基于PSoC技术的实践教学探索

丁仁伟，邢冰冰，王继业

（中央民族大学信息工程学院，北京 100081）

现代电子技术的发展和生产工艺的进步，推动着电子器件朝着性能更强、功耗更低、集成度更高的方向发展，新型的设计方法和设计理念也使得电子应用技术有了更丰富的实现手段和更广的应用场景。因此，在当前的本科实践教学中，应当引入新的应用技术，这样既能满足教学需求，又可以用新的理念和方法来培养符合应用需求的大学生。PSoC 是一项全新的嵌入式设计技术，在单微控制器芯片上完整实现了模拟系统和数字系统。将PSoC 技术引入本科实践教学，将会给实践教学带来更广阔的视野和更丰富的手段。

1 PSoC技术及PSoC器件介绍

PSoC（programmable system on chip，可编程化系统单芯片）技术是一种可在系统编程技术，是Cypress半导体器件公司于2003 年推出PSoC 器件［1］，其实质就是将CPU 核、模拟子系统和数字子系统集成在单芯片上的片上系统［2］。Cypress公司先后推出了PSoC1、PSoC3、PSoC5 三个系列的PSoC 器件，分别集成了M8C CPU 核、8051CPU 核和ARM Cortex－M3CPU 核。

PSoC器件的软件开发环境有早期的适用于M8C CPU 核的PSoC Designer和可视化开发工具PSoC Express。编程工具PSoC Programmer最新的适用全系列的集成开发环境是PSoC Creator。这些软件开发工具提供了丰富的数字和模拟模块，这些模块是厂家编译好的具有特定功能的数字和模拟资源的组合，调用这些模块就可实现对PSoC 模拟、数字资源的支配，同时可实现C编程和汇编编程及混合编程［3－5］。

PSoC器件丰富的模、数资源，简易高效的开发设计流程，管脚灵活的配置和布局，可重构的设计理念及CapSense触摸应用等［6－7］，使得开发综合成本降低，便于实现真正的单片系统，再加上新的8051CPU 核和ARM Cortex－M3CPU 核的推出，使得PSoC 器件在国内得以快速推广，并迅速地应用到本科实践教学领域［8］。清华大学已开发出兼容PSoC3、PSoC5的JS－3型PSoC开发套件。

2 PSoC技术在实践教学中的优势

2.1 易于实现“跟踪式”实践教学

传统的理工科学生实验都是配合理论课程、按照教学计划进行，这样的教学过程虽然能够让学生获得动手实践的机会，但是学生缺乏主动性。另外往往由于实验课程内容的安排不当或者实验设备的局限，不能取得预期的教学效果，达不到实践教学的目标［9］。

鉴于PSoC器件的特性，适合开发模拟、数字混合的单片小型片上系统，而不是传统的庞大复杂的板级电子系统。这样的系统围绕某款PSoC 器件，再配上极其简单的外部元件（电阻、电容等），便可以构成一个模拟、数字电路及微控制器的综合实验平台。

基于以上分析，可以考虑尝试如下所述的“跟踪式”实践教学:电子类专业的学生可以入学后就获得一个PSoC实验平台，然后在不同的电子类专业课程中作为自己的实验平台来使用，“跟踪”学生的整个在校学习过程，完成验证性及创新性的各种电子实验和电子设计。这样的实践教学活动可以扩展到微控制器技术、模拟电路、数字逻辑、信号与系统和数字信号处理等多门课程中。学生使用这样的实验平台时，不但养成了主动的实践动手的习惯和自主解决问题的习惯，更重要的是提高了学生的专业素养，培养了学生电子设计开发的能力。

2.2 易于实现“金字塔式”教学

使用PSoC器件进行电路系统设计时，由于PSoC器件内部丰富的数字和模拟资源，基本不需要外部元件，而是直接调用数字或者模拟用户模块，通过编程就能构架需要的系统。这样很快就能建立系统概念模型，这种设计模式是“搭积木”的过程。

若采用传统形式的教学，从原理、结构等知识点开始，通过较长的时间才能完成教授过程，这样的过程容易让学生失去整体概念，陷入到具体知识点的细节中。若采用自上而下的“金字塔式”教学法，即开始给学生讲述PSoC系统设计，介绍综合设计实例，让学生了解PSoC的应用背景，接触系统开发的概念，学生就能有的放矢，学习目标明确，然后采用逐级细化的方法，将系统设计过程中遇到的问题分化出来。不同的学生会面临不同的问题，调动学生采用自学的方式解决面临的问题，就能够不断地推进教与学的过程，从“塔尖”向“塔底”进展。

