基于PSoC平台的数模结合实验项目设计

刘　静，胡媛媛

(深圳大学　信息工程学院，广东　深圳　518060)



基于PSoC平台的数模结合实验项目设计

刘静，胡媛媛

(深圳大学信息工程学院，广东深圳518060)

摘要数模结合的综合性实验可以促进学生对电路知识的融会贯通，培养学生的综合实践能力，但实验的复杂度和难度也相应有所增加。基于PSoC平台的实验箱包含多样的数字及模拟功能模块，为数模结合实验提供了很好的平台，提升了实验的多样性和趣味性，降低了实验的难度，使得更多学生能完成该类实验。该文提出了基于PSoC平台的数模综合性实验设计原则，介绍了两类基本的综合实验框架在实验教学中的应用，并以学生完成度较好的数控小电机为实例阐述了学生实现过程。

关键词数模结合；片上可编程系统；数控小电机

数字电路和模拟电路是电子学领域两门非常重要的专业基础课程，好的实验设计可以加深学生对这两门课程理论知识的理解并培养学生设计实用系统的实践能力[1-2]。近年来，深圳大学信息工程学院成立了数模复用实验室，将两门课程的实验放在一个实验室内，并在数字电路课程内增加了可选的数模结合的综合性实验项目，为培养学生的数模综合动手能力营造了一个良好的学习环境和氛围[3]。但是数字电路和模拟电路两门课程是较早开设的专业基础课程，只有少量动手能力较强的学生才有能力在该学期完成从设计、做板到调试的整个数模综合实验，而片上可编程版系统(PSoC)试验箱的出现降低了数模综合系统设计、实现及调试的难度[5-7]，使得更多的同学能完成一个小型数模综合系统，提高了学生选作数模结合实验的兴趣。本文提出基于PSoC平台的数模结合实验的设计原则，并以数控小电机为例，阐述基于PSoC平台的数模结合实验项目的实现过程。

1数模结合的综合性实验设计原则

传统教学中，数字电路实验与模拟电路实验分开进行，而实际的应用系统常常是既有数字的控制模块，又有模拟的输入输出模块[7]。在数字电路和模拟电路的学习过程中，增加一些简单而实用的数模结合实验，能够较好地培养学生对课程的兴趣，并让学生在实验过程中更好地建立起电路知识体系，达到融会贯通、学以致用的目的。

体现数模综合性设计原则的实验应包括数字电路部分、模拟电路部分以及数模(模数)转换电路部分。常用的简单数模综合系统一般可以归纳为两种框架形式，如图1、图2所示。在实验框架一中，数字控制系统发出的数字信号经过数模转换电路，转换成模拟信号，该信号再通过放大电路，最终驱动模拟执行系统。在实验框架二中，先用传感器采集外界环境中的模拟信号信息，通过模拟放大电路，再经过模数转换，最终将该信号进行数字显示。因为实验框架二中传感器采集的信号较微弱，通过模拟放大电路的放大，使得模拟信号电平的变化范围和模数转换电路的输入范围相匹配，有利于后续电路进行模数转换和数字显示[8]。

图1体现数模综合性设计原则的实验项目框架一

图2体现数模综合性设计原则的实验项目框架二

基于以上两个框架结构，可以设计出一些贴近生活的数模结合小实验供学生选作。如基于框架一的电机控制、简易电子音乐发生器；基于框架二的电机转速测量仪、数字温度计。

2PSoC在数模结合实验中的应用

清华大学自动化系和清华大学科教仪器厂联合研制的新一代开放式可编程片上系统创新实验平台TPG-PSoC3实验箱(以下简称PSoC3实验箱)[9-10]包含一个PSoC3核心处理器模块、多个数模外围模块(如液晶屏、4位数码管、推拉按键、直流电机，光敏/磁敏/热敏电阻、温度传感器等)，以及多个标准接口，可以满足很多数模结合实验的要求。该系统的设计软件PSoC Creator采用图形控件，辅以少量C语言编程，都是学生前期课程已经学习过的内容，且该软件界面简单友好，易于调试，对于学生完成数模综合实验有很好的辅助作用。

为了更好地配合数字电路和模拟电路课程，可以选择在数字电路课程的前半部分，在译码器的实验课程前，由教师进行15 min的3线～8线译码器PSoC3实现的实例演示，学生课下完成一次译码器的PSoC3实现，既能巩固知识、预习实验，又能熟悉软件应用，为后面设计数模综合系统打下基础。

