劉　靜，胡媛媛

(深圳大學(xué)　信息工程學(xué)院，廣東　深圳　518060)

?

基于PSoC平臺(tái)的數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

劉靜，胡媛媛

(深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東深圳518060)

摘要數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)可以促進(jìn)學(xué)生對電路知識(shí)的融會(huì)貫通，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，但實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度和難度也相應(yīng)有所增加?；赑SoC平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)箱包含多樣的數(shù)字及模擬功能模塊，為數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)提供了很好的平臺(tái)，提升了實(shí)驗(yàn)的多樣性和趣味性，降低了實(shí)驗(yàn)的難度，使得更多學(xué)生能完成該類實(shí)驗(yàn)。該文提出了基于PSoC平臺(tái)的數(shù)模綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，介紹了兩類基本的綜合實(shí)驗(yàn)框架在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，并以學(xué)生完成度較好的數(shù)控小電機(jī)為實(shí)例闡述了學(xué)生實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞數(shù)模結(jié)合；片上可編程系統(tǒng)；數(shù)控小電機(jī)

數(shù)字電路和模擬電路是電子學(xué)領(lǐng)域兩門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以加深學(xué)生對這兩門課程理論知識(shí)的理解并培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)用系統(tǒng)的實(shí)踐能力[1-2]。近年來，深圳大學(xué)信息工程學(xué)院成立了數(shù)模復(fù)用實(shí)驗(yàn)室，將兩門課程的實(shí)驗(yàn)放在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，并在數(shù)字電路課程內(nèi)增加了可選的數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)模綜合動(dòng)手能力營造了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和氛圍[3]。但是數(shù)字電路和模擬電路兩門課程是較早開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，只有少量動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生才有能力在該學(xué)期完成從設(shè)計(jì)、做板到調(diào)試的整個(gè)數(shù)模綜合實(shí)驗(yàn)，而片上可編程版系統(tǒng)(PSoC)試驗(yàn)箱的出現(xiàn)降低了數(shù)模綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及調(diào)試的難度[5-7]，使得更多的同學(xué)能完成一個(gè)小型數(shù)模綜合系統(tǒng)，提高了學(xué)生選作數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)的興趣。本文提出基于PSoC平臺(tái)的數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，并以數(shù)控小電機(jī)為例，闡述基于PSoC平臺(tái)的數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過程。

1數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則

傳統(tǒng)教學(xué)中，數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與模擬電路實(shí)驗(yàn)分開進(jìn)行，而實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)常常是既有數(shù)字的控制模塊，又有模擬的輸入輸出模塊[7]。在數(shù)字電路和模擬電路的學(xué)習(xí)過程中，增加一些簡單而實(shí)用的數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)，能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生對課程的興趣，并讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中更好地建立起電路知識(shí)體系，達(dá)到融會(huì)貫通、學(xué)以致用的目的。

體現(xiàn)數(shù)模綜合性設(shè)計(jì)原則的實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括數(shù)字電路部分、模擬電路部分以及數(shù)模(模數(shù))轉(zhuǎn)換電路部分。常用的簡單數(shù)模綜合系統(tǒng)一般可以歸納為兩種框架形式，如圖1、圖2所示。在實(shí)驗(yàn)框架一中，數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，該信號(hào)再通過放大電路，最終驅(qū)動(dòng)模擬執(zhí)行系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)框架二中，先用傳感器采集外界環(huán)境中的模擬信號(hào)信息，通過模擬放大電路，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字顯示。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)框架二中傳感器采集的信號(hào)較微弱，通過模擬放大電路的放大，使得模擬信號(hào)電平的變化范圍和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸入范圍相匹配，有利于后續(xù)電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字顯示[8]。

圖1體現(xiàn)數(shù)模綜合性設(shè)計(jì)原則的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目框架一

圖2體現(xiàn)數(shù)模綜合性設(shè)計(jì)原則的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目框架二

基于以上兩個(gè)框架結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)出一些貼近生活的數(shù)模結(jié)合小實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選作。如基于框架一的電機(jī)控制、簡易電子音樂發(fā)生器；基于框架二的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀、數(shù)字溫度計(jì)。

2PSoC在數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

清華大學(xué)自動(dòng)化系和清華大學(xué)科教儀器廠聯(lián)合研制的新一代開放式可編程片上系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)TPG-PSoC3實(shí)驗(yàn)箱(以下簡稱PSoC3實(shí)驗(yàn)箱)[9-10]包含一個(gè)PSoC3核心處理器模塊、多個(gè)數(shù)模外圍模塊(如液晶屏、4位數(shù)碼管、推拉按鍵、直流電機(jī)，光敏/磁敏/熱敏電阻、溫度傳感器等)，以及多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，可以滿足很多數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)的要求。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件PSoC Creator采用圖形控件，輔以少量C語言編程，都是學(xué)生前期課程已經(jīng)學(xué)習(xí)過的內(nèi)容，且該軟件界面簡單友好，易于調(diào)試，對于學(xué)生完成數(shù)模綜合實(shí)驗(yàn)有很好的輔助作用。

為了更好地配合數(shù)字電路和模擬電路課程，可以選擇在數(shù)字電路課程的前半部分，在譯碼器的實(shí)驗(yàn)課程前，由教師進(jìn)行15 min的3線～8線譯碼器PSoC3實(shí)現(xiàn)的實(shí)例演示，學(xué)生課下完成一次譯碼器的PSoC3實(shí)現(xiàn)，既能鞏固知識(shí)、預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，又能熟悉軟件應(yīng)用，為后面設(shè)計(jì)數(shù)模綜合系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

