基于PSoC技術的實踐教學探索

丁仁偉，邢冰冰，王繼業

（中央民族大學信息工程學院，北京 100081）

現代電子技術的發展和生產工藝的進步，推動著電子器件朝著性能更強、功耗更低、集成度更高的方向發展，新型的設計方法和設計理念也使得電子應用技術有了更豐富的實現手段和更廣的應用場景。因此，在當前的本科實踐教學中，應當引入新的應用技術，這樣既能滿足教學需求，又可以用新的理念和方法來培養符合應用需求的大學生。PSoC 是一項全新的嵌入式設計技術，在單微控制器芯片上完整實現了模擬系統和數字系統。將PSoC 技術引入本科實踐教學，將會給實踐教學帶來更廣闊的視野和更豐富的手段。

1 PSoC技術及PSoC器件介紹

PSoC（programmable system on chip，可編程化系統單芯片）技術是一種可在系統編程技術，是Cypress半導體器件公司于2003 年推出PSoC 器件［1］，其實質就是將CPU 核、模擬子系統和數字子系統集成在單芯片上的片上系統［2］。Cypress公司先后推出了PSoC1、PSoC3、PSoC5 三個系列的PSoC 器件，分別集成了M8C CPU 核、8051CPU 核和ARM Cortex－M3CPU 核。

PSoC器件的軟件開發環境有早期的適用于M8C CPU 核的PSoC Designer和可視化開發工具PSoC Express。編程工具PSoC Programmer最新的適用全系列的集成開發環境是PSoC Creator。這些軟件開發工具提供了豐富的數字和模擬模塊，這些模塊是廠家編譯好的具有特定功能的數字和模擬資源的組合，調用這些模塊就可實現對PSoC 模擬、數字資源的支配，同時可實現C編程和匯編編程及混合編程［3－5］。

PSoC器件豐富的模、數資源，簡易高效的開發設計流程，管腳靈活的配置和布局，可重構的設計理念及CapSense觸摸應用等［6－7］，使得開發綜合成本降低，便于實現真正的單片系統，再加上新的8051CPU 核和ARM Cortex－M3CPU 核的推出，使得PSoC 器件在國內得以快速推廣，并迅速地應用到本科實踐教學領域［8］。清華大學已開發出兼容PSoC3、PSoC5的JS－3型PSoC開發套件。

2 PSoC技術在實踐教學中的優勢

2.1 易于實現“跟蹤式”實踐教學

傳統的理工科學生實驗都是配合理論課程、按照教學計劃進行，這樣的教學過程雖然能夠讓學生獲得動手實踐的機會，但是學生缺乏主動性。另外往往由于實驗課程內容的安排不當或者實驗設備的局限，不能取得預期的教學效果，達不到實踐教學的目標［9］。

鑒于PSoC器件的特性，適合開發模擬、數字混合的單片小型片上系統，而不是傳統的龐大復雜的板級電子系統。這樣的系統圍繞某款PSoC 器件，再配上極其簡單的外部元件（電阻、電容等），便可以構成一個模擬、數字電路及微控制器的綜合實驗平臺。

基于以上分析，可以考慮嘗試如下所述的“跟蹤式”實踐教學:電子類專業的學生可以入學后就獲得一個PSoC實驗平臺，然后在不同的電子類專業課程中作為自己的實驗平臺來使用，“跟蹤”學生的整個在校學習過程，完成驗證性及創新性的各種電子實驗和電子設計。這樣的實踐教學活動可以擴展到微控制器技術、模擬電路、數字邏輯、信號與系統和數字信號處理等多門課程中。學生使用這樣的實驗平臺時，不但養成了主動的實踐動手的習慣和自主解決問題的習慣，更重要的是提高了學生的專業素養，培養了學生電子設計開發的能力。

2.2 易于實現“金字塔式”教學

使用PSoC器件進行電路系統設計時，由于PSoC器件內部豐富的數字和模擬資源，基本不需要外部元件，而是直接調用數字或者模擬用戶模塊，通過編程就能構架需要的系統。這樣很快就能建立系統概念模型，這種設計模式是“搭積木”的過程。

若采用傳統形式的教學，從原理、結構等知識點開始，通過較長的時間才能完成教授過程，這樣的過程容易讓學生失去整體概念，陷入到具體知識點的細節中。若采用自上而下的“金字塔式”教學法，即開始給學生講述PSoC系統設計，介紹綜合設計實例，讓學生了解PSoC的應用背景，接觸系統開發的概念，學生就能有的放矢，學習目標明確，然后采用逐級細化的方法，將系統設計過程中遇到的問題分化出來。不同的學生會面臨不同的問題，調動學生采用自學的方式解決面臨的問題，就能夠不斷地推進教與學的過程，從“塔尖”向“塔底”進展。

