模塊化電子系統設計實驗平臺的研制與應用

袁小平, 蔣 碩, 金 鵬, 陳 燁, 李子旋

(中國礦業大學 信息與控制工程學院, 江蘇 徐州 221116)

計算機技術應用

模塊化電子系統設計實驗平臺的研制與應用

袁小平, 蔣 碩, 金 鵬, 陳 燁, 李子旋

(中國礦業大學 信息與控制工程學院, 江蘇 徐州 221116)

研制了一種用于電子綜合系統設計的新型模塊式實驗平臺。該平臺由多種獨立的模塊構成,可完成多門電子系列課程實驗。基于CPU內核的單片機/PSoC+CPLD/FPGA架構,可以完成目前流行的電子系統設計。該平臺采用具有數字和模擬電子電路設計功能的PSoC芯片,為混合電子系統設計提供了有力支撐；配備的多種模塊能滿足電子類實驗課程設計、專業學科競賽、創新設計、畢業設計等實踐環節的實驗需求。

電工電子實驗； 模塊化設計； 實驗教學平臺

單片機以及常用電子模塊在微電子產品、工業自動化制造設備、智能化設備以及車載電子設備中被廣泛應用[1]。目前,我國很多高校都開設了相關的實驗課程,其目的是為了培養學生的實踐動手能力,提升學生的創新設計能力,為社會培養應用新型、高素質人才[2]。對于此類實驗,大多數高校采用的是功能固定的課程定制實驗箱,實驗以連線為主,主要用于驗證性實驗。這種實驗箱的通用型不強,電子芯片和電路的更新升級也較為困難[3]。

為了解決上述的問題,筆者研制了一套功能獨立化、模塊化的電子系統設計實驗平臺。該系統采用目前流行的基于CPU內核的多種單片機和CPLD/FPGA架構,引入了具有模擬和數字電路內核的片上可編程系統的賽普拉PSoC芯片,系統所配備的模塊可自由搭配,適用范圍廣,而且系統資源可由學生自主選擇,鍛煉學生設計系統電路的能力和自主研發的能力。模塊化電路可以根據行業發展及時更新升級,使學生接觸到前沿科技[4-5]。

研制本實驗系統的目的是為了適應多類別的綜合性實驗以及提高學生的創新設計能力。因此,對系統進行了功能規劃布局分區,并且每個功能區內的模塊可自由選擇。系統按功能可分為PSoC模塊、單片機類模塊、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、電平轉換模塊等,各模塊的設計均能體現目前先進的技術。系統的結構功能分塊圖如圖1所示。

圖1 系統結構功能分塊圖

1 系統的模塊設計

1.1 基于CPU內核的單片機最小系統模塊

模塊化電子系統設計實驗平臺兼容多種單片機系統,定制了多類最小系統,包括基礎的51系列、抗干擾性最強的PIC系列、功耗最低的MSP430系列、價格最便宜的STM系列等。

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

1.2 電源類模塊

在設計獨立式模塊電路時,每個模塊都將電源端口引出,只要給其供電便可獨立工作。常用單片機、傳感器以及常用模/數芯片都是+5 V供電,而一些低功耗單片機和傳感器用的是+3.3 V供電,有些運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電源電路,將市電轉換為一個較低直流電,再利用LM系列穩壓芯片和濾波電路得到系列供電電源。本系統提供了±12 V、±5 V以及±3.3 V的電源,能滿足絕大多數的實驗模塊對電源的需求。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二極管IN4148,提高了系統的可靠性。

1.3 RS-232串口模塊

RS-232串口模塊選用常用的MAX232接口芯片,用于串口通信時主要用到其中的RXD和TXD這兩根線,分別完成數據的接收和發送[7]。經此類芯片進行電平轉換后,器件便可直接與TTL類電平類的器件進行通信。在單片機類實驗中,串行通信在實際應用中實用性很強,例如用串口助手單片機與上位機的通信來完成程序調試。

1.4 輸入類模塊

輸入類模塊包含常用的輸入模塊,按大類分為數字信號輸入模塊和模擬信號輸入模塊。數字信號輸入模塊包括矩陣鍵盤、邏輯開關量輸入、觸摸屏等；模擬信號輸入模塊包括常用的函數發生器、模擬電壓輸入等。在實際使用時,學生可以根據實驗需要選擇所需的輸入類模塊。除此之外,系統還設計了AD/DA電路,用來實現模擬信號和數字信號的轉換。

1.5 輸出顯示類模塊

輸出顯示模塊是完成人機交互環節中的重要部分,輸出顯示效果是判斷實驗電路設計、器件參數選擇或者程序設計是否正確的最直觀依據。平臺設計有常用的輸出顯示模塊,包括邏輯電平輸出指示模塊、LED點陣、電機驅動模塊、數碼管顯示模塊、液晶顯示模塊、觸摸屏等。

1.6 通信模塊

隨著系統的日益復雜,單一系統很難實現功能需求。為了實現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和從機間命令和數據的傳遞[8]。該系統設計了常用的通信模塊,近距離可以使用總線類模塊,遠距離可以使用無線通信模塊。無線通信模塊包括藍牙、紅外一體化接受頭、WiFi以及DTMF等。為了便于使用,在設計模塊時將模塊的控制口和數據傳輸口都單獨引至相應插槽。例如藍牙模塊選用HC-05來實現,其上引出STATE端口用于指示模塊工作狀態,RXD和TXD端口用于數據傳輸,EN端口用于模塊使能[9]。

