ART 16108 УДК 378.147:004.9
Байда Александр Сергеевич,
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и конструк- ционные материалы» ФГБОУ ВО «Сибирская государственная автомо- бильно-дорожная академия», г. Омск
Аннотация. В работе рассмотрены основные предпосылки к использованию аппа- ратно-программных платформ в учебном процессе технического вуза при подго- товке специалистов автомобильной отрасли. Представлен опыт практического применения платформы Arduino.
Ключевые слова: микроконтроллер, Arduino, микропроцессор, электрическая схема, учебный процесс, автоматизация управления, программирование.
Раздел: (01) педагогика; история педагогики и образования; теория и методика обучения и воспитания (по предметным областям).
Из всех выпускаемых в мире микропроцессоров лишь 2% используются в компь- ютерах, а остальные 98% – во встраиваемых системах: от научного оборудования до мобильного телефона [1].
Автомобиль не стал исключением, причем еще 10–15 лет назад количество контрол- леров, встраиваемых в автомобильные системы, не превышало одного десятка. В насто- ящее время практически невозможно найти автомобильную систему, оснащенную элек- троприводом и неуправляемую контроллером. Электронное управление присутствует в системах электрических стеклоподъемников, регулировки светотехнических устройств, регулировки зеркал заднего вида, регулировки сидений и т. д. Наличие контроллеров в си- стеме управления двигателем, системе управления коробкой передач, в системах, обес- печивающих безопасность водителя и пассажиров, а также в противоугонных системах является обязательным условием осуществления наиболее точного управления, а также построения активных связей между компонентами автомобиля.
Электронные системы позволяют дистанционно управлять двигателем, охран- ной сигнализацией, мультимедийной системой, системой кондиционирования, зам- ками дверей, а также трансмиссией, рулевым управлением и тормозной системой. В настоящее время наличие дистанционного управления позволяет перемещать авто- мобиль без непосредственного участия водителя.
Понимание принципов работы контроллеров, встроенных в различные автомо- бильные компоненты, является основой эффективной профессиональной деятельно- сти специалистов, конструирующих, модернизирующих и эксплуатирующих автомо- бильные системы и узлы.
Высокие потребности в микроконтроллерах обусловили появление на рынке большого числа программируемых микроконтроллеров таких производителей, как Siemens, Texas Instruments, Toshiba, Intel, Fujitsu и т. д., получивших широкое приме- нение в бытовой технике, аудио- и видеоаппаратуре, промышленных автоматизиро- ванных системах, транспортных средствах.
Настоящий прорыв в мире микроконтроллеров совершила компания Atmel, вы- пустив в 1997 г. 8-битный RISC-микроконтроллер с флеш-памятью программ на кри-
сталле, технология была запатентована и получила название AVR [2]. Система ко- манд и внутреннее устройство чипов AVR разрабатывались совместно с фирмой IAR Systems – крупнейшим производителем компиляторов языков программирования C/C++ [3], что обеспечило возможность получения высокой плотности кода при ис- пользовании языков высокого уровня практически без потери производительности, в отличие от контроллеров, использующих программы, написанные на языке ассем- блера. При заданной производительности существовала возможность снижения так- товой частоты ядра, а следовательно, и потребляемой мощности микроконтроллера [4], AVR-микроконтроллеры обладают более прогрессивными возможностями по оп- тимизации энергопотребления, что имеет очень важно при разработке систем с бата- рейным питанием. Большим достоинством является возможность программирования без аппаратного программатора. Наличие уникальных характеристик этих микро- контроллеров и в настоящее время делает их наиболее популярными при разработке автоматизированных систем.
Следующим значительным шагом к популяризации программируемых контрол- леров стала появление готовой аппаратно-программной платформы, которую в 2005 г. разработал Massimo Banzi, преподаватель итальянского проектного института Interaction Design Institute Ivrea [5]. Платформа получила название Arduino.
