PSoC平臺(tái)在電子綜合課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

何 賓

(北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029)

0 引言

電子綜合課程設(shè)計(jì)是電子信息類專業(yè)本科生的必修課程之一，是在學(xué)生學(xué)完“電路原理”、“模擬電子線路”和“數(shù)字電路”課程后的一門(mén)實(shí)踐類課程，旨在將學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用于構(gòu)建一個(gè)小規(guī)模的數(shù)模混合系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)高校所開(kāi)設(shè)的電子綜合課程設(shè)計(jì)普遍存在以下幾個(gè)方面問(wèn)題:①課程設(shè)計(jì)缺乏新的教學(xué)設(shè)計(jì)案例，無(wú)法反映最新電子技術(shù)的發(fā)展;②課程設(shè)計(jì)不能有效地與后續(xù)專業(yè)課程進(jìn)行銜接;③由于學(xué)生沒(méi)有儲(chǔ)備足夠的專業(yè)課知識(shí)，難于拓展該課程的深度和廣度。

因此，傳統(tǒng)的電子綜合課程設(shè)計(jì)迫切需要引入全新的教學(xué)理念和硬件教學(xué)平臺(tái)。作為全球知名的半導(dǎo)體公司—美國(guó)Cypress公司，在全球率先推出了完全意義上的電子設(shè)計(jì)平臺(tái):PSoC1、PSoC3、PSoC4和PSoC5。它是一組片上系統(tǒng)，將模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐泛虲PU集成在單芯片內(nèi)［1］。這一新平臺(tái)的出現(xiàn)為電子綜合課程設(shè)計(jì)以及相關(guān)電子系列課程的教學(xué)改革開(kāi)啟了新思路和新渠道［2］。國(guó)內(nèi)多所大學(xué)已將PSoC設(shè)計(jì)平臺(tái)引入模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電子綜合課程設(shè)計(jì)、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和小學(xué)期的工程實(shí)訓(xùn)課程中。

1 創(chuàng)新平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

目前，電子綜合課程設(shè)計(jì)大都停留在利用面包板，通過(guò)小規(guī)模集成電路芯片和導(dǎo)線連接，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能的電子系統(tǒng)的層次上。由于硬件成本和教學(xué)經(jīng)費(fèi)的限制，不可能根據(jù)學(xué)生的要求為他們單獨(dú)配置不同的硬件平臺(tái)。由于學(xué)生尚未深入學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，教師在課程設(shè)計(jì)實(shí)施環(huán)節(jié)，很難在設(shè)計(jì)的深度和廣度有所發(fā)揮。

Cypress公司的PSoC平臺(tái)是一個(gè)開(kāi)源硬件平臺(tái)，在電子類課程教學(xué)方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)［3］。主要表現(xiàn)在:①將功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件引入到電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中;②在單芯片內(nèi)提供大量的模擬和數(shù)字元件設(shè)計(jì)資源;③通過(guò)采用原理圖的硬件設(shè)計(jì)方法，很容易實(shí)現(xiàn)不同的硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)意;④通過(guò)代碼自動(dòng)生成技術(shù)，學(xué)生只需具備C語(yǔ)言基礎(chǔ)，就很容易地通過(guò)調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)硬件的控制;⑤將硬件的設(shè)計(jì)規(guī)模由板級(jí)縮小到硅片級(jí)，使得電子綜合課程設(shè)計(jì)的硬件成本大大降低;⑥通過(guò)PSoC設(shè)計(jì)平臺(tái)，學(xué)生能將電子線路的理論知識(shí)和最新的電子設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合。

2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的轉(zhuǎn)變

1)從PCB級(jí)向硅片級(jí)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換

基于PSoC平臺(tái)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方法是在PSoC軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的原理圖設(shè)計(jì)界面內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)用不同的知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP(Intellectual Property)核，然后通過(guò)連線將這些IP核連接起來(lái)，在硅片上構(gòu)造電子系統(tǒng)。這與傳統(tǒng)的電子綜合課程設(shè)計(jì)方法有著本質(zhì)的區(qū)別。學(xué)生在硅片上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，不再象以前采用分立器件的設(shè)計(jì)那樣，所有的測(cè)試點(diǎn)可以直接通過(guò)測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)量。此時(shí)，設(shè)計(jì)變成了黑盒，無(wú)法直接看到，這就要求學(xué)生具有較強(qiáng)分析問(wèn)題的能力，也可考察學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握程度。

2)軟件和硬件一體化設(shè)計(jì)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展和設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變。整個(gè)電子系統(tǒng)是軟件和硬件的協(xié)同工作。這就要求設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)，采用軟件和硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法。學(xué)生在一體化設(shè)計(jì)的要求下不僅需要有扎實(shí)的電子線路理論知識(shí)，還需要有更強(qiáng)的實(shí)踐能力。

