袁小平, 蔣 碩, 金 鵬, 陳 燁, 李子旋

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

模塊化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制與應(yīng)用

袁小平, 蔣 碩, 金 鵬, 陳 燁, 李子旋

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

研制了一種用于電子綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新型模塊式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由多種獨(dú)立的模塊構(gòu)成,可完成多門電子系列課程實(shí)驗(yàn)?；贑PU內(nèi)核的單片機(jī)/PSoC+CPLD/FPGA架構(gòu),可以完成目前流行的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該平臺(tái)采用具有數(shù)字和模擬電子電路設(shè)計(jì)功能的PSoC芯片,為混合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有力支撐；配備的多種模塊能滿足電子類實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)、專業(yè)學(xué)科競賽、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)需求。

電工電子實(shí)驗(yàn)； 模塊化設(shè)計(jì)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

單片機(jī)以及常用電子模塊在微電子產(chǎn)品、工業(yè)自動(dòng)化制造設(shè)備、智能化設(shè)備以及車載電子設(shè)備中被廣泛應(yīng)用[1]。目前,我國很多高校都開設(shè)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程,其目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力,提升學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用新型、高素質(zhì)人才[2]。對(duì)于此類實(shí)驗(yàn),大多數(shù)高校采用的是功能固定的課程定制實(shí)驗(yàn)箱,實(shí)驗(yàn)以連線為主,主要用于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)箱的通用型不強(qiáng),電子芯片和電路的更新升級(jí)也較為困難[3]。

為了解決上述的問題,筆者研制了一套功能獨(dú)立化、模塊化的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該系統(tǒng)采用目前流行的基于CPU內(nèi)核的多種單片機(jī)和CPLD/FPGA架構(gòu),引入了具有模擬和數(shù)字電路內(nèi)核的片上可編程系統(tǒng)的賽普拉PSoC芯片,系統(tǒng)所配備的模塊可自由搭配,適用范圍廣,而且系統(tǒng)資源可由學(xué)生自主選擇,鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路的能力和自主研發(fā)的能力。模塊化電路可以根據(jù)行業(yè)發(fā)展及時(shí)更新升級(jí),使學(xué)生接觸到前沿科技[4-5]。

研制本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的目的是為了適應(yīng)多類別的綜合性實(shí)驗(yàn)以及提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。因此,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能規(guī)劃布局分區(qū),并且每個(gè)功能區(qū)內(nèi)的模塊可自由選擇。系統(tǒng)按功能可分為PSoC模塊、單片機(jī)類模塊、輸入類模塊、輸出類模塊、供電模塊、通信模塊、AD/DA模塊、CPLD/FPGA模塊、下載模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊等,各模塊的設(shè)計(jì)均能體現(xiàn)目前先進(jìn)的技術(shù)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能分塊圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能分塊圖

1 系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

1.1 基于CPU內(nèi)核的單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

模塊化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兼容多種單片機(jī)系統(tǒng),定制了多類最小系統(tǒng),包括基礎(chǔ)的51系列、抗干擾性最強(qiáng)的PIC系列、功耗最低的MSP430系列、價(jià)格最便宜的STM系列等。

除此之外,為了鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,本系統(tǒng)還定制了片上可編程系統(tǒng)(PSoC)模塊[6]。該模塊在專用MCU的周圍配備了可編程模/數(shù)外圍陣列塊,可定制芯片上的模/數(shù)塊資源,使模塊的靈活性、集成度都大大提高。這種片上系統(tǒng)是未來電子產(chǎn)品的發(fā)展主流。

1.2 電源類模塊

在設(shè)計(jì)獨(dú)立式模塊電路時(shí),每個(gè)模塊都將電源端口引出,只要給其供電便可獨(dú)立工作。常用單片機(jī)、傳感器以及常用模/數(shù)芯片都是+5 V供電,而一些低功耗單片機(jī)和傳感器用的是+3.3 V供電,有些運(yùn)放類芯片采用雙電源供電。

為了使電源模塊滿足上述要求,電源類模塊采用開關(guān)電源電路,將市電轉(zhuǎn)換為一個(gè)較低直流電,再利用LM系列穩(wěn)壓芯片和濾波電路得到系列供電電源。本系統(tǒng)提供了±12 V、±5 V以及±3.3 V的電源,能滿足絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K對(duì)電源的需求。為了防止因電源和地反接而損壞模塊,在電源端口都加了防反接的保護(hù)二極管IN4148,提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.3 RS-232串口模塊

