印 月,張曉東，周 群

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

基于PSoC 3.0的模數(shù)混合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

印 月,張曉東，周 群

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

該文針對(duì)目前傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“模擬”和“數(shù)字” 兩部分知識(shí)點(diǎn)相對(duì)孤立的現(xiàn)狀,結(jié)合最新電子信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)模數(shù)混合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)，探索性地對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了創(chuàng)新。基于片上可編程系統(tǒng)PSoC 3.0的簡(jiǎn)易式脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了模擬/數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的綜合應(yīng)用，提出了一種既能培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新思維能力相結(jié)合，又能提高學(xué)生對(duì)電子技術(shù)知識(shí)點(diǎn)綜合運(yùn)用能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革新思路。

模擬電子技術(shù)；數(shù)字電子技術(shù)；模/數(shù)混合實(shí)驗(yàn)；脈搏測(cè)量

“電子技術(shù)基礎(chǔ)”是電力工程類各專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，它分為“模擬”和“數(shù)字”兩部分。學(xué)院電工電學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心已設(shè)有“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”和“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”兩門課程，分上、下學(xué)期進(jìn)行。在兩門實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，存在知識(shí)點(diǎn)“孤立”的教學(xué)，忽視了知識(shí)點(diǎn)的有機(jī)融合問(wèn)題。所以本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)開發(fā)了“模數(shù)混合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”，使學(xué)生對(duì)電子技術(shù)理論知識(shí)理解更加透徹，提高他們對(duì)模擬、數(shù)字電子技術(shù)的綜合認(rèn)識(shí)；使他們能夠獨(dú)立分析和理解模數(shù)混合系統(tǒng)，并能自行設(shè)計(jì)和調(diào)試模數(shù)混合電路，從而顯著提高其工程實(shí)踐能力。將傳統(tǒng)理論知識(shí)和最新電子信息技術(shù)的發(fā)展結(jié)合更加緊密，真正地達(dá)到庖丁解牛和觸類旁通的效果[1-2]。

1 模/數(shù)混合實(shí)驗(yàn)選題背景

隨著集成電路的迅速發(fā)展，可編程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)品種眾多，技術(shù)成熟。如單片機(jī)、DSP和FPGA等，但此類產(chǎn)品均實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的集成控制，本項(xiàng)目為模數(shù)混合電路實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，選擇了全球知名的半導(dǎo)體公司——美國(guó)Cypress公司開發(fā)的 PSoC實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)。PSoC是一種集微控制器、可配置可編程模擬陣列、可配置可編程數(shù)字陣列和存儲(chǔ)器為一體的片上系統(tǒng)，充分滿足了本項(xiàng)目——模擬/數(shù)字混合實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)要求。學(xué)生通過(guò)對(duì)“模數(shù)混合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，既能鞏固電子技術(shù)理論知識(shí)，又能滿足所學(xué)電子技術(shù)在社會(huì)中的發(fā)展需求。利用PSoC對(duì)綜合實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行開發(fā)可使所構(gòu)建的電子系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)更加靈活，設(shè)計(jì)成本大大降低[3-4]。

其次，為提高學(xué)生對(duì)電子技術(shù)的總體認(rèn)識(shí)，“模數(shù)混合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目?jī)?nèi)容應(yīng)涵蓋“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”和“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”所涉及內(nèi)容，并充分結(jié)合專業(yè)方向和實(shí)際應(yīng)用，以提高學(xué)生對(duì)模數(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的興趣和積極性[5]。初次進(jìn)行模數(shù)混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)，題目難度應(yīng)當(dāng)適中?！澳?shù)混合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目除了要求學(xué)生獨(dú)立分析和理解模數(shù)混合系統(tǒng)，自行設(shè)計(jì)和調(diào)試模數(shù)混合電路，還要求學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握PSoC平臺(tái)，及可編程器件內(nèi)部函數(shù)和控制電路程序設(shè)計(jì)[6]。

2 模/數(shù)混合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容介紹

本文模數(shù)混合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為本科二年級(jí)，醫(yī)學(xué)與信息系統(tǒng)專業(yè)學(xué)生設(shè)置，結(jié)合其專業(yè)特色，使綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目更加貼近學(xué)生的日常生活，所以模數(shù)混合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選定為“基于PSoC的脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)”。該課程包括教師講解和學(xué)生實(shí)踐兩個(gè)部分。在教師講解中主要包括脈搏測(cè)量?jī)x電路設(shè)計(jì)和PSoC 3.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)的介紹。

