基于PSOC 的嵌入式实验箱的设计

柳州铁道职业技术学院 万选明

基于PSOC 的嵌入式实验箱的设计

柳州铁道职业技术学院 万选明

介绍了一种基于PSOC的嵌入式实验箱的设计，简述了整个实验箱的设计思想、设计方案及整体构成，整个实验箱采用“主板+适配板”的设计思路，给出了主板实验模块的构成及其能够实现的功能。

嵌入式实验箱；PSOC；单片机；模块

1.引言

随着半导体技术的发展和芯片集成度的不断提高，越来越大的厂商开始提供在单芯片上实现复杂系统的解决方案，即PSOC方案，这种方案提高了设计的可靠性、缩短了系统设计周期，降低了设计成本，能极大的满足产品快速上市和提高产品的竞争力。美国Cypress公司在业界率先推出了PSOC系统，目前已推出了PSOC1、PSOC3、PSOC4、PSOC5四个系列芯片，每个系列的芯片嵌入了不同的MCU内核和数字、模拟系统，再配合其高度集成的开发环境PSoC Creator，使得PSOC系统在嵌入式开发领域优势越来越明显，社会、企业对PSOC领域的嵌入式人才的需求越来越旺盛，但该领域的相关的实验设备寥寥无几，国内仅有的几款实验设备大多数是针对PSOC1系列芯片的，功能单一，无法满足全系列PSOC芯片的开发与研究，为此，开发了基于PSOC的嵌入式实验系统。

2.设计思想及总体设计方案

PSOC技术综合了模拟电子技术、数字电子技术及单片微控制技术，具有一定的超前性和高度集成的特性，而传统的电子技术、单片机等学科经过多年的发展，学科发展较为成熟，市场上也出现了大量的相关实验设备，这些实验设备相对设计较为成熟，可靠性高，但是这些设备也存在一些缺点：（1）通用性不强，利用率不高；（2）管理难度大，升级换代成本高；（3）可扩展性不足，不利于学生创新思维和动手能力的培养。为此，为了克服上述缺点，结合PSOC技术的优势和我校大学生科技创新活动的特点，确立了以 “主板+适配板”的设计思想，主板是通用实验板，对全系列芯片适用，包括模拟电路、数字电路、单片机控制技术等学科常用的通用实验模块，各模块相对独立，使用者可以根据实验需求选择相应的模块并进行组合，通过主板上的连线和接插口将所需模块连接起来，完成相应的实验；适配板是CPU最小系统板，CPU可以是PSOC系列控制器中任何一个控制器，也可以是通用单片机（包括常见的51系列、凌阳系列、MSP430系列等），不同的CPU对应一个适配板，适配板包括CPU芯片、程序下载端口、复位电路、I/O端口、供电端口、晶振电路、电源变换模块等；适配板通过主板上的适配板接插口与主板连接，适配板接插口采用四面防插错结构。

3.详细设计方案

基于前述背景和设计思想，本着简单实用、可扩展性强、后续升级简单的原则，确定了整个实验系统由电源模块，实验箱主板、适配板及实验箱体几部分组成。

（1）电源模块

电源模块采用开关电源供电，交流220V电源经开关电源变换成直流12V后，经电源变换电路转换成直流±5V，±3.3V供实验系统使用，可以满足所有实验需求。

（2）实验箱主板

实验箱主板是整个实验箱的核心，包括了适配板接插区、数码管显示模块、LCD显示模块、继电器控制模块、蜂鸣器控制模块、AD/DA模块、直流电机控制调速模块、LM92温度传感器模块、红外反射模块、按键模块、LED流水灯模块、通信模块、DS1302时钟模块及扩展模块等，下面对每个模块的设计做简单介绍：

数码管显示模块：采用了8位数码管以动态显示的方式显示8位数据，为了节约端口，设计时采用了两片74HC573，分时复用完成8位数码管的驱动控制。

LCD显示模块：预留了常用的LCD1602和带有汉字显示功能的MZLH01-12864两种LCD显示器件接入端口，其中LCD1602是并行控制端口，MZLH01-12864是串行控制端口。

