基于PSoC的電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

摘 要 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)更加適合高職學(xué)生學(xué)情的基于PSoC的電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)可用于高職應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，亦可作為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和電子設(shè)計(jì)大賽的開發(fā)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞 PSoC;實(shí)訓(xùn)平臺(tái);高職教育

數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)、微控制器技術(shù)等是高職應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)的核心課程，實(shí)踐教學(xué)是其中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)都是配合理論教學(xué)，用大型的實(shí)驗(yàn)箱或者實(shí)訓(xùn)臺(tái)進(jìn)行，更有甚者用仿真軟件來替代硬件平臺(tái)。后者算不算真正意義上的實(shí)訓(xùn)尚且不論，前者成本高、類型單一、拓展性差，并不能完全滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

1PSoC介紹

PSoC（ProgrammableSystemonChip，可編程片上系統(tǒng)）是 Cypress公司于2003年推出的可編程片上系統(tǒng)，它既有微處理器核，又有數(shù)字與模擬混合信號(hào)陣列。正因?yàn)镻SoC器件在一個(gè)芯片上整合了可配置的模擬資源和數(shù)字資源、存儲(chǔ)器、微控制器等，使用PSoC器件進(jìn)行電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以直接調(diào)用數(shù)字模塊或者模擬模塊，基本無須外部元件，直接通過編程就可以構(gòu)架所需要的電路系統(tǒng)。利用PSoC器件設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅快捷方便，更能充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力[1]。

此前，清華大學(xué)已開發(fā)出兼容PSoC3、PSoC5的JS_3型PSoC開發(fā)套件，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)也進(jìn)行了基于PSoC4的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的研制。但是，這些套件或平臺(tái)都是針對(duì)本科學(xué)生設(shè)計(jì)的，并不完全適用于高職課程。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)更加適合高職學(xué)生使用的基于PSoC的電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)可用于高職應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)教學(xué)，也可以作為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和電子設(shè)計(jì)大賽的開發(fā)平臺(tái)[1]。

2平臺(tái)設(shè)計(jì)

本基于PSoC的電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)布局框圖如圖1所示，該平臺(tái)的正中間是一大塊面包板，可以進(jìn)行外圍電路的搭建和系統(tǒng)功能調(diào)試。面包板周圍分布著所有芯片和模塊的端口引腳，實(shí)驗(yàn)連線更加一目了然。

2.1 電源模塊

根據(jù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的需求，電源模塊具有短路保護(hù)和過流保護(hù)功能，可以提供±5V和±3.3V的直流電壓，該電壓首先由開關(guān)電源將交流220V電壓換成直流12V后，再經(jīng)過電壓變換電路轉(zhuǎn)換得來。

2.2 外部時(shí)鐘

外部時(shí)鐘模塊可以輸出多種頻率的時(shí)鐘。

2.3 通信模塊

通信模塊主要實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和計(jì)算機(jī)以及外圍設(shè)備之間的通信，模塊利用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)PSoC芯片與外部設(shè)備之間的串行通信，對(duì)于不配備串口的計(jì)算機(jī)，還設(shè)計(jì)了基于PL2303芯片的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換電路。

2.4 輸入模塊

4*4矩陣鍵盤：在二自由度云臺(tái)控制器的設(shè)計(jì)等需要用到較多按鍵的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，由于需要用到的按鍵數(shù)量較多，為了減少控制端口的占用，采用矩陣鍵盤進(jìn)行控制。

獨(dú)立按鍵組：由10個(gè)獨(dú)立按鍵組成，用于簡(jiǎn)易電子琴等項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)。

電位器：由于微控制器內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)置了A/D、D/A功能，設(shè)計(jì)時(shí)用電位器和呼吸燈來模擬A/D、D/A功能，取代了專門的ADC和DAC。

2.5 輸出模塊

LCD模塊：

LCD模塊預(yù)留了兩種類型的LCD顯示器件接入端口，并行控制端口可以插入常用的LCD1602顯示器，也可以根據(jù)需要在串行控制端口插入帶有漢字顯示功能的MZLH01-12864LCD顯示模塊。

LED陣列：由10個(gè)LED組成，和10個(gè)獨(dú)立按鍵一一對(duì)應(yīng)，用于流水燈顯示等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

數(shù)碼管：設(shè)計(jì)了8位共陰極八段數(shù)碼管，以動(dòng)態(tài)顯示的方式顯示8位數(shù)據(jù)，用于數(shù)字時(shí)鐘、電子萬年歷等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的顯示輸出。

蜂鳴器：由5V高電平驅(qū)動(dòng)，單路輸入，用于樂曲自動(dòng)演奏電路、簡(jiǎn)易電子琴等項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。

2.6 外擴(kuò)電路接口

平臺(tái)空間有限，不可能包括所有功能模塊，通過平臺(tái)右側(cè)預(yù)留的一組外擴(kuò)電路接口，學(xué)生還可以進(jìn)行一些所需要的其他功能模塊的擴(kuò)展開發(fā)。

3教學(xué)應(yīng)用

本套基于PSoC的電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可用于高職應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)《模擬電子電路分析與調(diào)試》、《數(shù)字電子電路分析與調(diào)試》、《典型傳感器應(yīng)用》、《微控制器選擇與應(yīng)用》、《FPGA應(yīng)用技術(shù)》和《ARM微控制器應(yīng)用》等專業(yè)核心課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)。主要可以完成以下幾個(gè)類型的實(shí)訓(xùn)：

3.1 模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)

模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)可以利用平臺(tái)上的按鍵、數(shù)碼管、電位器、LED等模塊，也可以在面包板上增加一些其他的模擬器件和數(shù)字器件來完成，如LED的點(diǎn)亮實(shí)訓(xùn)、運(yùn)算放大器的放大實(shí)訓(xùn)、簡(jiǎn)易儀器儀表的設(shè)計(jì)使用實(shí)訓(xùn)等基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)。

本平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的典型模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如表1所示。

3.2 微控制器基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)

微控制器基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)可以自由選擇所對(duì)應(yīng)微控制器，完成如微控制器I/O接口控制、中斷系統(tǒng)控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制，串行接口控制、A/D、D/A轉(zhuǎn)換控制等基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)。

本平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的典型的微控制器技術(shù)基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目如表2所示。

3.3 微控制器綜合性實(shí)訓(xùn)

除了上述的基礎(chǔ)性實(shí)訓(xùn)之外，平臺(tái)還可以利用其中的若干個(gè)模塊相組合，來完成一些微控制器的綜合性實(shí)訓(xùn)。

以《ARM微控制器應(yīng)用》課程為例，本平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)的典型綜合性項(xiàng)目如表3所示。

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于PSoC的電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)針對(duì)高職學(xué)生的學(xué)情設(shè)計(jì)，具有系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容豐富，能滿足高職應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生多門專業(yè)課的實(shí)踐教學(xué)需求，也可供其他電子信息類專業(yè)學(xué)生使用，還可作為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和電子設(shè)計(jì)大賽的開發(fā)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 雷芳，劉喬壽，劉科征，等.電子技術(shù)教學(xué)中的PSoC教學(xué)平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（12）：183-186.

作者簡(jiǎn)介

王超素（1983-），女，浙江江山人;畢業(yè)院校：寧波大學(xué)，專業(yè)：電路與系統(tǒng)，學(xué)歷：碩士，職稱：講師，現(xiàn)就職單位：衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：電子電路與系統(tǒng)控制。