Платформа представляет собой компактную плату, включающую в свой состав: AVR-микроконтроллер Atmel, загрузчик (bootloader) на базе чипа ATmega, кварцевый резонатор на 16 МГц, стабилизатор напряжения, восстанавливаемые предохрани- тели, кнопку перезагрузки, разъем USB, штекерный силовой разъем питания, штыре- вые линейки для подключения периферийных устройств.
В настоящее время данная платформа представлена целым семейством кон- троллеров Arduino (рис. 1), наиболее популярными являются Uno, Mini Pro, Nano, Due, Leonardo, LilyPad, Mega, Duemilanove.
а) б) в) г)
Рис. 1. Семейство микроконтроллеров Arduino: а – Uno; б – Mini Pro; в – Nano; г – Mega
Особенность Arduino в том, что для его первого использования не требуются объемные, специфические знания, касающиеся устройства и принципа работы мик- роконтроллера, а также нет необходимости в навыках программирования. Это свя- зано с тем, что контроллер создавался для решения одной сложной проблемы – как научить студентов создавать электронные устройства, причем быстро [6]. Простой проект может быть создан новичком за очень короткий промежуток времени, но в то же время Arduino позволяет создавать масштабные проекты со сложными алгорит- мами управления различными периферийными устройствами. Это превращает плат- форму Arduino в гибкий инструмент для проектирования автоматизированных и авто- матических систем управления на физическом и программном уровнях. Использова- ние платформы при подготовке специалистов автомобильной отрасли позволит сфор- мировать у студентов знания, касающиеся устройства и принципов работы электрон- ных автоматизированных систем автомобиля, а также будет способствовать развитию навыков по проектированию, прототипированию и программированию таких систем.
Физический (аппаратный) уровень предполагает выполнение сборки электриче- ских схем прототипов различных устройств, а также их отладку. На этом этапе наибо- лее простым и эффективным решением является использование стандартных образ- цов радиодеталей и специальной макетной платы – bredboard. Состоит макетная плата из отверстий-гнезд с шагом 2,54 мм (0,1 дюйма), размер соответствует шагу выводов современных радиодеталей. Сборка прототипов на такой плате осуществля- ется без выполнения травления и пайки контактов.
Отличительной чертой Arduino является возможность аппаратного расширения, ре- ализуемого с помощью дополнительных плат, или «шилдов» (от англ. shield), подключае- мых к контроллеру через электромеханические разъемы, например Can-Bus Shield, GPRS Shield, Power Shield, Motor Shield и другие [7]. Can-Bus Shield – дополнительная плата, поз- воляющая аппаратно реализовать промышленную шину CAN, без которой невозможно представить современный автомобиль. По этой шине осуществляется передача данных между бортовым компьютером и различными системами – мультимедийной, климатиче- ской, системами безопасности, системой управления силовой установкой и т. д. Плата по- строена на микросхеме MCP2515, с поддержкой CAN второй версии, а также стандартного (11-битного) протокола передачи данных. Данная плата расширения позволит непосред- ственно работать с автомобильными компонентами.
Большинство современных контроллеров для выполнения программирования на физическом уровне требуют наличия специальной микросхемы – аппаратного про- грамматора, обеспечивающего взаимосвязь с компьютером. На плате Arduino преду- смотрен штыревой разъем для подключения программатора и выполнения внутрис- хемного программирования (ICSP, JTAG). Но следует отметить, что входящий в со- став микроконтроллера bootloader позволяет обойтись без аппаратного программа- тора, что значительно упрощает схему подключения к компьютеру и облегчает работу на программном уровне.
Проведение практических и лабораторных работ по проектированию и построе- нию аппаратной части прототипов автоматизированных систем актуализирует знания, полученные ранее при изучении дисциплин «Физика», «Электротехника», «Конструк- ция наземных ТТМ», «Электрооборудование автомобиля», и позволяет закрепить навыки по диагностике электронных систем и поиску неисправностей в электрических цепях автомобиля.
Программный уровень реализован через специальную программную оболочку Arduino IDE, которая доступна для бесплатного скачивания на официальном сайте
проекта [8]. Интуитивно понятная оболочка, написанная на языке Java, содержит тек- стовый редактор, менеджер проектов, препроцессорный компилятор, а также инстру- менты для непосредственной загрузки программы в контроллер (рис. 2).