3數(shù)控小電機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

電機(jī)是很多系統(tǒng)的重要組成模塊，如風(fēng)扇、遙控小車、遙控飛機(jī)、機(jī)器人等，這類實(shí)用小系統(tǒng)很容易引起學(xué)生的實(shí)踐興趣。數(shù)控小電機(jī)實(shí)驗(yàn)包含兩個(gè)模塊：1)電機(jī)控制，實(shí)驗(yàn)要求通過兩個(gè)開關(guān)控制一個(gè)小電機(jī)的轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，對應(yīng)圖1；2)電機(jī)測速，實(shí)驗(yàn)要求對轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)通過傳感器進(jìn)行速度測量，將傳感器的測量結(jié)果進(jìn)行處理，并進(jìn)行轉(zhuǎn)速顯示，對應(yīng)圖2。這兩個(gè)模塊選做一個(gè)即可完成一個(gè)數(shù)模結(jié)合實(shí)驗(yàn)，也可以合并成一個(gè)略大的數(shù)模綜合系統(tǒng)，難度適中，是較多學(xué)生選擇而且完成度較好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

電機(jī)控制可以利用PSoC3試驗(yàn)箱中的推拉數(shù)字開關(guān) S1、S2 分別對應(yīng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，由PSoC3核心處理器檢測兩個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，并控制兩個(gè)PWM模塊，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)箱中的直流小電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的直流信號(hào)。其中，PWM(pulse width modulation)模塊用PSoC3處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制，是一種對模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，是由PSoC3內(nèi)部編程生成的一個(gè)常用模塊。電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3　電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框圖

電機(jī)測速同樣可以全部用PSoC3試驗(yàn)箱已有模塊完成。PSoC3試驗(yàn)箱的直流電機(jī)旁有一個(gè)紅外檢測儀，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，因電機(jī)扇葉的遮擋，會(huì)輸出每轉(zhuǎn)6次的周期性開關(guān)信號(hào)，這個(gè)開關(guān)信號(hào)輸入PSoC3試驗(yàn)箱中的計(jì)數(shù)器模塊，并用定時(shí)器輔助計(jì)數(shù)器模塊計(jì)算1 s內(nèi)的計(jì)數(shù)總次數(shù)，最后將結(jié)果轉(zhuǎn)化為4位7段數(shù)碼管的輸入信號(hào)，顯示出電機(jī)的秒轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4　電機(jī)測速實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框圖

在PSoC Creator軟件中，根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，用同一個(gè)直流電機(jī)模塊利用PSoC3核心處理器同時(shí)完成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，合成一個(gè)數(shù)控小電機(jī)實(shí)驗(yàn)，軟件中的連線圖和引腳分配圖分別如圖5，圖6所示。這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K清晰，有一定的綜合性和復(fù)雜度，但在PSoC平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)難度不大，在學(xué)生中有非常高的完成度。

圖5　數(shù)控小電機(jī)實(shí)驗(yàn)PSoC連線圖

圖6　數(shù)控小電機(jī)實(shí)驗(yàn)PSoC引腳分配圖

4結(jié)束語

PSoC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以減低數(shù)模綜合實(shí)驗(yàn)的難度，更好地培養(yǎng)學(xué)生對數(shù)字電路和模擬電路課程的興趣，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。本文提出基于PSoC3試驗(yàn)箱的數(shù)模綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則，并給出教學(xué)實(shí)踐中學(xué)生完成度較好的數(shù)控小電機(jī)實(shí)例，可供兄弟院校相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]金澤，沈允中.新型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的改革曲[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(6)：140-143.

[2]鄭兆兆，高靜.《數(shù)字電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11(2):103-106.

[3]胡媛媛，劉靜，周建華.數(shù)模結(jié)合的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2013(23)：90-91.

[4]曾潔.利用EDA技術(shù)改進(jìn)《數(shù)字電路》課程教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11(4):232-235.

[5]楊光偉，陶丹，何賓.片上可編程系統(tǒng)的嵌入式應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2013，32(10):66-68.

[6]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(10)：110-113.

[7]周靜，劉杰.數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的綜合實(shí)驗(yàn)研究[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，16(3):115-118.

[8]郭斌，歐陽燁.微弱信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的探討[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008(23):233-235.

[9]河賓.PSoC模擬與數(shù)字電路設(shè)計(jì)指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[10]清華大學(xué)科教儀器廠.TPG-PSoC3可編程片上系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)指南[EB/OL].[2014-11-20].http:// www.qhkj.com/_d270798479.htm.

·實(shí) 驗(yàn) 教 學(xué)·

收稿日期:2015-03-16；修改日期: 2015-04-09

基金項(xiàng)目：深圳大學(xué)教學(xué)改革基金(JG2013042)；深圳大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理研究基金(2015008)。

作者簡介：劉靜(1981-)，女，博士，講師，主要從事數(shù)字電路課程教學(xué)工作。

中圖分類號(hào)TN79t2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.006

Experiments Design for Digital and Analog Mixed Circuit Based on PSoC Platform

LIU Jing，HU Yuanyuan

(College of Information Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China)

AbstractExperiments of digital and analog mixed circuit are very important for students to learn the basic knowledge of circuit analysis and to improve their ability of practice，while the complexity and difficulty of these experiments is increased.Experiment boxes based on programmable system on chip(PSoC) platform include various digital and analog function modules，these modules decrease the difficulty of experiments and increase the diversity and interesting of experiments，thus most students can complete these experiments.This paper summarizes the principle for experiments design based on the PSoC platform，proposes two types of basic experiment model to use the principle in digital circuit experiment teaching，and then show the experimental process of digital control motor which is successfully completed by most students.

Key wordsdigital and analog mixed circuit；programmable system on chip；digital control motor