基于PSoC技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)探索

丁仁偉，邢冰冰，王繼業(yè)

（中央民族大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100081）

現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，推動(dòng)著電子器件朝著性能更強(qiáng)、功耗更低、集成度更高的方向發(fā)展，新型的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念也使得電子應(yīng)用技術(shù)有了更豐富的實(shí)現(xiàn)手段和更廣的應(yīng)用場(chǎng)景。因此，在當(dāng)前的本科實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)引入新的應(yīng)用技術(shù)，這樣既能滿足教學(xué)需求，又可以用新的理念和方法來(lái)培養(yǎng)符合應(yīng)用需求的大學(xué)生。PSoC 是一項(xiàng)全新的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)，在單微控制器芯片上完整實(shí)現(xiàn)了模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)。將PSoC 技術(shù)引入本科實(shí)踐教學(xué)，將會(huì)給實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)更廣闊的視野和更豐富的手段。

1 PSoC技術(shù)及PSoC器件介紹

PSoC（programmable system on chip，可編程化系統(tǒng)單芯片）技術(shù)是一種可在系統(tǒng)編程技術(shù)，是Cypress半導(dǎo)體器件公司于2003 年推出PSoC 器件［1］，其實(shí)質(zhì)就是將CPU 核、模擬子系統(tǒng)和數(shù)字子系統(tǒng)集成在單芯片上的片上系統(tǒng)［2］。Cypress公司先后推出了PSoC1、PSoC3、PSoC5 三個(gè)系列的PSoC 器件，分別集成了M8C CPU 核、8051CPU 核和ARM Cortex－M3CPU 核。

PSoC器件的軟件開發(fā)環(huán)境有早期的適用于M8C CPU 核的PSoC Designer和可視化開發(fā)工具PSoC Express。編程工具PSoC Programmer最新的適用全系列的集成開發(fā)環(huán)境是PSoC Creator。這些軟件開發(fā)工具提供了豐富的數(shù)字和模擬模塊，這些模塊是廠家編譯好的具有特定功能的數(shù)字和模擬資源的組合，調(diào)用這些模塊就可實(shí)現(xiàn)對(duì)PSoC 模擬、數(shù)字資源的支配，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)C編程和匯編編程及混合編程［3－5］。

PSoC器件豐富的模、數(shù)資源，簡(jiǎn)易高效的開發(fā)設(shè)計(jì)流程，管腳靈活的配置和布局，可重構(gòu)的設(shè)計(jì)理念及CapSense觸摸應(yīng)用等［6－7］，使得開發(fā)綜合成本降低，便于實(shí)現(xiàn)真正的單片系統(tǒng)，再加上新的8051CPU 核和ARM Cortex－M3CPU 核的推出，使得PSoC 器件在國(guó)內(nèi)得以快速推廣，并迅速地應(yīng)用到本科實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域［8］。清華大學(xué)已開發(fā)出兼容PSoC3、PSoC5的JS－3型PSoC開發(fā)套件。

2 PSoC技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

2.1 易于實(shí)現(xiàn)“跟蹤式”實(shí)踐教學(xué)

傳統(tǒng)的理工科學(xué)生實(shí)驗(yàn)都是配合理論課程、按照教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行，這樣的教學(xué)過程雖然能夠讓學(xué)生獲得動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，但是學(xué)生缺乏主動(dòng)性。另外往往由于實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的安排不當(dāng)或者實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限，不能取得預(yù)期的教學(xué)效果，達(dá)不到實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)［9］。

鑒于PSoC器件的特性，適合開發(fā)模擬、數(shù)字混合的單片小型片上系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的龐大復(fù)雜的板級(jí)電子系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)圍繞某款PSoC 器件，再配上極其簡(jiǎn)單的外部元件（電阻、電容等），便可以構(gòu)成一個(gè)模擬、數(shù)字電路及微控制器的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

基于以上分析，可以考慮嘗試如下所述的“跟蹤式”實(shí)踐教學(xué):電子類專業(yè)的學(xué)生可以入學(xué)后就獲得一個(gè)PSoC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后在不同的電子類專業(yè)課程中作為自己的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)使用，“跟蹤”學(xué)生的整個(gè)在校學(xué)習(xí)過程，完成驗(yàn)證性及創(chuàng)新性的各種電子實(shí)驗(yàn)和電子設(shè)計(jì)。這樣的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)可以擴(kuò)展到微控制器技術(shù)、模擬電路、數(shù)字邏輯、信號(hào)與系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理等多門課程中。學(xué)生使用這樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，不但養(yǎng)成了主動(dòng)的實(shí)踐動(dòng)手的習(xí)慣和自主解決問題的習(xí)慣，更重要的是提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生電子設(shè)計(jì)開發(fā)的能力。

2.2 易于實(shí)現(xiàn)“金字塔式”教學(xué)

使用PSoC器件進(jìn)行電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，由于PSoC器件內(nèi)部豐富的數(shù)字和模擬資源，基本不需要外部元件，而是直接調(diào)用數(shù)字或者模擬用戶模塊，通過編程就能構(gòu)架需要的系統(tǒng)。這樣很快就能建立系統(tǒng)概念模型，這種設(shè)計(jì)模式是“搭積木”的過程。

若采用傳統(tǒng)形式的教學(xué)，從原理、結(jié)構(gòu)等知識(shí)點(diǎn)開始，通過較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成教授過程，這樣的過程容易讓學(xué)生失去整體概念，陷入到具體知識(shí)點(diǎn)的細(xì)節(jié)中。若采用自上而下的“金字塔式”教學(xué)法，即開始給學(xué)生講述PSoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹綜合設(shè)計(jì)實(shí)例，讓學(xué)生了解PSoC的應(yīng)用背景，接觸系統(tǒng)開發(fā)的概念，學(xué)生就能有的放矢，學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，然后采用逐級(jí)細(xì)化的方法，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題分化出來(lái)。不同的學(xué)生會(huì)面臨不同的問題，調(diào)動(dòng)學(xué)生采用自學(xué)的方式解決面臨的問題，就能夠不斷地推進(jìn)教與學(xué)的過程，從“塔尖”向“塔底”進(jìn)展。

