電子技術(shù)教學(xué)中的PSoC教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

雷 芳， 劉喬壽， 劉科征， 鄧炳光

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

重慶郵電大學(xué)是第二批“卓越計(jì)劃”的實(shí)施院校。計(jì)劃的實(shí)施將有利于促進(jìn)我校面向社會(huì)需求培養(yǎng)人才，有利于全面提高我校工程教育人才培養(yǎng)的質(zhì)量[1]。“卓越計(jì)劃”的重要特點(diǎn)之一是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力[2，3]，圍繞“卓越計(jì)劃”，我校成立專(zhuān)門(mén)的“卓越工程師培養(yǎng)教學(xué)工作指導(dǎo)委員會(huì)”，聘請(qǐng)教學(xué)、科研及工程經(jīng)驗(yàn)豐富的教授和企業(yè)高級(jí)工程技術(shù)人員等擔(dān)任委員，負(fù)責(zé)“卓越工程師”班學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程中的指導(dǎo)與重大事宜決策。試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)所在學(xué)院成立了“卓越計(jì)劃”建設(shè)工作小組，負(fù)責(zé)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的具體落實(shí)。為有效落實(shí)卓越計(jì)劃及推進(jìn)電子技術(shù)教學(xué)改革，我校通信與信息工程學(xué)院在2012年初啟動(dòng)一系列培養(yǎng)學(xué)生工程能力的建設(shè)項(xiàng)目，PSoC系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)成為第一批入選項(xiàng)目。

1 PSoC教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的意義

1.1 PSoC發(fā)展?fàn)顩r

基于微處理器的片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)是指在一個(gè)芯片上集成一個(gè)具有特定功能的完整系統(tǒng)。SoC的硬件系統(tǒng)包括中央處理器(CPU)、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器[4]。由于在一個(gè)芯片上集成了特定功能的硬件系統(tǒng)，用戶(hù)可通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的功能指標(biāo)，大大地簡(jiǎn)化了用戶(hù)的開(kāi)發(fā)流程、降低了設(shè)計(jì)難度、縮短了開(kāi)發(fā)周期、節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。

SoPC系統(tǒng)，即片上可編程系統(tǒng)(System on a Programmable Chip)。和傳統(tǒng)的SoC系統(tǒng)相比，SoPC無(wú)論軟件還是硬件系統(tǒng)都可以由用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，并且有大量的IP可供用戶(hù)使用。然而，SoPC系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的功能，模擬部分的電路仍然需要用戶(hù)在片外重新設(shè)計(jì)。因此SoPC更適用于偏重?cái)?shù)字處理的應(yīng)用領(lǐng)域[4]。

PSoC系統(tǒng)在一個(gè)芯片上集成了微控制器以及嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞控制器的模擬及數(shù)字組件，并且這些組件可以由用戶(hù)根據(jù)需要進(jìn)行配置。目前，Cypress公司的最新的PSoC3和PSoC5系統(tǒng)分別集成了增強(qiáng)型的51單片機(jī)內(nèi)核和Cortex-M3嵌入式處理器內(nèi)核，以及上百種模擬和數(shù)字組件。比如：ADC、DAC、放大器、濾波器等模擬組件；以及通用邏輯門(mén)、計(jì)數(shù)器、PWM、SPI等數(shù)字組件[5-6]。PSoC系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能和靈活性，必將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)單片機(jī)，甚至代替嵌入式處理器在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中非常重要的一個(gè)平臺(tái)。