继电器、电机、蜂鸣器控制模块：由于继电器、步进电机、蜂鸣器等工作电流相对较大，一般单片机端口输出电流无法直接驱动，需要做电流放大处理，本实验箱采用了一片ULN2003做电流放大，实现步进电机、继电器、蜂鸣器的控制，直流电机通过继电器的控制实现正反转控制，用红外光电对管作为测速元件。

按键、流水灯模块：设计了四个按键和8个LED作为按键输入和流水灯显示，每个按键和LED独立控制，可以根据需要自由选择。

传感器模块：传感器模块选用了基于I2C总线控制的LM92 和红外反射模块，另外，还增加了电容触摸模块，该模块是PSOC系列单片机比较突出的特殊功能。

通信模块：通信模块主要是方便实验箱与计算机、实验箱与外围设备之间通信，便于进一步功能扩展，设计了基于MAX232的TTL—RS232 电平转换电路，还考虑到目前大多数计算机已经不配备串口，还专门增加了基于PL2303的USB—RS232电平转换电路，便于用户使用。

AD/DA模块：考虑到目前大多数单片机已经内置了AD、DA功能，为此在设计时没有设计专门的ADC、DAC，只是设计了一个基于电位器的模拟量变换输入电路和一个基于LED呼吸灯的模拟量输出电路，便于模拟AD、DA的功能。

功能扩展区：为了便于功能扩展，专门设计了功能扩展区，扩展区包括两部分，一部分是主板上设置了一块多功能面包板，便于一些分立元件扩展使用，还增设了扩展预留接口，便于一些功能板接入。

实时时钟模块：为了便于学生学习掌握基于SPI总线协议的设备控制，设计了基于DS1302实时时钟控制电路。

（3）适配板模块

适配板模块是CPU最小系统电路，主要包括CPU、时钟电路、程序下载电路及与主板接口，每个CPU对应一块适配板，适配板与主板之间的接口采用四面防插错结构，设计时需要严格遵守相关的约定。

（4）实验箱体

实验箱体用铝合金材料定制，内部预留适配头、电源线、杜邦线收纳盒，便于保管使用。

4.嵌入式实验箱的应用

该实验箱经过一年时间的设计、制作、调试，已于2015年底在笔者所在单位柳州铁道职业技术学院科技创新实践基地投入试用，经过大半年的测试，实验箱运行稳定，可扩展性强，操作简单，可以完全满足本校学生学习使用，也可以用于大学生电子设计竞赛培训、师生科研开发和新产品的研制，主要可以完成以下几方面的实验内容：（1）电子技术基础验证性实验

利用主板上的按键显示模块、数码管显示模块、AD/DA模块、继电器、步进电机、蜂鸣器等模块和在面包板模块上增加一些模拟、数字器件，可以完成一些电子技术基础性验证实验，比如发光二极管点灯实验、数字逻辑验证实验、仪器仪表使用实验等基础性实验。

（2）微控制器验证性实验

根据学习的需要，选择对应微控制器适配板，配合主板完成一些单片机功能性验证实验，比如单片机端口输入输出控制、定时器、数码管显示、LCD显示、通信等微控制器性能验证实验

（3）功能性实验

可以利用系统中若干模块组合，完成一些功能性实验和创新性实验，比如：万年历、电机测速、电容触摸控制等创新性、综合性实验项目。

由于采用主板+适配板的设计思想，各部分相对独立，使用者可以根据实验需求选择相应的模块并进行组合，通过主板上的连线和接插口将所需模块连接起来，完成相应的实验；系统提供了6个适配头，涵盖了PSOC1 、PSOC2、PSOC3、PSOC5 及51系列、430系列单片机，使得使用者在无需更换实验装置的情况下，随时更换实验CPU来完成不同系列CPU的实验，同时由于采用主板+适配板的设计思想，为后续CPU板升级留下了余地，也可以利用主板上的面包板和扩展接口完成一些自创性、综合性的实验，方便教师、学生及研发人员二次开发使用。

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万选明（1982—），男，柳州铁道职业技术学院教师，主要从事自动控制技术方面的教学与研究。

柳州铁道职业技术学院校级立项课题（2011-10）。