RS-232串口模塊選用常用的MAX232接口芯片,用于串口通信時(shí)主要用到其中的RXD和TXD這兩根線,分別完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送[7]。經(jīng)此類芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后,器件便可直接與TTL類電平類的器件進(jìn)行通信。在單片機(jī)類實(shí)驗(yàn)中,串行通信在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)用性很強(qiáng),例如用串口助手單片機(jī)與上位機(jī)的通信來完成程序調(diào)試。

1.4 輸入類模塊

輸入類模塊包含常用的輸入模塊,按大類分為數(shù)字信號(hào)輸入模塊和模擬信號(hào)輸入模塊。數(shù)字信號(hào)輸入模塊包括矩陣鍵盤、邏輯開關(guān)量輸入、觸摸屏等；模擬信號(hào)輸入模塊包括常用的函數(shù)發(fā)生器、模擬電壓輸入等。在實(shí)際使用時(shí),學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇所需的輸入類模塊。除此之外,系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了AD/DA電路,用來實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

1.5 輸出顯示類模塊

輸出顯示模塊是完成人機(jī)交互環(huán)節(jié)中的重要部分,輸出顯示效果是判斷實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)、器件參數(shù)選擇或者程序設(shè)計(jì)是否正確的最直觀依據(jù)。平臺(tái)設(shè)計(jì)有常用的輸出顯示模塊,包括邏輯電平輸出指示模塊、LED點(diǎn)陣、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)碼管顯示模塊、液晶顯示模塊、觸摸屏等。

1.6 通信模塊

隨著系統(tǒng)的日益復(fù)雜,單一系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)功能需求。為了實(shí)現(xiàn)主模塊和從模塊的通信,必須使用一些通信模塊來完成主機(jī)和從機(jī)間命令和數(shù)據(jù)的傳遞[8]。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了常用的通信模塊,近距離可以使用總線類模塊,遠(yuǎn)距離可以使用無線通信模塊。無線通信模塊包括藍(lán)牙、紅外一體化接受頭、WiFi以及DTMF等。為了便于使用,在設(shè)計(jì)模塊時(shí)將模塊的控制口和數(shù)據(jù)傳輸口都單獨(dú)引至相應(yīng)插槽。例如藍(lán)牙模塊選用HC-05來實(shí)現(xiàn),其上引出STATE端口用于指示模塊工作狀態(tài),RXD和TXD端口用于數(shù)據(jù)傳輸,EN端口用于模塊使能[9]。

1.7 創(chuàng)新擴(kuò)展模塊

系統(tǒng)提供了復(fù)雜的可編程邏輯模塊(CPLD/FPGA),該模塊的特點(diǎn)是學(xué)生可根據(jù)需要自行完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[10]。另外,在元件擴(kuò)展區(qū)還預(yù)留了一些常用芯片插槽和一些常用的電阻、電容等元器件,在沒有所需模塊或者學(xué)生想驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的電路的時(shí)候,學(xué)生可以自主進(jìn)行電路搭建測(cè)試,這樣不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容擴(kuò)展能力,而且也能調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)創(chuàng)新的積極性,提高學(xué)生設(shè)計(jì)電路的能力。

2 系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 科學(xué)性

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)科學(xué)地采用功能模塊化設(shè)計(jì)思想,包括了常用電子設(shè)計(jì)所需模塊。模塊供電電源獨(dú)立,控制端口與數(shù)據(jù)傳輸口單獨(dú)引出以便獨(dú)立使用。實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選用適合的模塊,然后只需用排線搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就可以開始進(jìn)行程序的編寫與調(diào)試。

2.2 創(chuàng)新性

(1) 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊功能豐富齊全,而且模塊便于升級(jí)、重構(gòu)和擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能裁剪,自行分配系統(tǒng)資源、選擇和配置系統(tǒng)總線、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證多種典型綜合電子系統(tǒng)。豐富的資源使該系統(tǒng)可以完成電子類綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、電子設(shè)計(jì)競賽作品調(diào)試、課外科技制作、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐性環(huán)節(jié)。

(2) 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋多個(gè)學(xué)科的實(shí)驗(yàn),具有較強(qiáng)的兼容性、技術(shù)性和通用性,而且該平臺(tái)引入了理論教學(xué)中缺少的電子類產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)與流程。

