基于PSoC 的数字电子技术教学改革探索

王美玲， 陶涛鑫君， 江泽民， 刘 伟

(北京理工大学 自动化学院，北京100081)

0 引 言

数字电子技术课程是电气类、自动控制类、信息类等相关专业的核心专业基础课［1-3］，是联系公共基础课程与专业课程的重要桥梁;该课程是一门与实际器件、工程分析与设计紧密相关的课程［4］，在一定意义上可以说该课程是学生真正“进入”工科领域的第一门课程。

培养学生动手能力和电子电路设计能力，提高学生工程素养和对知识的应用能力是数字电子技术授课的主要目标。

PSoC (Programmable System-on-Chip)技术是一种全新的电子系统设计技术，把该技术引入理论与实践教学中，改变以往由分立器件或单一集成电路组成的电子系统的设计思路，而站在系统级的高度看待电子电路，使学生能够从更高角度上来学习数字电子技术课程。同时PSoC 具有易操作性和易学性的特点，使得少量的课时便可达到事半功倍的效果。

本文根据数字电子技术授课基本要求，基于PSoC设计数字式秒表，将数字电子技术基本知识点贯穿在一起，以提高学生学习兴趣和实践动手能力。

1 数字电子技术知识结构

数字电子技术一般包括逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲波形产生、AD 与DA 转换等［5］，其知识结构如图1 所示。

图1 数字电子技术知识结构框图

如何将数字电子技术所包含的知识点贯通起来，这是从事此课理论与实践教学老师都关注的问题，下面将通过PSoC 的设计实例很好地解决此问题。

2 基于PSoC 的理论教学改革思路

PSoC 为可编程片上系统(SOC)，集数字可编程阵列、模拟可编程阵列、单片机为一体，解决了数字电路与模拟电路的接口问题，内部资源较单片机丰富，几乎不需外部资源即可构成电子系统［6］。

PSoC 作为一种可编程逻辑器件，自身便为数字电子技术理论教学的一部分，由于课时限制，理论讲授可编程逻辑器件知识点时一般像走过场一样，讲述得枯燥乏味，但在课堂上如果能将一些如跑马灯、交通灯的设计实例通过PSoC 进行设计、下载、演示，此部分内容将变得丰富而充满乐趣。

PSoC 作为一种可编程逻辑器件，同样支持原理图输入与设计，同时也支持C 语言编程设计电路，这样就摆脱了传统EDA 设计使用抽象硬件描述语言的烦琐设计工作，使系统设计变得轻松愉快［7］。对于大二乃至大三的学生来说，C 语言应该是最熟悉的一种语言，所以采用PSoC 进行电路设计，一方面学生易于上手，另一方面让学生能真正体会到硬件设计软件化，通过可编程逻辑器件设计电路，有利于产品设计、调试，缩短产品上市周期。

PSoC 基于IP(Intellectual Property Core)内核通过编程来选择构成产品，具有很好的灵活性，这将是片上系统的主要形式和重要应用方向。IP 核将一些在电路中常用，但比较复杂的功能块，如FIR 滤波器、SDRAM 控制器、PCI 接口等设计成可修改参数的模块。设计者可以使用厂家提供的IP 核，也可以根据设计要求设计用户自己的IP 核，比如常用的24 进制计数器、显示译码器等，并可加入到用户器件库中以供后续设计中进行调用。

PSoC 作为一种特殊的可编程逻辑器件，内部集成模拟可编程阵列，包括可编程增益放大器、ADC、DAC、滤波器及比较器等模拟功能［8-9］。基于PSoC，学生可以实现模拟信号与数字信号的转换，将抽象的理论知识转换为具体的电压、电流或数字代码信息，通过可编程增益放大器实验深入了解DAC 的应用，改变输入数字量的大小就可以改变对交流输入信号的放大能力。

3 基于PSoC 的数字电子技术综合课题设计

带数字显示的秒表为综合设计课题，该课题涵盖了数字电子技术的基本理论知识点。

3.1 课题要求

数字式秒表设计要求如下［9-10］:计时范围0 ～9'59.9″;计时精度0.1 s;误差±0.05 s。

秒表具有三种工作状态:清零、计时和停止，要求用一个开关控制状态的循环切换。

3.2 课题分析

分析设计要求，此课题由基准脉冲源、计时和控制3 部分组成，原理框图见图2。根据误差要求，基准脉冲源频率为100 Hz。计时部分由计数、译码及显示电路组成;计时器应包括0.01 s、0.1 s、秒个位、秒十位及分个位计数器，除0.01 s 位不需要显示外，其余4 位数码均经数字显示译码器后送到数码管显示。控制部分包括单脉冲发生器和节拍信号发生器。节拍信号发生器用以产生清零、计时和停止信号，由于只有三种状态可以采用环形移位计数器来实现。单脉冲发生器为节拍信号发生器提供时钟脉冲，每按动一次开关就产生一个单脉冲，用以控制三种状态转换［9-10］。

