А. В. Гуляев, д.т.н. Ю. М. Кулинич

Дальневосточный государственный университет путей сообщения, Россия

Новый принцип разработки лабораторных модулей

с применением учебного комплекса NI ELVIS.

 

В лаборатории ДВГУПС был разработан учебный комплекс на основе технологии виртуальных приборов позволяющий проводить активный эксперимент с рабочей станцией NI ELVIS. Учебная лаборатория с виртуальными приборами реализует систему лабораторного практикума максимальной гибкости и масштабируемости, что необходимо при формировании потенциала для интеграции в единую информационную образовательную среду.

 

251658240251658240251658240

 

Рисунок 1 – Внешний вид лабораторного стенда.

 

При выполнении лабораторных работ требуется укомплектовать набором специализированных модулей макетную плату рабочей станции NI ELVIS. Московским государственным институтом радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) разработан комплекс лабораторных работ, в котором исследуются элементы аналоговой электроники: диоды, транзисторы, тиристоры и т.д., а также простейшие цифровые компоненты: логические элементы, триггеры, счетчики, и т.д. Такие модули подключаются к макетной плате с помощью 10-штырьковой разъемной рейки. И используют все 8 цифровых линий порта 0 модуля ввода вывода соединенных непосредственно с 8 линиями цифрового ввода Digital Input макетной платы в режиме работы лабораторной станции NI ELVIS «BYPASS». Однако более сложные устройства требуют большее количество линий связи с лабораторной станцией NI ELVIS. Для исследования более сложных цифровых компонентов и устройств в ДВГУПС изготовлен набор лабораторных модулей: цифрового сумматора‑вычитателя, арифметико‑логического устройства (АЛУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), а также аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователя (АЦП-АЦП), генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). При этом в модуле АЦП-ЦАП использован аналого-цифровой преобразователь PIC-контроллера 16F873. Цифро-аналоговый преобразователь состоит из резистивной схемы и суммирующего усилителя. На рисунке 2 изображена одна из возможных резистивных схем, обеспечивающих учет весового множителя на двоичных кодах.

 

251658240

 

Рисунок 2 – Цифроаналоговый преобразователь со схемой R-2R

Эту резистивную схему иногда называют R-2R -схемой лестничного типа. Преимущество такого соединения резисторов заключается в том, что используются резисторы только двух номиналов. Сопротивление каждого из резисторов R1, R2, R3, R4 и R5 равны 20 кОм, а каждого из резисторов R6, R7, R8 и Rос - 10 кОм. Номиналы горизонтальных резисторов «лестницы» ровно в два раза больше номиналов вертикальных резисторов, отсюда и происходит название схемы R-2R.

Для использования минимального числа линий передачи данных между лабораторным модулем по исследованию цифровых элементов и учебной платформой NI ELVIS предложен способ задания входного кода, при котором входные цифровые данные передаются по одной цифровой линии.

Рассмотрим пример для схемы исследования ОЗУ. Отечественная промышленность выпускает несколько типов микросхем памяти с различной организацией хранения информации. На рисунке 3 показано условное графическое обозначение микросхемы памяти К155РУ2, предназначенное для хранения шестнадцати 4-рязрядных бит информации общей емкостью 64 бита (организация 16х4). Микросхема является оперативным запоминающим устройством.  Она содержит квадратную матрицу из 16 триггеров, выполняющих функции элементов памяти. Входы DI (D0-D3) являются универсальными и предназначены для записи и чтения данных. Адресные входы А (А0-А3) позволяют обращаться в произвольном порядке к одной из 16 ячеек памяти. Считываемый из ОЗУ 4-разрядный двоичный сигнал поступает на выход D0 (S0-S3) микросхемы. Вход CS обеспечивает доступ к микросхеме: при CS = 0 осуществляется запись или считывание информации из ОЗУ, при CS = 1 микросхема будет находиться в режиме хранения. Вход W/R предназначен для выбора режима Запись/Чтение. При W/R=0 будет осуществлен режим записи, при W/R=1 – режим считывания. При обращении к микросхеме для записи 4-разрядного числа следует подать информационный сигнал на входы DI и выбрать для записи нужную ячейку памяти путем установки на входах А соответствующего кода адреса ячейки. Запись информации происходит при подаче на входы CS=W/R=0. Обращение к микросхеме для считывания происходит аналогично, но при сигнале W/R=1.

251658240

Рисунок 3 – Схема ОЗУ К155РУ2

При выполнении лабораторной работы требуется записать и прочитать из ОЗУ значения 4-разрядных двоичных чисел, которые подаются на входы данных D0-D3, и записываются (считываются) по адресу, установленному на адресных входах A0-A3. При четырех разрядах адресного входа можно записать и считать 16 двоичных 4-разрядных чисел.

 

251658240

 

Рисунок 4 – Лицевая панель лабораторной работы ОЗУ.

Разработанный комплекс для выполнения лабораторных работ позволяет в автоматизированном режиме производить сбор и обработку информации и представлять  полученные данные в удобном для студента виде. Использование в учебном процессе лабораторной станции NI ELVIS и программного обеспечения LabVIEW обеспечивает эффективное изучение студентами преобразователей аналоговых сигналов и элементов цифровой схемотехники. Унифицированные лабораторные модули готовы к тиражированию и могут поставляться в различные высшие учебные заведения.

 

Литература:

 

1.     Чье Ен Ун, Ю. М. Кулинич, А. В. Гуляев, ВЕСТНИК ТОГУ, № 3, 2013

2.     Кулинич Ю.М., Гуляев А.В. Электронная и преобразовательная техника / Ю.М. Кулинич. – Saarbrücken: Изд-во Palmarium Academic Publishing, 2013. – 65 с.