Рис. 2. Программная оболочка Arduino IDE
Программная оболочка является наследником двух языков программирования: открытого языка Processing и Wiring – разновидности C/C++. Отличительной чертой Wiring является возможность подключения стандартных библиотек, описывающих взаимодействие с типовыми электронными модулями и датчиками. Это позволяет разработчику прототипа не тратить время на написание библиотеки, за исключением случаев подключения уникальных устройств, а использовать уже готовую, стандарт- ную библиотеку. Программная среда адаптирована под наиболее популярные опера- ционные системы: Windows, Mac OS X, Linux.
Выполнение практических заданий на программном уровне систематизирует и расширяет знания, полученные при изучении дисциплин «Информатика», «Информа- ционные технологии», «Программирование и программное обеспечение», «Приклад- ное программирование», а также формирует навыки по составлению программ управ- ления автоматизированными и автоматическими автомобильными системами.
Открытый исходный код, доступность технической документации, большая база стандартных программных библиотек подтолкнули разработчиков к созданию клонов плат Arduino, наиболее популярными являются Freeduino, CrafDuino, Diavolino, Ruggeduino, OOH R3 UNO. Некоторые из клонов не только не уступают оригинальным контроллерам, но и превосходят их по части характеристик. Оптимальным выбором для практических занятий при подготовке специалистов автомобильной отрасли яв- ляется микроконтроллер Arduino UNO или аналог OOH R3 UNO.
По мнению автора, наиболее подходящей формой организации практических за- нятий с применением платформы Arduino является интерактивная работа в малых группах. Такая форма предполагает, что каждая из групп получает индивидуальное задание, которому предшествует рассмотрение типовых решений поставленной за- дачи, создает прототип, а в заключительной части занятия проводит презентацию вы- полненного проекта.
При проведении лабораторных работ и практических занятий следует уделить особое внимание основным правилам применения интерактивных технологий: в ра- боту должны быть вовлечены все обучаемые, количественный состав не более 16 че- ловек, четкий регламент работы, диалог строится на основе принципов взаимоуваже- ния, к работе должны быть подготовлены и лаборатория, и рабочие места [9].
Для организации лабораторных работ и практических занятий рекомендуется наличие не менее одного микроконтроллера на группу из двух человек, а также сле- дующих компонентов:
датчик вибрации или модуль датчика вибрации (мод. 801S);
датчик удара или модуль датчика удара (мод. SW-420, SW-520D, SW-1820P);
датчик Холла (мод. A3144, OH3144, Y3144, TO-92UA);
барометрический датчик давления (мод. BMP180, BMP280-3.3);
датчик разрежения – вакуумметр (мод. MD-PS002);
модуль детектора движения (мод. HC-SR501);
датчик температуры (мод. DS18B20);
датчик влажности (мод. AM2302, AM2320);
ультразвуковой модуль измерения расстояний (мод. HC-SR04);
фоторезистор или модуль измерения освещенности (мод. GL5516, GL5539);
трехосевой цифровой датчик ускорения (мод. Adxl345);
цифровой датчик наклона (мод. Mma7455);
релейный модуль управления нагрузкой;
комплект соединительных проводов, светодиодов, резисторов различного номинала, концевых выключателей;
макетная плата – bredboard.
Примеры практических заданий с использованием платформы Arduino для спе- циалистов автомобильной отрасли:
Разработка системы управления и создание прототипа автоматизированного привода стеклоподъемников автомобиля. Система управления должна содержать ал- горитм отключения привода в случае полного закрытия или открытия ветрового стекла, а также в случае перегрузки электрического мотора привода. Необходимо предусмотреть возможность программного управления стеклоподъемниками, напри- мер частичное открытие при посадке водителя в автомобиль.
Задание ориентировано на изучение основных характеристик электрических при- водов, моторов и концевых выключателей. Кроме этого задание предусматривает про- ектирование и разработку программы управления автоматизированной системой.
