柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 萬(wàn)選明

基于PSOC 的嵌入式實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 萬(wàn)選明

介紹了一種基于PSOC的嵌入式實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)述了整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方案及整體構(gòu)成，整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱采用“主板+適配板”的設(shè)計(jì)思路，給出了主板實(shí)驗(yàn)?zāi)K的構(gòu)成及其能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。

嵌入式實(shí)驗(yàn)箱；PSOC；單片機(jī)；模塊

1.引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和芯片集成度的不斷提高，越來(lái)越大的廠商開(kāi)始提供在單芯片上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的解決方案，即PSOC方案，這種方案提高了設(shè)計(jì)的可靠性、縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，能極大的滿足產(chǎn)品快速上市和提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。美國(guó)Cypress公司在業(yè)界率先推出了PSOC系統(tǒng)，目前已推出了PSOC1、PSOC3、PSOC4、PSOC5四個(gè)系列芯片，每個(gè)系列的芯片嵌入了不同的MCU內(nèi)核和數(shù)字、模擬系統(tǒng)，再配合其高度集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境PSoC Creator，使得PSOC系統(tǒng)在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，社會(huì)、企業(yè)對(duì)PSOC領(lǐng)域的嵌入式人才的需求越來(lái)越旺盛，但該領(lǐng)域的相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備寥寥無(wú)幾，國(guó)內(nèi)僅有的幾款實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多數(shù)是針對(duì)PSOC1系列芯片的，功能單一，無(wú)法滿足全系列PSOC芯片的開(kāi)發(fā)與研究，為此，開(kāi)發(fā)了基于PSOC的嵌入式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

2.設(shè)計(jì)思想及總體設(shè)計(jì)方案

PSOC技術(shù)綜合了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)及單片微控制技術(shù)，具有一定的超前性和高度集成的特性，而傳統(tǒng)的電子技術(shù)、單片機(jī)等學(xué)科經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，學(xué)科發(fā)展較為成熟，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對(duì)設(shè)計(jì)較為成熟，可靠性高，但是這些設(shè)備也存在一些缺點(diǎn)：（1）通用性不強(qiáng)，利用率不高；（2）管理難度大，升級(jí)換代成本高；（3）可擴(kuò)展性不足，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。為此，為了克服上述缺點(diǎn)，結(jié)合PSOC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和我校大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)的特點(diǎn)，確立了以 “主板+適配板”的設(shè)計(jì)思想，主板是通用實(shí)驗(yàn)板，對(duì)全系列芯片適用，包括模擬電路、數(shù)字電路、單片機(jī)控制技術(shù)等學(xué)科常用的通用實(shí)驗(yàn)?zāi)K，各模塊相對(duì)獨(dú)立，使用者可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇相應(yīng)的模塊并進(jìn)行組合，通過(guò)主板上的連線和接插口將所需模塊連接起來(lái)，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；適配板是CPU最小系統(tǒng)板，CPU可以是PSOC系列控制器中任何一個(gè)控制器，也可以是通用單片機(jī)（包括常見(jiàn)的51系列、凌陽(yáng)系列、MSP430系列等），不同的CPU對(duì)應(yīng)一個(gè)適配板，適配板包括CPU芯片、程序下載端口、復(fù)位電路、I/O端口、供電端口、晶振電路、電源變換模塊等；適配板通過(guò)主板上的適配板接插口與主板連接，適配板接插口采用四面防插錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

3.詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

基于前述背景和設(shè)計(jì)思想，本著簡(jiǎn)單實(shí)用、可擴(kuò)展性強(qiáng)、后續(xù)升級(jí)簡(jiǎn)單的原則，確定了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電源模塊，實(shí)驗(yàn)箱主板、適配板及實(shí)驗(yàn)箱體幾部分組成。

（1）電源模塊

電源模塊采用開(kāi)關(guān)電源供電，交流220V電源經(jīng)開(kāi)關(guān)電源變換成直流12V后，經(jīng)電源變換電路轉(zhuǎn)換成直流±5V，±3.3V供實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用，可以滿足所有實(shí)驗(yàn)需求。

（2）實(shí)驗(yàn)箱主板

實(shí)驗(yàn)箱主板是整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱的核心，包括了適配板接插區(qū)、數(shù)碼管顯示模塊、LCD顯示模塊、繼電器控制模塊、蜂鳴器控制模塊、AD/DA模塊、直流電機(jī)控制調(diào)速模塊、LM92溫度傳感器模塊、紅外反射模塊、按鍵模塊、LED流水燈模塊、通信模塊、DS1302時(shí)鐘模塊及擴(kuò)展模塊等，下面對(duì)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)單介紹：

數(shù)碼管顯示模塊：采用了8位數(shù)碼管以動(dòng)態(tài)顯示的方式顯示8位數(shù)據(jù)，為了節(jié)約端口，設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩片74HC573，分時(shí)復(fù)用完成8位數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)控制。

LCD顯示模塊：預(yù)留了常用的LCD1602和帶有漢字顯示功能的MZLH01-12864兩種LCD顯示器件接入端口，其中LCD1602是并行控制端口，MZLH01-12864是串行控制端口。