3数控小电机实验项目的设计

电机是很多系统的重要组成模块，如风扇、遥控小车、遥控飞机、机器人等，这类实用小系统很容易引起学生的实践兴趣。数控小电机实验包含两个模块：1)电机控制，实验要求通过两个开关控制一个小电机的转与不转、正转与反转，对应图1；2)电机测速，实验要求对转动的电机通过传感器进行速度测量，将传感器的测量结果进行处理，并进行转速显示，对应图2。这两个模块选做一个即可完成一个数模结合实验，也可以合并成一个略大的数模综合系统，难度适中，是较多学生选择而且完成度较好的实验项目。

电机控制可以利用PSoC3试验箱中的推拉数字开关 S1、S2 分别对应控制电机转与不转、正转与反转，由PSoC3核心处理器检测两个开关的状态，并控制两个PWM模块，用于产生驱动试验箱中的直流小电机的转动的直流信号。其中，PWM(pulse width modulation)模块用PSoC3处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，是由PSoC3内部编程生成的一个常用模块。电机控制实验结构设计图如图3所示。

图3　电机控制实验设计框图

电机测速同样可以全部用PSoC3试验箱已有模块完成。PSoC3试验箱的直流电机旁有一个红外检测仪，在电机转动的过程中，因电机扇叶的遮挡，会输出每转6次的周期性开关信号，这个开关信号输入PSoC3试验箱中的计数器模块，并用定时器辅助计数器模块计算1 s内的计数总次数，最后将结果转化为4位7段数码管的输入信号，显示出电机的秒转速，实验结构设计图如图4所示。

图4　电机测速实验设计框图

在PSoC Creator软件中，根据以上设计原理，用同一个直流电机模块利用PSoC3核心处理器同时完成两个实验，合成一个数控小电机实验，软件中的连线图和引脚分配图分别如图5，图6所示。这个实验模块清晰，有一定的综合性和复杂度，但在PSoC平台中实现难度不大，在学生中有非常高的完成度。

图5　数控小电机实验PSoC连线图

图6　数控小电机实验PSoC引脚分配图

4结束语

PSoC实验平台可以减低数模综合实验的难度，更好地培养学生对数字电路和模拟电路课程的兴趣，提高学生的综合实践能力。本文提出基于PSoC3试验箱的数模综合实验的设计原则，并给出教学实践中学生完成度较好的数控小电机实例，可供兄弟院校相关实验课程参考。

参 考 文 献

[1]金泽，沈允中.新型电子系统设计课程的改革曲[J].实验室研究与探索，2010，29(6)：140-143.

[2]郑兆兆，高静.《数字电子技术》实验教学改革探讨[J].实验科学与技术，2013，11(2):103-106.

[3]胡媛媛，刘静，周建华.数模结合的综合性实验项目设计[J].中国科教创新导刊，2013(23)：90-91.

[4]曾洁.利用EDA技术改进《数字电路》课程教学[J].实验科学与技术，2013，11(4):232-235.

[5]杨光伟，陶丹，何宾.片上可编程系统的嵌入式应用[J].测控技术，2013，32(10):66-68.

[6]陈超，王心一，王成华.基于PSoC的实验教学平台开发[J].实验室研究与探索，2010(10)：110-113.

[7]周静，刘杰.数模、模数转换电路的综合实验研究[J].安庆师范学院学报(自然科学版)，2010，16(3):115-118.

[8]郭斌，欧阳烨.微弱信号调理电路和模数转换电路的探讨[J].微计算机信息，2008(23):233-235.

[9]河宾.PSoC模拟与数字电路设计指南[M].北京：化学工业出版社，2012.

[10]清华大学科教仪器厂.TPG-PSoC3可编程片上系统创新实验平台指南[EB/OL].[2014-11-20].http:// www.qhkj.com/_d270798479.htm.

·实 验 教 学·

收稿日期:2015-03-16；修改日期: 2015-04-09

基金项目：深圳大学教学改革基金(JG2013042)；深圳大学实验室与设备管理研究基金(2015008)。

作者简介：刘静(1981-)，女，博士，讲师，主要从事数字电路课程教学工作。

中图分类号TN79t2

文献标志码B

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.006

Experiments Design for Digital and Analog Mixed Circuit Based on PSoC Platform

LIU Jing，HU Yuanyuan

(College of Information Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China)

AbstractExperiments of digital and analog mixed circuit are very important for students to learn the basic knowledge of circuit analysis and to improve their ability of practice，while the complexity and difficulty of these experiments is increased.Experiment boxes based on programmable system on chip(PSoC) platform include various digital and analog function modules，these modules decrease the difficulty of experiments and increase the diversity and interesting of experiments，thus most students can complete these experiments.This paper summarizes the principle for experiments design based on the PSoC platform，proposes two types of basic experiment model to use the principle in digital circuit experiment teaching，and then show the experimental process of digital control motor which is successfully completed by most students.

Key wordsdigital and analog mixed circuit；programmable system on chip；digital control motor