图2 数字式秒表原理框图

此图可知，本课题涵盖数字电子技术以下知识内容:组合逻辑电路(包括门电路)-译码及显示，时序逻辑电路(包括触发器)-计数器、单脉冲发生器以及节拍信号发生器，脉冲波形的产生电路-基准脉冲源等。

3.3 基于PSoC 的数字式秒表设计

3.3.1 组合逻辑电路—数字显示译码器

数字系统中，当需要采用数码管进行显示时，则需要数字显示译码器。此器件属于组合逻辑电路，可以将二进制数字量转换为显示代码。理论课上主要讲授输入的数字代码与数码管的7 段输出变量对应关系的真值表，实现电路比较繁琐，一般省略不讲。

用PSoC 设计数字显示译码器时，引入可编程逻辑器件的查找表法，此法在理论课上一般不会讲述，但却是可编程逻辑器件设计时常用的设计方法。查找表(Look-Up-Table，LUT)本质上是一个多输入多输出的RAM，任何组合电路都可表示成其输入变量的最小项之和或最大项之积的形式，N 根地址线的RAM 可实现任何N 变量的组合电路，因此便可通过LUT 法实现任何组合电路，这也是理论课所讲述的通过ROM 实现组合逻辑电路知识点。Cypress 的PSoC 提供了最多5个输入和8 个输出的查找表资源，因此可通过LUT 法设计数字显示译码器。表1 为输入的8421BCD 码与七段数码管的输出变量所对应的真值表;图3 为通过LUT 法设计数字显示译码器的IP 核符号。

表1 数字显示译码器真值表

3.3.2 时序逻辑电路—计数器

计数器是时序逻辑电路的重要知识点，通过计数器可以实现计数、计时、分频以及定时等功能。用PSoC 设计计数器可以采用小规模器件-触发器，也可以采用LUT 法。为了使学生能够将可编程逻辑器件与理论课及实验课中用到的集成IC 器件联系起来，同时提高学生用小规模器件设计时序逻辑电路的能力，在此要求学生采用触发器设计一种常用计数器——异步二-五-十进制计数器74LS290，并通过此器件的IP核实现数字式秒表的计数功能。

基于PSoC 设计的74LS290 电路如图4 所示，其IP 核符号如图5 所示。

图4 JK 触发器设计74LS290 的PSoC 电路

图5 74LS290 IP 核符号

3.3.3 时序逻辑电路—节拍信号发生器

在计算机和控制系统中，常常要求系统的某些操作按时间顺序分时工作，因此需要产生节拍控制脉冲，以协调各部分工作。这种能产生节拍脉冲的电路称为节拍信号发生器，又称作顺序脉冲发生器［9］。由于输出状态较少，因此本课题中的节拍信号发生器采用环形移位计数器实现，环形移位计数器通过移位寄存器进行设计，电路如图6 所示。图中3 个D 触发器首先构成三位移位寄存器，通过或非门构成能自启动的三位环形计数器，其IP 核符号如图7 所示。

3.3.4 脉冲波形的产生-基准脉冲源

100 Hz 基准脉冲源可以通过PSoC 内置时钟产生，此方法简单易行;但是，为了将脉冲波形产生与整形部分理论知识涵盖在此课题中，基准脉冲源通过555 定时器构成多谐振荡器来实现［11-12］。

图6 三位环形移位计数器原理图

图7 三位环形移位计数器IP 核符号

虽然PSoC 内部集成了模拟器件，但并没有电阻、电容、二极管等集成度较难的器件，为保证电路完整性以及可读性，PSoC 提供了注解(Annotation 标签)功能，通过注解符号可以将这些器件加入到电路中，在实际调试时，按照电路参数接入相应器件就可以。

通过注解功能由555 定时器构成的100Hz 基准脉冲源电路如图8 所示。

图8 100 Hz 基准脉冲源电路图

3.3.5 总电路图及涵盖的知识点

将上述各部分电路集成在一起便得到了图9 所示的数字式秒表总电路图。图中的显示译码器属于数字电子技术的一大分支——组合逻辑电路，计数器、节拍信号发生器属于数字电子技术的另一大分支——时序逻辑电路，此课题同时也包括了数字电子技术中的脉冲波形的产生——基准脉冲源、可编程逻辑器件及存储器等。