(3) 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)緊跟現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),能及時(shí)更新升級(jí)功能模塊,表現(xiàn)出其先進(jìn)性。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得中國礦業(yè)大學(xué)2011年度自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備評(píng)比一等獎(jiǎng),2012年2月獲得國家實(shí)用新型專利授權(quán)(專利號(hào):201120150041.0),2014年獲得全國高等學(xué)校自制儀器設(shè)備二等獎(jiǎng)。

2.3 實(shí)用性

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用功能模塊化設(shè)計(jì)思想,可以用于多類別的課程實(shí)驗(yàn)中。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)在“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“單片機(jī)技術(shù)”“微機(jī)原理”等課程以及電子設(shè)計(jì)競賽、課外科技創(chuàng)新制作、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到應(yīng)用。學(xué)生普遍反映該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用方便、結(jié)構(gòu)靈活、綜合性強(qiáng),能夠滿足不同層次實(shí)驗(yàn)的需要。

3 基于PSOC的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容

該實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)習(xí)PSoC PWM模塊的使用,并用其控制無刷直流電機(jī)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是將無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的輸入信號(hào)采集、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)解碼、調(diào)速控制器和電壓電流保護(hù)功能由PSoC處理器來完成,通過全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來控制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,并用LCD顯示模塊顯示速度等信息[11-12]。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

該實(shí)驗(yàn)的基本步驟如下。

(1) 新建工程,添加LCD顯示模塊和PWM模塊等。

(2) 配置全局資源以及各個(gè)模塊資源,配置界面如圖2所示。

圖2 資源配置界面

(3) 對(duì)模塊部分的互聯(lián)線進(jìn)行配置,完成芯片的配置。將PWM8模塊的CompareOut輸出連接Row_3_Output_0,再將Row_3_Output_0連接至GOE[0],并將GOE[0]連接至引腳Port_2_0,則該引腳便輸出PWM波用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,其配置界面如圖3所示。

(4) 設(shè)計(jì)并編輯調(diào)試程序,選擇所需模塊完成實(shí)驗(yàn)電路的搭建并進(jìn)行驗(yàn)證。

(5) 完成實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),做好實(shí)驗(yàn)總結(jié)。

4 結(jié)語

從使用模塊化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)的過程來看,該平臺(tái)靈活性強(qiáng)、能適應(yīng)多學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué),也能用于課外學(xué)科競賽的培訓(xùn)和作品前期測(cè)試。

圖3 互聯(lián)線配置界面

實(shí)驗(yàn)中只給出功能需求,學(xué)生可自己設(shè)計(jì)方案并選擇模塊來實(shí)現(xiàn),充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。與現(xiàn)在高校中使用的實(shí)驗(yàn)箱相比,模塊化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)更有助于提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力,更有助于培養(yǎng)應(yīng)用型、高素質(zhì)人才。該平臺(tái)已在中國礦業(yè)大學(xué)投入使用,師生都予以好評(píng)。

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Research and application of experimental platform by modular electronic system design

Yuan Xiaoping, Jiang Shuo, Jin Peng, Chen Ye, Li Zixuan

(School of Information and Control Engineering, China university of mining and technology,Xuzhou 221116,China)

This article develops a comprehensive electronic system design for new modular experimental system. This system is composed of many independent modules, which can complete multi electronic experimental courses through a system. Students can choose the “CPU kernel based/PSoC +CPLD/FPGA” architecture to realize the popular electronic system design dependied on the actual design requirements. This system introduces PSoC chip with digital and analog electronic system design ability, providing a strong support for students to design a hybrid electronic system. In addition, this system is equipped with a variety of modules,it can meet other needs, such as the electronic experimental curriculum design, electronic training before the competition, extracurricular science and technology innovation, graduation design and other practical aspects of the experiment.

electric and electronic experiment; modular design; experimental teaching platform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.032

2017-01-28 修改日期：2017-02-10

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PPZY2015B132)；中國礦業(yè)大學(xué)教學(xué)成果培育項(xiàng)目(2016CG03)；教育部產(chǎn)學(xué)合作專業(yè)綜合改革項(xiàng)目(201602006004)

袁小平(1966—),男,江蘇揚(yáng)州,博士,教授,國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心主任,主要研究方向?yàn)殡娮酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能儀表與故障診斷.

E-mail：xpyuankd@163.com

TP23；G642.423

A

1002-4956(2017)5-0133-03