3)IP復(fù)用和設(shè)計(jì)復(fù)用

現(xiàn)在電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，不可能從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中，需要參考前人的設(shè)計(jì)成果，再在此基礎(chǔ)上加入自己的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，最終實(shí)現(xiàn)定制的電子系統(tǒng)。在電子綜合課程設(shè)計(jì)中，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參考他人的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)只能確保他們完成電子課程設(shè)計(jì)的基本要求，而課程中的提高部分則給學(xué)生留下充分發(fā)揮其創(chuàng)新能力的空間。

4)基于積木塊設(shè)計(jì)方法

積木塊的設(shè)計(jì)理念是設(shè)計(jì)者根據(jù)提供設(shè)計(jì)所需要的各種電子模塊，設(shè)計(jì)要求結(jié)合自己所掌握的理論知識(shí)，將這些電子模塊組裝在一起完成。這個(gè)過(guò)程表面上看似乎非常簡(jiǎn)單，實(shí)則這是在系統(tǒng)級(jí)上對(duì)學(xué)生掌握理論知識(shí)程度以及分析和解決問(wèn)題的考察。與傳統(tǒng)的電子課程設(shè)計(jì)相比，積本塊設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)整體，而不是設(shè)計(jì)局部。

3 創(chuàng)新平臺(tái)的特色

1)教師角色的轉(zhuǎn)變

以創(chuàng)新平臺(tái)為教學(xué)載體，教師的角色變成了整個(gè)課程教學(xué)過(guò)程的組織者和管理者［4］。教師任務(wù)包括:①明確電子綜合設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù);②為參與課程設(shè)計(jì)的學(xué)生提供可以參考的設(shè)計(jì)思路;③通過(guò)一個(gè)完整的設(shè)計(jì)案例，對(duì)參與課程設(shè)計(jì)的學(xué)生進(jìn)行集體系統(tǒng)專業(yè)化的輔導(dǎo)，使其能準(zhǔn)確地把握設(shè)計(jì)方法;④為學(xué)生分層次布置設(shè)計(jì)任務(wù)，以滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)要求;⑤安排好電子綜合設(shè)計(jì)所需要的電子測(cè)量設(shè)備和課程設(shè)計(jì)的場(chǎng)地;⑥為學(xué)生遇到的問(wèn)題答疑解惑。

2)學(xué)生主觀能動(dòng)性的激發(fā)

引入創(chuàng)新平臺(tái)后，學(xué)生根據(jù)教師提供的大量教學(xué)素材，自己查閱設(shè)計(jì)資料，提出實(shí)現(xiàn)方法，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，養(yǎng)成主動(dòng)獲取知識(shí)的習(xí)慣。

3)理論和設(shè)計(jì)實(shí)際緊密結(jié)合

下面以相位鎖相環(huán)PLL知識(shí)點(diǎn)為例，其原理如圖1所示。該知識(shí)點(diǎn)是通信電子線路課程中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。由于傳統(tǒng)教學(xué)資源的限制，無(wú)法讓學(xué)生根據(jù)理論知識(shí)所介紹的PLL構(gòu)成要素，真正地使用電子元器件實(shí)現(xiàn)PLL功能。當(dāng)引入新的設(shè)計(jì)平臺(tái)后，由于單芯片內(nèi)所集成的豐富設(shè)計(jì)資源，在PSoC內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)PLL功能，如圖2所示。學(xué)生在理論和設(shè)計(jì)實(shí)際結(jié)合的過(guò)程中，就能真正地掌握PLL的設(shè)計(jì)原理和指標(biāo)。這是常規(guī)硬件教學(xué)平臺(tái)所不能比擬的。

圖1 鎖相環(huán)原理

圖2 鎖相環(huán)在PSoC內(nèi)的實(shí)現(xiàn)

4)形式多樣的教學(xué)互動(dòng)

與傳統(tǒng)電子綜合課程設(shè)計(jì)不一樣的是，創(chuàng)新平臺(tái)的引入大大地增強(qiáng)了教學(xué)互動(dòng)效果。主要體現(xiàn)在以下幾方面:①教師可以更加專注于解決學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中的問(wèn)題;②教師和學(xué)生之間就課程設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題交流機(jī)會(huì)增多;③教學(xué)過(guò)程從被動(dòng)方式轉(zhuǎn)向研究討論方式;

4 結(jié)語(yǔ)

PSoC創(chuàng)新平臺(tái)的引入可以提高電子綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)質(zhì)量，鞏固了學(xué)生所學(xué)的理論知識(shí)，進(jìn)而提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。電子綜合課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革可以進(jìn)一步擴(kuò)展到”模擬電子技術(shù)”和“數(shù)字電子技術(shù)”等電子類課程的理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，以便提高這些基礎(chǔ)課程的授課質(zhì)量。

［1］葉朝輝，華成英.可編程片上系統(tǒng)(PSoC)原理及實(shí)訓(xùn)［M］.北京:清華大學(xué)出版社.2008.05

［2］何賓.PSoC模擬與數(shù)字電路設(shè)計(jì)指南［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2012.06

［3］童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)［M］.北京:高等教育出版社.2006.05

［4］何賓，陶丹.開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)在電子信息類學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面的應(yīng)用［J］.蘭州:高等理科教育.2 012年第3期