1.2 國(guó)內(nèi)高校PSoC課程設(shè)置現(xiàn)狀

目前，國(guó)外很多大學(xué)開(kāi)設(shè)了PSoC設(shè)計(jì)與應(yīng)用的課程。而在國(guó)內(nèi)，由于PSoC是比較新的技術(shù)且進(jìn)入國(guó)內(nèi)較晚，所以很多高校基本沒(méi)有開(kāi)設(shè)、或者沒(méi)有條件開(kāi)設(shè)PSoC課程。全國(guó)大多數(shù)高校在微控制器方面的課程，基本都是以傳統(tǒng)的單片機(jī)課程為主。隨著PSoC技術(shù)的推廣，以及PSoC平臺(tái)的優(yōu)越性體現(xiàn)，一些公司開(kāi)始針對(duì)高校老師進(jìn)行PSoC平臺(tái)開(kāi)發(fā)的培訓(xùn)工作，部分高校也開(kāi)始針對(duì)優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)行PSoC開(kāi)發(fā)的培訓(xùn)，并積極鼓勵(lì)學(xué)生參加這方面的競(jìng)賽。就目前來(lái)看，PSoC雖然在商業(yè)上取得了極大的成功，但在國(guó)內(nèi)高校，PSoC的推廣力度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有極少數(shù)非常具有實(shí)力的高校，如清華，北大把PSoC課程納入到本科課程體系中。

1.3 PSoC課程設(shè)置的必要性與意義

傳統(tǒng)的分立式元件所搭建的電子系統(tǒng)由于體積龐大 、結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、容易出錯(cuò)，已經(jīng)面臨淘汰 ，而新型的可編程器件 (單片機(jī)、CPLD、FPGA、DSP)由于器件的局限性 ，要么只能實(shí)現(xiàn)單片數(shù)字系統(tǒng)，要么只能實(shí)現(xiàn)單片模擬系統(tǒng)，而不能滿(mǎn)足絕大部分電子系統(tǒng)對(duì)模數(shù)混合信號(hào)處理的要求。Cypress公司開(kāi)發(fā)出PSoC器件 ，這種芯片能夠完全自由、靈活地設(shè)計(jì)出集模擬電路 、數(shù)字電路與微處理器于一身的電子系統(tǒng) ，而不再需要復(fù)雜的外圍電路，減小了板上面積，滿(mǎn)足了集成度和小型化的要求[7]。

緊跟新技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代企業(yè)需要，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為目的進(jìn)行教學(xué)體系改革和授課內(nèi)容調(diào)整，一直是我校電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程群課程改革的目標(biāo)。將PSoC引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，其高可靠和低功耗的特性使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性?xún)r(jià)比得到提高，并能夠讓學(xué)生集中精力完成對(duì)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性[14]。

因此，PSoC平臺(tái)建設(shè)的目標(biāo)是建起一個(gè)PSoC教學(xué)平臺(tái)，完成相應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開(kāi)發(fā)和相應(yīng)的教材編寫(xiě)，以通信與信息工程學(xué)院為試點(diǎn)，最后在全校開(kāi)設(shè)PSoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，培養(yǎng)滿(mǎn)足時(shí)代需要的新型高科技人才。

2 PSoC教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)

經(jīng)過(guò)2年的建設(shè)，我們除應(yīng)用Cypress公司免費(fèi)贊助的20套PSoC開(kāi)發(fā)平臺(tái)針對(duì)各類(lèi)電子競(jìng)賽的學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)工作以外，還完成了了以下工作：

2.1 PSoC系統(tǒng)教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出了適合信息通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)和全校相近專(zhuān)業(yè)學(xué)生使用的PSoC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)62套。

2.1.1PSoC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

PSoC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由PC機(jī)、母板、核心板、仿真器﹑編程器模塊組成，如圖1所示。其中：PC機(jī)作為開(kāi)發(fā)與調(diào)試工具；母板由1個(gè)PSoC3芯片CY8C3866AXI-040和一些常用的輸入輸出模塊與通信接口組成；核心板由1個(gè)PSoC3和1個(gè)PSoC5芯片CY8C5568AXI-060及CapSense觸摸按鍵 、滑條組成，可以通過(guò)插槽插入母板中，成為一個(gè)獨(dú)立的輸入模塊，自制仿真器具有編程器功能，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的在線(xiàn)調(diào)試、仿真、數(shù)據(jù)跟蹤以及編程下載功能。