繼電器、電機(jī)、蜂鳴器控制模塊：由于繼電器、步進(jìn)電機(jī)、蜂鳴器等工作電流相對(duì)較大，一般單片機(jī)端口輸出電流無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)，需要做電流放大處理，本實(shí)驗(yàn)箱采用了一片ULN2003做電流放大，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)、繼電器、蜂鳴器的控制，直流電機(jī)通過(guò)繼電器的控制實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，用紅外光電對(duì)管作為測(cè)速元件。

按鍵、流水燈模塊：設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵和8個(gè)LED作為按鍵輸入和流水燈顯示，每個(gè)按鍵和LED獨(dú)立控制，可以根據(jù)需要自由選擇。

傳感器模塊：傳感器模塊選用了基于I2C總線控制的LM92 和紅外反射模塊，另外，還增加了電容觸摸模塊，該模塊是PSOC系列單片機(jī)比較突出的特殊功能。

通信模塊：通信模塊主要是方便實(shí)驗(yàn)箱與計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)箱與外圍設(shè)備之間通信，便于進(jìn)一步功能擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了基于MAX232的TTL—RS232 電平轉(zhuǎn)換電路，還考慮到目前大多數(shù)計(jì)算機(jī)已經(jīng)不配備串口，還專門增加了基于PL2303的USB—RS232電平轉(zhuǎn)換電路，便于用戶使用。

AD/DA模塊：考慮到目前大多數(shù)單片機(jī)已經(jīng)內(nèi)置了AD、DA功能，為此在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有設(shè)計(jì)專門的ADC、DAC，只是設(shè)計(jì)了一個(gè)基于電位器的模擬量變換輸入電路和一個(gè)基于LED呼吸燈的模擬量輸出電路，便于模擬AD、DA的功能。

功能擴(kuò)展區(qū)：為了便于功能擴(kuò)展，專門設(shè)計(jì)了功能擴(kuò)展區(qū)，擴(kuò)展區(qū)包括兩部分，一部分是主板上設(shè)置了一塊多功能面包板，便于一些分立元件擴(kuò)展使用，還增設(shè)了擴(kuò)展預(yù)留接口，便于一些功能板接入。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：為了便于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握基于SPI總線協(xié)議的設(shè)備控制，設(shè)計(jì)了基于DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制電路。

（3）適配板模塊

適配板模塊是CPU最小系統(tǒng)電路，主要包括CPU、時(shí)鐘電路、程序下載電路及與主板接口，每個(gè)CPU對(duì)應(yīng)一塊適配板，適配板與主板之間的接口采用四面防插錯(cuò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)需要嚴(yán)格遵守相關(guān)的約定。

（4）實(shí)驗(yàn)箱體

實(shí)驗(yàn)箱體用鋁合金材料定制，內(nèi)部預(yù)留適配頭、電源線、杜邦線收納盒，便于保管使用。

4.嵌入式實(shí)驗(yàn)箱的應(yīng)用

該實(shí)驗(yàn)箱經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試，已于2015年底在筆者所在單位柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技創(chuàng)新實(shí)踐基地投入試用，經(jīng)過(guò)大半年的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)箱運(yùn)行穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，可以完全滿足本校學(xué)生學(xué)習(xí)使用，也可以用于大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)、師生科研開(kāi)發(fā)和新產(chǎn)品的研制，主要可以完成以下幾方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）電子技術(shù)基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

利用主板上的按鍵顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、AD/DA模塊、繼電器、步進(jìn)電機(jī)、蜂鳴器等模塊和在面包板模塊上增加一些模擬、數(shù)字器件，可以完成一些電子技術(shù)基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，比如發(fā)光二極管點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)、數(shù)字邏輯驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、儀器儀表使用實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。

（2）微控制器驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)學(xué)習(xí)的需要，選擇對(duì)應(yīng)微控制器適配板，配合主板完成一些單片機(jī)功能性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，比如單片機(jī)端口輸入輸出控制、定時(shí)器、數(shù)碼管顯示、LCD顯示、通信等微控制器性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

（3）功能性實(shí)驗(yàn)

可以利用系統(tǒng)中若干模塊組合，完成一些功能性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，比如：萬(wàn)年歷、電機(jī)測(cè)速、電容觸摸控制等創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

由于采用主板+適配板的設(shè)計(jì)思想，各部分相對(duì)獨(dú)立，使用者可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇相應(yīng)的模塊并進(jìn)行組合，通過(guò)主板上的連線和接插口將所需模塊連接起來(lái)，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；系統(tǒng)提供了6個(gè)適配頭，涵蓋了PSOC1 、PSOC2、PSOC3、PSOC5 及51系列、430系列單片機(jī)，使得使用者在無(wú)需更換實(shí)驗(yàn)裝置的情況下，隨時(shí)更換實(shí)驗(yàn)CPU來(lái)完成不同系列CPU的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)由于采用主板+適配板的設(shè)計(jì)思想，為后續(xù)CPU板升級(jí)留下了余地，也可以利用主板上的面包板和擴(kuò)展接口完成一些自創(chuàng)性、綜合性的實(shí)驗(yàn)，方便教師、學(xué)生及研發(fā)人員二次開(kāi)發(fā)使用。

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萬(wàn)選明（1982—），男，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，主要從事自動(dòng)控制技術(shù)方面的教學(xué)與研究。

柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)立項(xiàng)課題（2011-10）。