1.7 創新擴展模塊

系統提供了復雜的可編程邏輯模塊(CPLD/FPGA),該模塊的特點是學生可根據需要自行完成數字系統設計[10]。另外,在元件擴展區還預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生想驗證自己設計的電路的時候,學生可以自主進行電路搭建測試,這樣不僅增強了系統的兼容擴展能力,而且也能調動學生主動創新的積極性,提高學生設計電路的能力。

2 系統的特點

2.1 科學性

本實驗平臺科學地采用功能模塊化設計思想,包括了常用電子設計所需模塊。模塊供電電源獨立,控制端口與數據傳輸口單獨引出以便獨立使用。實驗時,學生根據實驗需求選用適合的模塊,然后只需用排線搭建實驗系統就可以開始進行程序的編寫與調試。

2.2 創新性

(1) 該實驗平臺模塊功能豐富齊全,而且模塊便于升級、重構和擴展。實驗時,學生可以對系統進行功能裁剪,自行分配系統資源、選擇和配置系統總線、設計和驗證多種典型綜合電子系統。豐富的資源使該系統可以完成電子類綜合設計、創新設計、電子設計競賽作品調試、課外科技制作、畢業設計等實踐性環節。

(2) 該實驗平臺涵蓋多個學科的實驗,具有較強的兼容性、技術性和通用性,而且該平臺引入了理論教學中缺少的電子類產品研發技術與流程。

(3) 該實驗平臺緊跟現代電子技術的發展趨勢,能及時更新升級功能模塊,表現出其先進性。該實驗平臺獲得中國礦業大學2011年度自制實驗儀器設備評比一等獎,2012年2月獲得國家實用新型專利授權(專利號:201120150041.0),2014年獲得全國高等學校自制儀器設備二等獎。

2.3 實用性

該實驗平臺采用功能模塊化設計思想,可以用于多類別的課程實驗中。該實驗平臺已經在“模擬電子技術”“數字電子技術”“單片機技術”“微機原理”等課程以及電子設計競賽、課外科技創新制作、畢業設計等實踐、實驗教學中得到應用。學生普遍反映該實驗平臺使用方便、結構靈活、綜合性強,能夠滿足不同層次實驗的需要。

3 基于PSOC的無刷直流電機調速系統設計

3.1 實驗目的和實驗內容

該實驗的目的是學習PSoC PWM模塊的使用,并用其控制無刷直流電機。實驗內容是將無刷直流電機調速系統中的輸入信號采集、轉子位置信號解碼、調速控制器和電壓電流保護功能由PSoC處理器來完成,通過全橋電機驅動模塊來控制無刷直流電機的轉速,并用LCD顯示模塊顯示速度等信息[11-12]。

3.2 實驗步驟

該實驗的基本步驟如下。

(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模塊資源,配置界面如圖2所示。

圖2 資源配置界面

(3) 對模塊部分的互聯線進行配置,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波用于控制電機的轉速,其配置界面如圖3所示。

(4) 設計并編輯調試程序,選擇所需模塊完成實驗電路的搭建并進行驗證。

(5) 完成實驗并記錄實驗數據,分析實驗數據,做好實驗總結。

4 結語

從使用模塊化電子系統設計實驗平臺完成實驗的過程來看,該平臺靈活性強、能適應多學科的實驗教學,也能用于課外學科競賽的培訓和作品前期測試。

圖3 互聯線配置界面

實驗中只給出功能需求,學生可自己設計方案并選擇模塊來實現,充分調動學生的創新思維。與現在高校中使用的實驗箱相比,模塊化電子系統設計實驗平臺更有助于提高學生的綜合設計能力,更有助于培養應用型、高素質人才。該平臺已在中國礦業大學投入使用,師生都予以好評。

References)

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[4] 周錦蘭,王宏,聶進.多層次大學生創新實驗平臺的構建與實踐[J].實驗技術與管理,2011,28(4):16-18.

[5] 黃大乾,張少羽,陳建軍.基于學生自主學習的實踐教學體系和平臺的構建[J].實驗技術與管理，2013,30(8):179-182.

[6] 陳超,王心一,王成華.基于PSoC的實驗教學平臺開發[J].實驗室研究與探索,2010,29(10):111-113.

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[10] 溫長澤.基于CPLD/FPGA技術的數字系統設計研究[J].創新技術導報,2013(6):25.

[11] 陳姝,張兆東,劉景夏,等.基于PSoC處理器無刷直流電機調速方法[J].電子世界,2012(3):50-53.

[12] 王春鳳,李旭春,薛文軒.PWM直流調速系統實驗的教學實踐[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):32-34.

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

江蘇高校品牌專業建設工程資助項目(PPZY2015B132)；中國礦業大學教學成果培育項目(2016CG03)；教育部產學合作專業綜合改革項目(201602006004)

袁小平(1966—),男,江蘇揚州,博士,教授,國家級電工電子實驗教學示范中心主任,主要研究方向為電子系統設計、物聯網技術、智能儀表與故障診斷.

E-mail：xpyuankd@163.com

TP23；G642.423

A

1002-4956(2017)5-0133-03