这样的教学过程既能让教师的讲授重点明确，又能够充分调动学生的积极性，激发学生的兴趣，在实施后取得较好的教学效果。

2.3 易于配合其他实践教学，提供丰富的教学模式

当前的大学教育越来越强调素质教育，而实践教学是素质教育的一种有效手段。通过实践教学，学生将知识转化为应用能力，通过实践和应用又能够深入理解理论知识。

PSoC器件可以方便地实现单片片上系统，如同上文中提到的“跟踪式”实验平台，可以将这种平台应用到实践教学的多种场合。在自主命题教学实践中，可以让学生去发现应用命题，通过PSoC 平台去解决；在项目教学法课程设计中，可以由教师提供具有应用意义的课题和项目，由学生在PSoC 平台上去解决等［10－11］。

2.4 易于处理传感器信号

具备模拟和数字资源的PSoC 器件，在处理传感器信号方面具有先天的优势，因此PSoC 器件也被应用于无线传感器网络节点的设计中［12－13］。PSoC 作为处理模块用在无线传感器网络节点，使节点能耗降低、体积缩小、可靠性提高、成本降低，增加生存周期，缩短开发周期。

3 PSoC技术在实践教学中的尝试

为了提高实践教学水平，将PSoC 技术引入到实践教学中来，我们做了以下探索。

（1）引导学生进行PSoC 的自主学习。在教学过程中，部分学有余力的学生希望在开放实验室里做一些实践活动，于是我们将PSoC平台介绍给他们，通过2～3次讲授，按照“金字塔式”的教学方法，让他们迅速了解并上手操作PSoC平台。通过1个学期的自主学习，这些学生基本掌握了PSoC技术的应用，为其他实践环节打下基础。

（2）参加Cypress公司组织的电子设计大赛。组织自主学习PSoC技术的学生参加Cypress公司组织的大学生电子设计大赛，成功参赛，并完成“基于PSoC芯片USB通信的温湿度测量系统”等项目。

（3）申请大学生创新设计项目。通过积累的PSoC素材，结合实际应用，组织学生申请了3个校级的大学生创新设计项目和1个北京市大学生科学研究与创业行动计划项目。

（4）开设课程设计选修课。利用PSoC 平台开设了电路综合课程设计和微处理器课程设计2门选修课程，通过完成一些电子综合系统项目来训练学生的电路设计能力。训练过的题目有语音存储回放系统、直接数字频率合成器等。

4 结束语

通过将PSoC 技术引入到实践教学中的一些尝试，让学生在实践中成为主角，提高了学生的自学能力和主动学习的积极性，也培养了学生电子设计开发的能力。作为教学单位，我们也摸索了一种实践教学的新途径，通过对实践方法和实践平台的不断改进，一定能够为素质教育提供更好的实践平台。

（

）

［1］叶朝辉，华成英，赵彦博.基于PSoC 的“电子系统设计”教学改革［J］.实验技术与管理，2009，26（6）:69－71.

［2］何宾.8051片上可编程系统原理与应用［M］.北京:化学工业出版社，2012.

［3］朱明程，李晓滨.PSoC 原理与应用设计［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［4］叶朝辉，华成英.可编程片上系统（PSoC）原理及实训［M］.北京:清华大学出版社，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］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，2010，29（10）:110－113.

［9］张新安，熊文元，包本刚.电子技术专业实践教学改革的研究与实践［J］.实验技术与管理，2011，28（7）:24－27.

［10］丁则信，黄正瑾.“数字系统课程设计”自主命题新教学方法的实践［J］.实验技术与管理，2007，24（12）:147－148.

［11］林祝亮，马世平，杨金华.项目教学法在电子类课程设计中的应用研究［J］.实验技术与管理，2009，26（8）:114－116.

［12］徐志，杨永明，王波，等.电机定子温度在线监测的无线传感器网络节点设计［J］.传感器与微系统，2010，29（7）:78－83.

［13］王波，杨永明，汪金刚，等.基于PSoC的无线传感器网络节点设计［J］.传感技术学报，2009，22（3）:413－416.