這樣的教學(xué)過程既能讓教師的講授重點(diǎn)明確，又能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的興趣，在實(shí)施后取得較好的教學(xué)效果。

2.3 易于配合其他實(shí)踐教學(xué)，提供豐富的教學(xué)模式

當(dāng)前的大學(xué)教育越來(lái)越強(qiáng)調(diào)素質(zhì)教育，而實(shí)踐教學(xué)是素質(zhì)教育的一種有效手段。通過實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用能力，通過實(shí)踐和應(yīng)用又能夠深入理解理論知識(shí)。

PSoC器件可以方便地實(shí)現(xiàn)單片片上系統(tǒng)，如同上文中提到的“跟蹤式”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以將這種平臺(tái)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)的多種場(chǎng)合。在自主命題教學(xué)實(shí)踐中，可以讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)應(yīng)用命題，通過PSoC 平臺(tái)去解決；在項(xiàng)目教學(xué)法課程設(shè)計(jì)中，可以由教師提供具有應(yīng)用意義的課題和項(xiàng)目，由學(xué)生在PSoC 平臺(tái)上去解決等［10－11］。

2.4 易于處理傳感器信號(hào)

具備模擬和數(shù)字資源的PSoC 器件，在處理傳感器信號(hào)方面具有先天的優(yōu)勢(shì)，因此PSoC 器件也被應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中［12－13］。PSoC 作為處理模塊用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)能耗降低、體積縮小、可靠性提高、成本降低，增加生存周期，縮短開發(fā)周期。

3 PSoC技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的嘗試

為了提高實(shí)踐教學(xué)水平，將PSoC 技術(shù)引入到實(shí)踐教學(xué)中來(lái)，我們做了以下探索。

（1）引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行PSoC 的自主學(xué)習(xí)。在教學(xué)過程中，部分學(xué)有余力的學(xué)生希望在開放實(shí)驗(yàn)室里做一些實(shí)踐活動(dòng)，于是我們將PSoC平臺(tái)介紹給他們，通過2～3次講授，按照“金字塔式”的教學(xué)方法，讓他們迅速了解并上手操作PSoC平臺(tái)。通過1個(gè)學(xué)期的自主學(xué)習(xí)，這些學(xué)生基本掌握了PSoC技術(shù)的應(yīng)用，為其他實(shí)踐環(huán)節(jié)打下基礎(chǔ)。

（2）參加Cypress公司組織的電子設(shè)計(jì)大賽。組織自主學(xué)習(xí)PSoC技術(shù)的學(xué)生參加Cypress公司組織的大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽，成功參賽，并完成“基于PSoC芯片USB通信的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)”等項(xiàng)目。

（3）申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目。通過積累的PSoC素材，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，組織學(xué)生申請(qǐng)了3個(gè)校級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目和1個(gè)北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目。

（4）開設(shè)課程設(shè)計(jì)選修課。利用PSoC 平臺(tái)開設(shè)了電路綜合課程設(shè)計(jì)和微處理器課程設(shè)計(jì)2門選修課程，通過完成一些電子綜合系統(tǒng)項(xiàng)目來(lái)訓(xùn)練學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力。訓(xùn)練過的題目有語(yǔ)音存儲(chǔ)回放系統(tǒng)、直接數(shù)字頻率合成器等。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過將PSoC 技術(shù)引入到實(shí)踐教學(xué)中的一些嘗試，讓學(xué)生在實(shí)踐中成為主角，提高了學(xué)生的自學(xué)能力和主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，也培養(yǎng)了學(xué)生電子設(shè)計(jì)開發(fā)的能力。作為教學(xué)單位，我們也摸索了一種實(shí)踐教學(xué)的新途徑，通過對(duì)實(shí)踐方法和實(shí)踐平臺(tái)的不斷改進(jìn)，一定能夠?yàn)樗刭|(zhì)教育提供更好的實(shí)踐平臺(tái)。

（

）

［1］葉朝輝，華成英，趙彥博.基于PSoC 的“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”教學(xué)改革［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（6）:69－71.

［2］何賓.8051片上可編程系統(tǒng)原理與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

［3］朱明程，李曉濱.PSoC 原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］葉朝輝，華成英.可編程片上系統(tǒng)（PSoC）原理及實(shí)訓(xùn)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［5］Cypress Semiconductor.PSoC3 Architecture TRM ［EB／OL］.［2012－06－05］.http:／／www.cypress.com.

［6］Robert A.Designer’s Guide to the Cypress PSoC［M］.Holland:Elsevier Science Ltd，2005.

［7］Chris N.Embedded Systems Design using the TI MSP430Series［M］.Holland:Elsevier Science Ltd，2003.

［8］陳超，王心一，王成華.基于PSoC的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（10）:110－113.

［9］張新安，熊文元，包本剛.電子技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的研究與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（7）:24－27.

［10］丁則信，黃正瑾.“數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”自主命題新教學(xué)方法的實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（12）:147－148.

［11］林祝亮，馬世平，楊金華.項(xiàng)目教學(xué)法在電子類課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（8）:114－116.

［12］徐志，楊永明，王波，等.電機(jī)定子溫度在線監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（7）:78－83.

［13］王波，楊永明，汪金剛，等.基于PSoC的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，22（3）:413－416.