這樣的教學過程既能讓教師的講授重點明確，又能夠充分調動學生的積極性，激發學生的興趣，在實施后取得較好的教學效果。

2.3 易于配合其他實踐教學，提供豐富的教學模式

當前的大學教育越來越強調素質教育，而實踐教學是素質教育的一種有效手段。通過實踐教學，學生將知識轉化為應用能力，通過實踐和應用又能夠深入理解理論知識。

PSoC器件可以方便地實現單片片上系統，如同上文中提到的“跟蹤式”實驗平臺，可以將這種平臺應用到實踐教學的多種場合。在自主命題教學實踐中，可以讓學生去發現應用命題，通過PSoC 平臺去解決；在項目教學法課程設計中，可以由教師提供具有應用意義的課題和項目，由學生在PSoC 平臺上去解決等［10－11］。

2.4 易于處理傳感器信號

具備模擬和數字資源的PSoC 器件，在處理傳感器信號方面具有先天的優勢，因此PSoC 器件也被應用于無線傳感器網絡節點的設計中［12－13］。PSoC 作為處理模塊用在無線傳感器網絡節點，使節點能耗降低、體積縮小、可靠性提高、成本降低，增加生存周期，縮短開發周期。

3 PSoC技術在實踐教學中的嘗試

為了提高實踐教學水平，將PSoC 技術引入到實踐教學中來，我們做了以下探索。

（1）引導學生進行PSoC 的自主學習。在教學過程中，部分學有余力的學生希望在開放實驗室里做一些實踐活動，于是我們將PSoC平臺介紹給他們，通過2～3次講授，按照“金字塔式”的教學方法，讓他們迅速了解并上手操作PSoC平臺。通過1個學期的自主學習，這些學生基本掌握了PSoC技術的應用，為其他實踐環節打下基礎。

（2）參加Cypress公司組織的電子設計大賽。組織自主學習PSoC技術的學生參加Cypress公司組織的大學生電子設計大賽，成功參賽，并完成“基于PSoC芯片USB通信的溫濕度測量系統”等項目。

（3）申請大學生創新設計項目。通過積累的PSoC素材，結合實際應用，組織學生申請了3個校級的大學生創新設計項目和1個北京市大學生科學研究與創業行動計劃項目。

（4）開設課程設計選修課。利用PSoC 平臺開設了電路綜合課程設計和微處理器課程設計2門選修課程，通過完成一些電子綜合系統項目來訓練學生的電路設計能力。訓練過的題目有語音存儲回放系統、直接數字頻率合成器等。

4 結束語

通過將PSoC 技術引入到實踐教學中的一些嘗試，讓學生在實踐中成為主角，提高了學生的自學能力和主動學習的積極性，也培養了學生電子設計開發的能力。作為教學單位，我們也摸索了一種實踐教學的新途徑，通過對實踐方法和實踐平臺的不斷改進，一定能夠為素質教育提供更好的實踐平臺。

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［1］葉朝輝，華成英，趙彥博.基于PSoC 的“電子系統設計”教學改革［J］.實驗技術與管理，2009，26（6）:69－71.

［2］何賓.8051片上可編程系統原理與應用［M］.北京:化學工業出版社，2012.

［3］朱明程，李曉濱.PSoC 原理與應用設計［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［4］葉朝輝，華成英.可編程片上系統（PSoC）原理及實訓［M］.北京:清華大學出版社，2008.

［5］Cypress Semiconductor.PSoC3 Architecture TRM ［EB／OL］.［2012－06－05］.http:／／www.cypress.com.

［6］Robert A.Designer’s Guide to the Cypress PSoC［M］.Holland:Elsevier Science Ltd，2005.

［7］Chris N.Embedded Systems Design using the TI MSP430Series［M］.Holland:Elsevier Science Ltd，2003.

［8］陳超，王心一，王成華.基于PSoC的實驗教學平臺開發［J］.實驗室研究與探索，2010，29（10）:110－113.

［9］張新安，熊文元，包本剛.電子技術專業實踐教學改革的研究與實踐［J］.實驗技術與管理，2011，28（7）:24－27.

［10］丁則信，黃正瑾.“數字系統課程設計”自主命題新教學方法的實踐［J］.實驗技術與管理，2007，24（12）:147－148.

［11］林祝亮，馬世平，楊金華.項目教學法在電子類課程設計中的應用研究［J］.實驗技術與管理，2009，26（8）:114－116.

［12］徐志，楊永明，王波，等.電機定子溫度在線監測的無線傳感器網絡節點設計［J］.傳感器與微系統，2010，29（7）:78－83.

［13］王波，楊永明，汪金剛，等.基于PSoC的無線傳感器網絡節點設計［J］.傳感技術學報，2009，22（3）:413－416.