圖1 PSoC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成框圖

2.1.2硬件布局和模塊

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用將所有芯片和模塊的端口引腳均集中在面包板周?chē)鐖D2(a)所示,使用者在平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)連線(xiàn)時(shí)可以一目了然，同時(shí)面包板的加入方便系統(tǒng)功能的調(diào)試和外圍電路的搭建[6]。

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由PSoC3、PSoC5組成核心板，外置2合1仿真器﹑編程器,母板配有可靈活配置的供電系統(tǒng)，用戶(hù)可設(shè)置不同的系統(tǒng)電壓和I/O口電壓；字符型LCD1602，8個(gè)LED燈；4個(gè)獨(dú)立按鍵，其中高電平觸發(fā)2個(gè)，低電平觸發(fā)2個(gè)；2個(gè)電容感應(yīng)按鍵，模擬電流性溫度傳感器，蜂蜜器，電位器；RS232接口，USB2.0接口；板載面包板；2個(gè)外擴(kuò)電路接口，另外在母版上設(shè)置有單排插孔，以方便連線(xiàn)，如圖2(b)所示。

(a) PSoC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)布局框圖

(b) PSoC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)物圖

2.1.3平臺(tái)特色

(1) 靈活的供電系統(tǒng)。可以選擇不同的供電方式，也能自定義系統(tǒng)電壓，IO口電壓。

(2) 核心板和母板分離式的結(jié)構(gòu)。支持不同型號(hào)的核心板，目前已分別開(kāi)發(fā)了兩塊典型的PSoC3和PSoC5核心板；同時(shí)，便于用戶(hù)直接使用核心板進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

(3) 可以完成合模擬、數(shù)字、單片機(jī)、以及綜合類(lèi)的教學(xué)。可完成一般的教學(xué)任務(wù)，更適用于各類(lèi)電子競(jìng)賽的培訓(xùn)，特別是全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的培訓(xùn)。

(4) 板載豐富的資源。提供了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，同時(shí)母板還提供了各類(lèi)常用功能模塊，如：液晶顯示，蜂鳴器，溫度傳感器，電容觸摸按鍵等。

(5) 自制仿真器，編程器。能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的在線(xiàn)調(diào)試、仿真、數(shù)據(jù)跟蹤以及編程下載功能。

(6) 單主板預(yù)留擴(kuò)展接口，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有功能。用戶(hù)可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其它功能模塊的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)。

2.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

與平臺(tái)相配套的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深，將PSoC所有模塊囊括其中。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為演示性﹑驗(yàn)證性﹑綜合設(shè)計(jì)性﹑創(chuàng)新性四個(gè)層次[6]。使學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地掌握 PSoC的特點(diǎn)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)，見(jiàn)表1。

表1 四層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

(1) 演示性實(shí)驗(yàn)。以I/O口實(shí)驗(yàn)為例講解系統(tǒng)采用的軟件平臺(tái) PSoC Creator2.2，讓學(xué)生熟悉整個(gè)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境的使用[8]。

(2) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。針對(duì)PSoC Creator2.2提供的常用用戶(hù)模塊，設(shè)計(jì)了時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)﹑中斷實(shí)驗(yàn)﹑LCD驅(qū)動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)﹑AD采樣實(shí)驗(yàn)﹑串口實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在最短的時(shí)間內(nèi)應(yīng)用到PSoC所有模塊，熟悉基本模數(shù)混合系統(tǒng)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。

(3) 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了6個(gè)綜合性較強(qiáng)的提高型實(shí)驗(yàn)，既注重學(xué)生興趣，又注重與科研和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，如基于PSoC的電壓表設(shè)計(jì)、基于PSoC的溫度測(cè)試儀設(shè)計(jì)、正弦波發(fā)生器、熱敏電阻測(cè)溫的實(shí)現(xiàn)、安防報(bào)警系統(tǒng)、Capsense鍵盤(pán)發(fā)短信實(shí)驗(yàn)，目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)的能力。

