Рабочий лист: Конструкция, подключение и инсталляция нестандартных периферийных устройств

Практическая работа №5 с комплексным интенсивным тренингом к дифференцированному зачету.

Внимание (работа на общем компьютере): Ваши ответы сохраняются в локальном хранилище текущего браузера. Перед уходом сохраните отчет через кнопку «Печать отчета / Экспорт в PDF» (Ctrl+P) и при необходимости очистите данные.

Фамилия, имя обучающегося:

Группа:

Выберите практический вариант оборудования:

Часть 1. Пусконаладка и калибровка оборудования (45 минут)

Заполните протокол юстировки, кинематические/электрические расчеты и контрольные параметры по выбранному варианту.

Вариант 1: Аддитивная система CoreXY

Пусконаладка 3D-принтера, Z-offset и PID-регулирование

Параметры стенда: Шаговые двигатели NEMA 17 (1.8°/шаг), микрошаг 1/16, шкивы GT2 (20 зубьев, шаг 2 мм). Ось Z: трапецеидальный винт Tr8x8 (ход 8 мм на оборот). Датчик Z: оптический концевик.

1. Расчет шагов на миллиметр (Steps/mm) для осей X/Y и оси Z:

2. Протокол настройки Z-offset и юстировки датчика стола:

Укажите исходную координату срабатывания концевика, измеренное щупом расстояние, расчетное значение Z-offset и команду сохранения в EEPROM (M851/M500).

3. Таблица автонастройки PID-регулятора хотэнда (метод Циглера-Никольса):

Вариант 2: Промышленный DAQ-контроллер

Калибровка токовой петли 4–20 мА и подавление помехи 50 Гц

Параметры стенда: Датчик давления 0–16 бар, токовый выход 4–20 мА. Прецизионный измерительный шунт $R_{sh} = 150\,\Omega$ ($0.1\%$). АЦП микроконтроллера 12 бит (0–4095), опорное напряжение $V_{ref} = 3.30\text{ В}$.

1. Расчет напряжений на шунте и кодов АЦП для точек 4 мА (0 бар), 12 мА (8 бар) и 20 мА (16 бар):

2. Диагностика аппаратного обрыва цепи датчика («Живой ноль»):

При каком токе и коде АЦП контроллер обязан зафиксировать аварию «Обрыв линии датчика» (Wire Break Fault)? Чем принципиально отличается ток 0 мА от 4 мА?

3. Алгоритм подавления синфазной промышленной помехи 50 Гц:

Параметры скользящего окна усреднения или времени интегрирования АЦП, кратного периоду сети ($T = 20\text{ мс}$).

Вариант 3: Комплекс виртуальной реальности

Инсталляция базовых станций Lighthouse 2.0 и аудит задержки MTP

Параметры стенда: 2 базовые станции SteamVR 2.0 (развертка 100 Гц), шлем VR с двумя дисплеями Fast-Switch LCD 120 Гц, подключение DisplayPort 1.4 + USB 3.0 + Bluetooth LE синхронизация.

1. Протокол калибровки игрового пространства (Guardian / Chaperone):

Высота и наклон базовых станций, устранение затенений, привязка нулевой плоскости пола.

2. Расчет конвейера сквозной задержки Motion-to-Photon (MTP ≤ 20 мс):

Поэтапный бюджет: опрос IMU/фотодиодов, Sensor Fusion, рендеринг GPU при 120 fps, передача по DP, отклик матрицы ЖК.

3. Синхронизация оптических маркеров и протокол радиоканала Bluetooth LE:

Вариант 4: Измерительный стенд с шиной IEEE-488 (GPIB)

Адресация приборов по шине GPIB и опрос прерываний SRQ

Параметры стенда: Программируемый источник питания (адрес 5), мультиметр прецизионный (адрес 16), цифровой осциллограф (адрес 22). Адаптер USB-GPIB на базе контроллера с буфером FIFO.

1. Карта адресации и логические уровни сигналов шины IEEE-488:

Распределение первичных адресов приборов (1–30), инверсная TTL-логика (активный низкий уровень).

2. Трехпроводный протокол аппаратного квитирования (Handshake):

Взаимодействие сигналов DAV (Data Valid), NRFD (Not Ready For Data), NDAC (Not Data Accepted). Как гарантируется передача со скоростью самого медленного прибора?

3. Процедура обработки прерывания SRQ (Serial Poll):

Алгоритм опроса контроллером байта статуса STB при выставлении сигнала запроса обслуживания SRQ.

Часть 2. Интенсивный предзачетный тренинг (Темы 01–16, 35 минут)

Решите 4 комплексные архитектурные задачи из экзаменационного пула вопросов дифференцированного зачета.

Задача 1 (Шины): Расчет реальной пропускной способности интерфейса PCI Express 4.0 x16:

Тактовая частота 16 GT/s на линию, кодирование 128b/130b. Рассчитайте скорость одной линии и слота x16 в одном направлении (ГБ/с) и полный дуплексный поток (чтение + запись).

Задача 2 (Память): Пропускная способность памяти DDR5-5600 в двухканальном режиме:

Учитывая, что модуль DDR5 содержит два 32-битных субканала (суммарно 64 бита = 8 байт), рассчитайте ПСП одного модуля и двухканальной конфигурации (ГБ/с). Сравните с DDR4-3200 двухканал.

Задача 3 (Периферия): Расчет видеопотока 4K 144Hz 10-bit HDR и обоснование DSC:

Разрешение $3840 \times 2160$, 144 Гц, 10 бит RGB (30 bpp), коэффициент гашения 1.2. Рассчитайте битрейт (Гбит/с). Хватит ли пропускной способности DisplayPort 1.4 (25.92 Гбит/с)? Обоснуйте применение DSC 1.2a.

Задача 4 (Архитектура ввода-вывода): Сравнение DMA (Direct Memory Access) и PIO (Programmed I/O):

Почему скоростной обмен данными с накопителями NVMe и промышленными модулями DAQ невозможен в режиме PIO? Как работает режим Bus Master DMA по шине PCIe?

Часть 3. Инженерные выводы и правила электромагнитной совместимости

Сформулируйте итоговые выводы по пусконаладке оборудования и правилам заземления экранов кабелей:

Почему экран сигнального кабеля заземляется строго в одной точке? Какие последствия возникают при образовании паразитного контура заземления (Ground Loop)?