圖1 脈搏測(cè)量?jī)x電路設(shè)計(jì)框圖

脈搏測(cè)量?jī)x的電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要包括心率測(cè)量和血壓測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分。其中，心率測(cè)量是單位時(shí)間內(nèi)脈搏跳動(dòng)次數(shù)的測(cè)量；而血壓計(jì)則是通過(guò)充氣袖套阻斷上臂動(dòng)脈血流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在袖套充氣的過(guò)程中，在氣袖壓力上將重疊與心搏同步的壓力波動(dòng)。當(dāng)氣袖壓力遠(yuǎn)高于收縮壓時(shí)，脈搏波消失，隨著袖套壓力下降，脈搏波開始出現(xiàn)；當(dāng)袖套壓力從高于收縮壓降到收縮壓以下時(shí)，脈搏波會(huì)突然增大，直到平均壓力達(dá)到最大值，然后又隨袖套壓力下降而衰減。血壓測(cè)量就是根據(jù)脈搏波振幅與氣袖壓力之間關(guān)系來(lái)估算血壓的，與脈搏波最大值對(duì)應(yīng)的是平均值，收縮壓和舒張壓分別由對(duì)應(yīng)脈搏波最大振幅的比例來(lái)確定[7-9]。

3 基于PSoC的脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)原理

1)傳感器電路設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選擇SC0073壓力傳感器作信號(hào)采集。由于選用電阻式壓力傳感器，輸出是微弱的壓力差信號(hào)，所以在信號(hào)采集前端選用典型的三運(yùn)放儀表放大器電路。

2)心率測(cè)量電路設(shè)計(jì)

心率測(cè)量電路主要由積分比例放大電路和整形電路組成。經(jīng)過(guò)三運(yùn)放儀表放大器電路后的輸出信號(hào)峰值大概在300 mV范圍內(nèi)，將該信號(hào)作為積分比例放大電路輸入，提高了脈搏跳動(dòng)次數(shù)記錄的準(zhǔn)確性。

3)血壓測(cè)量電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)放大后得到的壓力信號(hào)滿足PSoC 3.0的A/D輸入范圍，接下來(lái)需要將壓力傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波，分離出袖帶壓信號(hào)和脈搏波信號(hào)。所以要分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波電路，濾波電路的任務(wù)就是從噪聲中提取袖帶壓信號(hào)和脈搏波信號(hào)，并將它們調(diào)整到適當(dāng)?shù)碾娖捷斎虢oA/D轉(zhuǎn)換電路[10-12]。

4)PSoC控制電路設(shè)計(jì)部分

在PSoC控制電路設(shè)計(jì)部分中，主要包含ADC電路和計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)，LCD液晶顯示直接驅(qū)動(dòng)和控制時(shí)鐘調(diào)用。

ADC電路設(shè)計(jì)中PSoC 3.0包含一個(gè)Δ-∑ADC。ADC提供了差分輸入，具有高分辨率和良好的線性度，該ADC可用于聲音信號(hào)處理和測(cè)量方面的應(yīng)用。表1給出了不同ADC分辨率下的采樣速度和SNR值。

表1 ADC性能

輸入緩沖區(qū)(input buffer)連接到ADC的內(nèi)部和外部總線輸入復(fù)用開關(guān)上。來(lái)自輸入復(fù)用開關(guān)上的信號(hào)直接或者通過(guò)緩沖區(qū)傳遞到Δ-∑調(diào)制器。Δ-∑執(zhí)行真正的模擬-數(shù)字的轉(zhuǎn)換。調(diào)制器通過(guò)采樣輸入，產(chǎn)生串行的比特流輸出。高速數(shù)據(jù)流對(duì)大多數(shù)應(yīng)用是沒(méi)有意義的，所以在后級(jí)加入抽取器。抽取器將高速的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成并行的ADC結(jié)果。抽取器控制分辨率和采樣率；輸出是最后的4個(gè)采樣函數(shù)。當(dāng)輸入多路復(fù)用開關(guān)被切換，輸出的前3個(gè)采樣函數(shù)是無(wú)效的，直到開關(guān)切換后的第4個(gè)采樣函數(shù)才是有效的。

通過(guò)往控制寄存器寫啟動(dòng)位或者發(fā)送開始轉(zhuǎn)換信號(hào)(start of conversion，SoC)，啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束，設(shè)置一個(gè)狀態(tài)位，并且轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)(end of conversion, EoC)為高電平，這個(gè)信號(hào)一直保持到CPU或DMA讀取轉(zhuǎn)換值為止。

