства должны быть востребованы в практической деятельности, доступны в понимании, а их функционирование реализовано с помощью несложных программ. Такими устройствами могут быть так называемые «интеллектуальные датчики» – микроконтроллерные измерительные преобразователи, конструктивно выполненные в одном корпусе с первичным измерительным преобразователем – датчиком (сенсором) [3].
Для разработки микроконтроллерного устройства студенту необходимо выбрать наиболее подходящий МК, подключить к нему датчики, клавиатуру, индикатор, ключи, организовать, при необходимости связь (интерфейс) с другими микропроцессорными устройствами и т. д., а также разработать наиболее сложную и трудоемкую часть устройства – программу. На начальном этапе освоения МК целесообразно использовать язык программирования Ассемблер. Этот язык по сравнению с языками программирования высокого уровня, например Си, дает возможность студенту при изучении МК мыслить в терминах цифровой электроники, что обеспечивает реализацию принципа преемственности в обучении. Кроме того, Ассемблер это один из лучших после математики инструментов, развивающий логическое мышление и создающий предпосылки для творческой деятельности студента, то есть позволяющий обучать природосообразно.
Согласно данным Интернет-опросов наибольшим спросом у отечественных разработчиков новой техники пользуются микроконтроллеры AVR корпорации Atmel. По соотношению цена-производительность-энергопотребление они занимают одно из первых мест в мире и признаны индустриальным стандартом. Этими обстоятельствами объясняется наш выбор МК для изучения.
В настоящее время по МК AVR выпущено достаточно много изданий, в которых приводятся примеры построения различных устройств. Однако в большинстве случаев рассматриваемые устройства не реализуют типовые функции информационно-измерительных систем. Для восполнения указанного пробела в учебном пособии рассмотрены примеры программирования типовых функций систем управления: преобразование физических величин в цифровой код, ввод информации от датчиков и клавиатуры, вывод информации на индикатор, формирование управляющих сигналов исполнительными устройствами. Освоение этих функций формирует у студента комплексный подход к решению инженерных задач в области применения микроконтроллеров.
В пособии используется методическая система, основанная на дискретном логическом характере изучаемого материала, для изложения которого выбраны сообщающий, проблемный и программированный типы обучения.
Самостоятельная работа студентов предусматривает осмысление и закрепление теоретического материала путем выполнения тестов и заданий по программированию.
2) Аппаратно-программный блок комплекса представлен стендом микроконтроллерным [4] и комплектом программ типовых функций микропроцессорных систем управления. Основное назначение блока – реализация практической составляющей в обучении программированию МК.
Рисунок 1 – Аппаратно-программный блок образовательного ресурса по изучению микроконтроллеров
Стенд микроконтроллерный содержит два модуля (рис. 2). Оба модуля имеют одинаковый набор основных компонентов, но отличаются друг от друга принципиальными схемами.
Рисунок 2 – Структура модуля стенда микроконтроллерного
Каждый модуль состоит из следующих элементов: микроконтроллера 3; датчиков с аналоговым или цифровым выходом 4; клавиатуры 5; светодиодного семисегментного индикатора 6; оптосимисторного ключа 7; интегрального стабилизатора напряжения 8; разъема 9 для подключения программатора AVRISPmkII. Варианты соединения модулей могут быть различными и определяются задачей, которая стоит перед студентами, что расширяет функциональные возможности стенда. В целом стенд представляет собой классическую микропроцессорную систему.
В качестве инструментальных средств программирования использована интегрированная среда проектирования AVR Studio 4, свободно распространяемая в сети Интернет и предоставляющая возможность не только разрабатывать, но и отлаживать создаваемые программы в режиме симуляции.
В заключении подчеркнем, что при создании учебно-методического и аппаратно-программного комплекса одновременно с отбором актуального содержания обучения был решен вопрос средств его освоения: выбором перспективных из имеющихся инструментальных средств, проектированием и созданием новых недостающих. Только в совокупности содержания и инструментальных средств его освоения: изучения, тренинга, контроля и самоконтроля может рассматриваться комплекс, поскольку только тогда он создает субъекту обучения необходимые и достаточные условия для освоения определенной предметной областью необходимой в его профессиональной или социальной деятельности независимо от времени и места, которые он выберет.
1. Вострухин А.В., Вахтина Е.А. Введение в программирование микроконтроллера AVR на языке Ассемблера: учебное пособие – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Илекса, 2010. – 184 с.
2. Вахтина Е.А., Вострухин А.В. Образовательный ресурс как средство актуализации содержания обучения / Профессиональное образование. Столица. – 2011. —№ 6. – С. 37–39.
3. Вахтина Е.А., Вострухин А.В. Инструмент поддержки самообучения по информационной электронике / Вестник АПК Ставрополья. – 2012. – № 3(7). – С. 4–8.
4. Пат. 75507 Российская Федерация, МКПО9 14–02. Стенд микроконтроллерный / А.В. Вострухин, Е.А. Вахтина; заявитель и патентообладатель ФГО ВПО «Ставропольский ГАУ». – № 2009501267; заявл. 12.05.2009; опубл. 16.07.2010, – 3 с.