3.3.6 课题作品实物

课题采用的 PSoC 平台为 Cypress 公司的CY8CKIT050—PSoC5 开发板，如图10 所示［15］。该平台使用方便，只需通过USB 接口便可对PSoC 进行编程和电路下载。Cypress 结合PSoC 与非易失性SRAM双重优势，采用闪存和SRAM 组合存储器结构，常规下，直接访问SRAM 阵列，保证系统的运行速度，一旦出现断电情况，数据自动存入非易失性量子阱单元(quantum trap cell)，便于学生设计结果演示与验收。

图9 总电路图及涵盖的理论知识点

图10 CY8CKIT050——PSoC5 开发板

图11 为数字电子技术理论课程授课时大二学生自己焊接、设计、调试的数字式秒表实物。学生通过PSoC 设计课题时，需要焊接数码管、匹配电阻等，通过杜邦线连接开发板及焊接板。

图11 学生作品实物

4 结 语

为了通过实践教学的改革提高大学生电子技术创新能力，通过实践与理论教学的紧密结合提高学生对理论知识的理解［14］，本文根据教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会对数字电子技术授课的基本要求，基于PSoC 设计数字式秒表，将数字电子技术基本理论知识点贯穿在一起，让学生建立系统的观念，从全局考虑电子电路的设计。

本文通过PSoC 一方面将可编程技术和EDA 技术贯穿于理论教学的始末，同时将LUT 设计法、IP 核设计以及注解法等设计方法引入到理论教学中，提高了学生的学习兴趣，使学生尽早接触电子技术的前沿知识，拓宽了学生的学术视野。

［1］ 王 波，张 岩，王美玲.“数字电子技术实验”课程的改革［J］.实验室研究与探索，2012(9):121-123.WANG Bo，ZHANG Yan，WANG Mei-ling. Reform of the Course of Digital Electronic Experiment ［J］. Research and Exploration in Laboratory，2012(9):121-123.

［2］ 潘海军，李春树.电子技术基础“双主”教学模式的研究［J］. 实验技术与管理，2012，27:154-155.PAN Hai-jun，LI Chun-shu. Research of Double Main Experimental Teaching Mode Based on Fundamentals of Electronics ［J］.Experimental Technology and Management. 2012，27:154-155.

［3］ 王 波，王美玲，刘 伟.“数字电子技术”课程教学改革的探索［J］. 北京理工大学学报(社会科学版)，2013，15:129-132.WANG Bo，WANG Mei-ling，LIU Wei. Exploration in Digital Electronic Course Teaching Reform［J］. Journal of Beijing Institute of Technology (Social Science Edition)，2013，15:129-132.

［4］ 王 波，张 岩，王美玲.“模拟电子技术实验”课程的改革［J］.实验室研究与探索，2013(4):140-143.WANG Bo，ZHANG Yan，WANG Mei-ling. Reform of the Course of Analog Electronic Experiment ［J］. Research and Exploration in Laboratory，2013(4):140-143.

［5］ 教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会.电子电气基础课程教学基本要求［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［6］ 何 宾.8051 片上可编程系统原理及应用［M］.北京:化学工业出版社，2012.

［7］ 叶朝辉，华成英. 可编程片上系统(P3SoC)原理及实训［M］. 北京:清华大学出版社，2008.

［8］ 曲金泽，沈允中.新型电子系统设计课程的改革［J］.实验室研究与探索，2010(6):140-144.QU Jin-ze，SHEN Yun-zhong. Reform of New Electronic System Design Curriculum［J］. Research and Exploration in Laboratory.2010(6):140-144.

［9］ 陶涛鑫君. 基于PSoC 的GPS 数据采集与处理［D］. 北京:北京理工大学，2013.

［10］ 李庆常，王美玲. 数字电子技术［M］. 北京:机械工业出版社，2008.

［11］ 张玉璞，李庆常.电子技术课程设计［M］.北京:北京理工大学出版社，1994.

［12］ 罗 杰，谢自美.电子线路设计(实验(测试［M］. 北京:电子工业出版社，2011.

［13］ 张玉平，张 岩. 电子技术实验［M］. 北京:北京理工大学出版社，2008.

［14］ 王美玲，郝艾芳，江泽民. 通过实践教学的改革提高大学生电子技术创新能力［J］. 北华航天工业学院学报，2010(7):49-51.WANG Mei-ling， HAO Ai-fang， JIANG Ze-min. Improve undergraduate innovation capability in electronic technology through the practice of teaching reform［J］. Journal of North China Institute of Aerospace Engineering，2010(7):49-51.

［15］ Cypress Semiconductor Corporation. http://www. cypress. com/?rID=51577［EB/OL］. 2013，7.