PSoC平台在电子综合课程设计中的应用

何 宾

(北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029)

0 引言

电子综合课程设计是电子信息类专业本科生的必修课程之一，是在学生学完“电路原理”、“模拟电子线路”和“数字电路”课程后的一门实践类课程，旨在将学生所学的理论知识运用于构建一个小规模的数模混合系统。目前，国内高校所开设的电子综合课程设计普遍存在以下几个方面问题:①课程设计缺乏新的教学设计案例，无法反映最新电子技术的发展;②课程设计不能有效地与后续专业课程进行衔接;③由于学生没有储备足够的专业课知识，难于拓展该课程的深度和广度。

因此，传统的电子综合课程设计迫切需要引入全新的教学理念和硬件教学平台。作为全球知名的半导体公司—美国Cypress公司，在全球率先推出了完全意义上的电子设计平台:PSoC1、PSoC3、PSoC4和PSoC5。它是一组片上系统，将模拟电路、数字电路、数模混合电路和CPU集成在单芯片内［1］。这一新平台的出现为电子综合课程设计以及相关电子系列课程的教学改革开启了新思路和新渠道［2］。国内多所大学已将PSoC设计平台引入模拟电子技术、数字电子技术、电子综合课程设计、单片机、嵌入式系统和小学期的工程实训课程中。

1 创新平台的优势

目前，电子综合课程设计大都停留在利用面包板，通过小规模集成电路芯片和导线连接，实现简单功能的电子系统的层次上。由于硬件成本和教学经费的限制，不可能根据学生的要求为他们单独配置不同的硬件平台。由于学生尚未深入学习专业知识，教师在课程设计实施环节，很难在设计的深度和广度有所发挥。

Cypress公司的PSoC平台是一个开源硬件平台，在电子类课程教学方面有着巨大的优势［3］。主要表现在:①将功能强大的电子设计自动化软件引入到电子系统设计的过程中;②在单芯片内提供大量的模拟和数字元件设计资源;③通过采用原理图的硬件设计方法，很容易实现不同的硬件结构，实现学生的设计创意;④通过代码自动生成技术，学生只需具备C语言基础，就很容易地通过调用API函数实现软件对硬件的控制;⑤将硬件的设计规模由板级缩小到硅片级，使得电子综合课程设计的硬件成本大大降低;⑥通过PSoC设计平台，学生能将电子线路的理论知识和最新的电子设计技术相结合。

2 电子系统设计方法的转变

1)从PCB级向硅片级设计的转换

基于PSoC平台的硬件平台设计方法是在PSoC软件集成开发环境的原理图设计界面内，根据设计要求调用不同的知识产权IP(Intellectual Property)核，然后通过连线将这些IP核连接起来，在硅片上构造电子系统。这与传统的电子综合课程设计方法有着本质的区别。学生在硅片上设计实现时，不再象以前采用分立器件的设计那样，所有的测试点可以直接通过测试仪器进行测量。此时，设计变成了黑盒，无法直接看到，这就要求学生具有较强分析问题的能力，也可考察学生对理论知识的理解和掌握程度。

2)软件和硬件一体化设计

随着半导体技术的不断发展和设计理念的转变。整个电子系统是软件和硬件的协同工作。这就要求设计者在设计时，采用软件和硬件协同设计的方法。学生在一体化设计的要求下不仅需要有扎实的电子线路理论知识，还需要有更强的实践能力。

3)IP复用和设计复用

现在电子系统的设计越来越复杂，对于一个设计人员来说，不可能从头开始设计。我们在设计过程中，需要参考前人的设计成果，再在此基础上加入自己的设计创意，最终实现定制的电子系统。在电子综合课程设计中，应鼓励学生参考他人的设计，这些设计只能确保他们完成电子课程设计的基本要求，而课程中的提高部分则给学生留下充分发挥其创新能力的空间。

4)基于积木块设计方法

积木块的设计理念是设计者根据提供设计所需要的各种电子模块，设计要求结合自己所掌握的理论知识，将这些电子模块组装在一起完成。这个过程表面上看似乎非常简单，实则这是在系统级上对学生掌握理论知识程度以及分析和解决问题的考察。与传统的电子课程设计相比，积本块设计更强调系统整体，而不是设计局部。

3 创新平台的特色

1)教师角色的转变

以创新平台为教学载体，教师的角色变成了整个课程教学过程的组织者和管理者［4］。教师任务包括:①明确电子综合设计的设计任务;②为参与课程设计的学生提供可以参考的设计思路;③通过一个完整的设计案例，对参与课程设计的学生进行集体系统专业化的辅导，使其能准确地把握设计方法;④为学生分层次布置设计任务，以满足不同层次学生的学习要求;⑤安排好电子综合设计所需要的电子测量设备和课程设计的场地;⑥为学生遇到的问题答疑解惑。

2)学生主观能动性的激发

引入创新平台后，学生根据教师提供的大量教学素材，自己查阅设计资料，提出实现方法，最终实现设计目标和要求。学生发挥主观能动性，养成主动获取知识的习惯。

3)理论和设计实际紧密结合

下面以相位锁相环PLL知识点为例，其原理如图1所示。该知识点是通信电子线路课程中的一个重点和难点内容。由于传统教学资源的限制，无法让学生根据理论知识所介绍的PLL构成要素，真正地使用电子元器件实现PLL功能。当引入新的设计平台后，由于单芯片内所集成的丰富设计资源，在PSoC内就可以实现PLL功能，如图2所示。学生在理论和设计实际结合的过程中，就能真正地掌握PLL的设计原理和指标。这是常规硬件教学平台所不能比拟的。

图1 锁相环原理

图2 锁相环在PSoC内的实现

4)形式多样的教学互动

与传统电子综合课程设计不一样的是，创新平台的引入大大地增强了教学互动效果。主要体现在以下几方面:①教师可以更加专注于解决学生在课程设计中的问题;②教师和学生之间就课程设计相关的问题交流机会增多;③教学过程从被动方式转向研究讨论方式;

4 结语

PSoC创新平台的引入可以提高电子综合课程设计的教学质量，巩固了学生所学的理论知识，进而提高学生的工程实践能力。电子综合课程设计的教学改革可以进一步扩展到”模拟电子技术”和“数字电子技术”等电子类课程的理论和实践教学环节中，以便提高这些基础课程的授课质量。

［1］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.2008.05

［2］何宾.PSoC模拟与数字电路设计指南［M］.北京:化学工业出版社.2012.06

［3］童诗白，华成英.模拟电子技术基础(第四版)［M］.北京:高等教育出版社.2006.05

［4］何宾，陶丹.开放式网络教学平台在电子信息类学生创新能力培养方面的应用［J］.兰州:高等理科教育.2 012年第3期