Разработка системы управления и создание прототипа автоматической кли- матической установки автомобиля. Система управления должна содержать подси- стему сбора данных, подсистему подачи, подогрева, охлаждения и осушения воздуха. Необходимо обеспечить сбор данных, таких как температура за бортом автомобиля, температура в салоне, влажность воздуха в салоне, величина атмосферного давле- ния. Управление исполнительными подсистемами осуществить с помощью релейного модуля управления нагрузкой.
Задание направлено на изучение характеристик цифровых измерительных при- боров, методик расчета воздухообмена, подходов к проектированию систем кондици- онирования. Предусматривается разработка программы управления автоматической климатической установкой.
Разработка системы управления и создание прототипа автоматизированного привода светотехнических устройств. Система управления должна содержать подси- стемы сбора данных, управления фарами головного света, управления противотуман- ными фарами. Подсистема сбора данных должна обеспечивать получение информа- ции об уровне освещенности перед автомобилем, величине наклона кузова и угле по- ворота рулевого колеса. Исполнительные подсистемы должны обеспечивать измене- ние положения источников света в зависимости от неравномерности загрузки автомо- биля, наклона кузова, а также угла поворота рулевого колеса.
Задание ориентировано на изучение характеристик автомобильных светотехниче- ских приборов, методик расчета светового потока и степени освещенности. Предусмат- ривается разработка программы управления приводами светотехнических устройств.
Таким образом, использование Arduino в учебном процессе, при подготовке спе- циалистов автомобильной отрасли, позволит предоставить студентам возможность применить знания, умения и навыки, приобретенные в процессе обучения, на аппа- ратном и программном уровнях, что создаст дополнительную мотивацию к дальней- шему изучению устройства и принципов работы автоматизированных и автоматиче- ских систем автомобиля.
Простое микропроцессорное СПО в вузе и школе. – URL: http://msk.ito.edu.ru/2010/secti- on/62/2401/index.html.
Микроконтроллеры Atmel AVR: история создания. – URL: http://myrobot.ru/articles/mc_avr.php.
Там же.
Там же.
История Arduino. – URL: http://arduino-tech.ru/istoriya-sozdaniya-arduino.
Там же.
Платы и модули Arduino Shield. – URL: http://amperka.ru/collection/arduino-shield.
Официальный сайт Arduino. – URL: http://arduino.сс.
Байда А. С. Применение интерактивных технологий при преподавании дисциплин, связанных с конструированием технических объектов // Научно-методический электронный журнал «Концепт».
– 2016. – № 4 (апрель). – С. 76–80. – URL: http://e-koncept.ru/2016/16077.htm.
Alexander Baida,
Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the chair of Automobiles and Structural Materials,
Siberian State Automobile and Highway Academy, Omsk
Prostoe mikroprocessornoe SPO v vuze i shkole. Available at: http://msk.ito.edu.ru/2010/secti- on/62/2401/index.html (in Russian).
Mikrokontrollery Atmel AVR: istorija sozdanija. Available at: http://myrobot.ru/articles/mc_avr.php (in Rus- sian).
Ibid.
Ibid.
Istorija Arduino. Available at: http://arduino-tech.ru/istoriya-sozdaniya-arduino (in Russian).
Ibid.
Platy i moduli Arduino Shield. Available at: http://amperka.ru/collection/arduino-shield (in Russian).
Oficial'nyj sajt Arduino. Available at: http://arduino.ss (in Russian).
Bajda, A. S. (2016). “Primenenie interaktivnyh tehnologij pri prepodavanii disciplin, svjazannyh s kon- struirovaniem tehnicheskih ob#ektov”, Nauchno-metodicheskij jelektronnyj zhurnal “Koncept”, № 4, pp. 76–80. Available at: http://e-koncept.ru/2016/16077.htm (in Russian).
Рекомендовано к публикации:
Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»
Поступила в редакцию Received | 10.05.16 | Получена положительная рецензия Received a positive review | 12.05.16 |
Принята к публикации Accepted for publication | 12.05.16 | Опубликована Published | 30.05.16 |
© Концепт, научно-методический электронный журнал, 2016
© Байда А. С., 2016
