劉　靜，胡媛媛

(深圳大學(xué)　信息工程學(xué)院，廣東　深圳　518060)

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基于PSoC平臺的數(shù)模結(jié)合實驗項目設(shè)計

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)合的綜合性實驗可以促進學(xué)生對電路知識的融會貫通，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力，但實驗的復(fù)雜度和難度也相應(yīng)有所增加。基于PSoC平臺的實驗箱包含多樣的數(shù)字及模擬功能模塊，為數(shù)模結(jié)合實驗提供了很好的平臺，提升了實驗的多樣性和趣味性，降低了實驗的難度，使得更多學(xué)生能完成該類實驗。該文提出了基于PSoC平臺的數(shù)模綜合性實驗設(shè)計原則，介紹了兩類基本的綜合實驗框架在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，并以學(xué)生完成度較好的數(shù)控小電機為實例闡述了學(xué)生實現(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

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，好的實驗設(shè)計可以加深學(xué)生對這兩門課程理論知識的理解并培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實用系統(tǒng)的實踐能力[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)用實驗室，將兩門課程的實驗放在一個實驗室內(nèi)，并在數(shù)字電路課程內(nèi)增加了可選的數(shù)模結(jié)合的綜合性實驗項目，為培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)模綜合動手能力營造了一個良好的學(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，只有少量動手能力較強的學(xué)生才有能力在該學(xué)期完成從設(shè)計、做板到調(diào)試的整個數(shù)模綜合實驗，而片上可編程版系統(tǒng)(PSoC)試驗箱的出現(xiàn)降低了數(shù)模綜合系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)及調(diào)試的難度[5-7]，使得更多的同學(xué)能完成一個小型數(shù)模綜合系統(tǒng)，提高了學(xué)生選作數(shù)模結(jié)合實驗的興趣。本文提出基于PSoC平臺的數(shù)模結(jié)合實驗的設(shè)計原則，并以數(shù)控小電機為例，闡述基于PSoC平臺的數(shù)模結(jié)合實驗項目的實現(xiàn)過程。

1數(shù)模結(jié)合的綜合性實驗設(shè)計原則

傳統(tǒng)教學(xué)中，數(shù)字電路實驗與模擬電路實驗分開進行，而實際的應(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，增加一些簡單而實用的數(shù)模結(jié)合實驗，能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生對課程的興趣，并讓學(xué)生在實驗過程中更好地建立起電路知識體系，達到融會貫通、學(xué)以致用的目的。

體現(xiàn)數(shù)模綜合性設(shè)計原則的實驗應(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。在實驗框架一中，數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成模擬信號，該信號再通過放大電路，最終驅(qū)動模擬執(zhí)行系統(tǒng)。在實驗框架二中，先用傳感器采集外界環(huán)境中的模擬信號信息，通過模擬放大電路，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終將該信號進行數(shù)字顯示。因為實驗框架二中傳感器采集的信號較微弱，通過模擬放大電路的放大，使得模擬信號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)計原則的實驗項目框架一

圖2體現(xiàn)數(shù)模綜合性設(shè)計原則的實驗項目框架二

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

2PSoC在數(shù)模結(jié)合實驗中的應(yīng)用

清華大學(xué)自動化系和清華大學(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)新實驗平臺TPG-PSoC3實驗箱(以下簡稱PSoC3實驗箱)[9-10]包含一個PSoC3核心處理器模塊、多個數(shù)模外圍模塊(如液晶屏、4位數(shù)碼管、推拉按鍵、直流電機，光敏/磁敏/熱敏電阻、溫度傳感器等)，以及多個標(biāo)準(zhǔn)接口，可以滿足很多數(shù)模結(jié)合實驗的要求。該系統(tǒng)的設(shè)計軟件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)模綜合實驗有很好的輔助作用。

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，在譯碼器的實驗課程前，由教師進行15 min的3線～8線譯碼器PSoC3實現(xiàn)的實例演示，學(xué)生課下完成一次譯碼器的PSoC3實現(xiàn)，既能鞏固知識、預(yù)習(xí)實驗，又能熟悉軟件應(yīng)用，為后面設(shè)計數(shù)模綜合系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

3數(shù)控小電機實驗項目的設(shè)計

電機是很多系統(tǒng)的重要組成模塊，如風(fēng)扇、遙控小車、遙控飛機、機器人等，這類實用小系統(tǒng)很容易引起學(xué)生的實踐興趣。數(shù)控小電機實驗包含兩個模塊：1)電機控制，實驗要求通過兩個開關(guān)控制一個小電機的轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，對應(yīng)圖1；2)電機測速，實驗要求對轉(zhuǎn)動的電機通過傳感器進行速度測量，將傳感器的測量結(jié)果進行處理，并進行轉(zhuǎn)速顯示，對應(yīng)圖2。這兩個模塊選做一個即可完成一個數(shù)模結(jié)合實驗，也可以合并成一個略大的數(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驗項目。

電機控制可以利用PSoC3試驗箱中的推拉數(shù)字開關(guān) S1、S2 分別對應(yīng)控制電機轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，由PSoC3核心處理器檢測兩個開關(guān)的狀態(tài)，并控制兩個PWM模塊，用于產(chǎn)生驅(qū)動試驗箱中的直流小電機的轉(zhuǎn)動的直流信號。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行控制，是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法，是由PSoC3內(nèi)部編程生成的一個常用模塊。電機控制實驗結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖3所示。

圖3　電機控制實驗設(shè)計框圖

電機測速同樣可以全部用PSoC3試驗箱已有模塊完成。PSoC3試驗箱的直流電機旁有一個紅外檢測儀，在電機轉(zhuǎn)動的過程中，因電機扇葉的遮擋，會輸出每轉(zhuǎn)6次的周期性開關(guān)信號，這個開關(guān)信號輸入PSoC3試驗箱中的計數(shù)器模塊，并用定時器輔助計數(shù)器模塊計算1 s內(nèi)的計數(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，顯示出電機的秒轉(zhuǎn)速，實驗結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖4所示。

圖4　電機測速實驗設(shè)計框圖

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

圖5　數(shù)控小電機實驗PSoC連線圖

圖6　數(shù)控小電機實驗PSoC引腳分配圖

4結(jié)束語

PSoC實驗平臺可以減低數(shù)模綜合實驗的難度，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)生的綜合實踐能力。本文提出基于PSoC3試驗箱的數(shù)模綜合實驗的設(shè)計原則，并給出教學(xué)實踐中學(xué)生完成度較好的數(shù)控小電機實例，可供兄弟院校相關(guān)實驗課程參考。

參 考 文 獻

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·實 驗 教 學(xué)·

收稿日期:2015-03-16；修改日期: 2015-04-09

基金項目：深圳大學(xué)教學(xué)改革基金(JG2013042)；深圳大學(xué)實驗室與設(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TN79t2

文獻標(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