(4) 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。不給定題目，讓學(xué)生自由選題，自主設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，教師指導(dǎo)。目的是發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。主要針對(duì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)生以及課外科技活動(dòng)學(xué)生。目前學(xué)生完成了基于PSoC平臺(tái)頻率調(diào)制解調(diào)的實(shí)現(xiàn)，基于PSoC的嵌入式DTMF解碼器的實(shí)現(xiàn)，基于PSoC的加速度傳感測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，基于PSoC的空氣壓力測(cè)試的模擬與實(shí)現(xiàn)，基于PSoC的射頻讀卡器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等13個(gè)項(xiàng)目[9]。

3 PSoC教學(xué)平臺(tái)建設(shè)效果

(1) 搭建了PSoC系統(tǒng)競(jìng)賽平臺(tái)。通過(guò)PSoC系統(tǒng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和完善，在2010級(jí)實(shí)驗(yàn)班完全引入PSoC教學(xué)平臺(tái)作為電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，并結(jié)合學(xué)院已有的MSP430開(kāi)發(fā)平臺(tái)、已有的"電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與仿真"課程等，專(zhuān)門(mén)針對(duì)全校各類(lèi)電子競(jìng)賽的學(xué)生進(jìn)行選拔、授課、培訓(xùn)，從而形成一個(gè)完整的電子類(lèi)競(jìng)賽授課培養(yǎng)體系。另外，Cypress每年都在國(guó)內(nèi)高校舉行PSoC應(yīng)用大賽，通過(guò)2年的PSoC教學(xué)平臺(tái)的的建設(shè)，我們培養(yǎng)了一批熟悉PSoC平臺(tái)的學(xué)生，現(xiàn)在正在選拔和培訓(xùn)優(yōu)秀學(xué)生參加該類(lèi)競(jìng)賽。

(2) 學(xué)生的培養(yǎng)效果。在實(shí)踐教學(xué)中引入PSoC后，學(xué)生表現(xiàn)出了極大的興趣。有的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)安排合理，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)芸焖倭私釶SoC的特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)過(guò)程，而綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)則鍛煉了獨(dú)立解決問(wèn)題的能力[10-11]，4個(gè)過(guò)程由淺入深，步步深入，達(dá)到了短時(shí)間內(nèi)基本應(yīng)用PSoC開(kāi)發(fā)的目的。還有的學(xué)生認(rèn)為 PSoC實(shí)驗(yàn)是一次極為珍貴的體驗(yàn)，從對(duì)PSoC一無(wú)所知，到能夠較為熟練地使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求的實(shí)驗(yàn)，其間不過(guò)幾周的時(shí)間，卻掌握了一種很有用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，教學(xué)效果良好。“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與仿真”課程的選修人數(shù)從最初的21人增加到40人，今年又增加到150人,同時(shí)“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”任選課在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)和集成電路工程大類(lèi)開(kāi)設(shè)，選修人數(shù)達(dá)150人；選修“電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)”課程學(xué)習(xí)PSoC后，2011級(jí)實(shí)驗(yàn)班5名同學(xué)在老師指導(dǎo)下獲得第十三屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽重慶賽區(qū)特等獎(jiǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在電子技術(shù)課程中引入PSoC是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[15]，我們開(kāi)發(fā)的PsoC實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)展現(xiàn)了一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想并且順應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。該平臺(tái)不僅用于電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)課程，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)，而且還應(yīng)用于學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中。通過(guò)2年的PSoC教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，我們不僅探索了提高學(xué)生實(shí)踐能力的教學(xué)方法，并加強(qiáng)了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程群的師資隊(duì)伍建設(shè)。今后，我們還將在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中以提高學(xué)生的電子工程設(shè)計(jì)能力為重點(diǎn)，不斷改進(jìn)教學(xué)理念和教學(xué)方法，繼續(xù)探索與實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的有效途徑[16]。

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