濾波后，將得到兩路信號(hào)，選擇采用單次采樣工作模式。在觸發(fā)器作用下，執(zhí)行單次采樣。在該模式下，ADC在待機(jī)模式下等待SoC信號(hào)有效。當(dāng)SoC有效，ADC執(zhí)行一次采樣轉(zhuǎn)換，并捕獲結(jié)果。為了檢測(cè)EoC，系統(tǒng)可以輪詢一個(gè)控制寄存器或者配置外部的EoC信號(hào)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)中斷或者調(diào)用DMA請(qǐng)求。當(dāng)傳輸完成后，ADC進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直到下一個(gè)SoC事件。

4 數(shù)據(jù)測(cè)試

4.1 心率測(cè)量電路設(shè)計(jì)

由于輸入到PSoC計(jì)數(shù)器中的信號(hào)是邏輯電平，即高低電平，不能有負(fù)值且高電平的值不能高于PSoC的工作電壓，以防止燒壞板子。于是采用加法器將低電平設(shè)定在0左右，并將高電平的值縮小?？紤]到誤差和方波的峰值，將加入的彌補(bǔ)電壓U1的系數(shù)a設(shè)定為1/1.5，所以由加法電路的計(jì)算公式得出R7=R9=10 kΩ，R8=15 kΩ。

(a)心率測(cè)試電路

(b)心率測(cè)試仿真波形

對(duì)圖2(a)的心率電路仿真，產(chǎn)生如圖2(b)的心率仿真波形圖，該波形為Vmax=3.566 V，Vmin=-464.466 mV，滿足PSoC的計(jì)數(shù)器中的輸入信號(hào)基本要求。

4.2 血壓測(cè)量電路

1)帶通濾波電路：設(shè)計(jì)帶通濾波電路需要考慮上下限頻率及其衰減速度。根據(jù)文獻(xiàn)[8，10]中所提供的相關(guān)數(shù)據(jù)在血壓測(cè)量電路中，本文將上限頻率選為6 Hz，下限頻率選為0.6 Hz左右。選用474型電容，根據(jù)所要求的頻率上下限，計(jì)算得到低通電阻為21 kΩ，高通電阻為500 kΩ。

(a)帶通濾波電路

(b)帶通濾波仿真波形

(c)帶通濾波幅頻響應(yīng)圖3 帶通濾波電路仿真測(cè)試

根據(jù)圖3(a)設(shè)計(jì)的帶通濾波器，在輸入端加入正弦信號(hào)f1=10 Hz，VP-P=500 mV和正弦信號(hào)f2=600 MHz，VP-P=1 V的疊加信號(hào)，然后通過(guò)軟件仿真，輸出波形如圖3(b)所示，再根據(jù)軟件中的波特測(cè)試儀對(duì)帶通濾波器中低通和高通進(jìn)行了幅頻分析圖3(c)，該濾波器在接近3 dB截止角頻率處的fH=6.036 Hz，fL=602.541 MHz，基本滿足設(shè)計(jì)要求，可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

2)低通濾波電路：設(shè)計(jì)低通濾波電路需要考慮上限頻率及衰減速度。上限頻率選在0.6 Hz左右。由fh=1/2πRC得，取C=0.47 nF，則R=1 MΩ。由于二階濾波衰減速度較慢，故選用四階濾波。

(a)低通濾波電路

(b)低通濾波仿真波形

(c)低通濾波幅頻響應(yīng)

3)PSoC3.0中ADC和Counter電路設(shè)計(jì)

在工作面板下添加并配置Δ-∑ADC的步驟，如圖5所示。

①拖動(dòng)DeltaSigmaADC器件并將其放置于原理圖內(nèi)(ComponentCatalog->Analog->ADC->DeltaSigmaADC)。

②雙擊原理圖內(nèi)的ADC_DelSig_1器件打開配置窗口。

③在Configure標(biāo)簽內(nèi)進(jìn)行配置

計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)：運(yùn)用PSoC3.0所包含的Timer(定時(shí)器)和Counter(計(jì)數(shù)器)，即可滿足對(duì)心率計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)，記錄時(shí)間為1min。

圖5 血壓測(cè)量ADC設(shè)計(jì)與心率測(cè)量設(shè)計(jì)電路

表2 各血壓測(cè)試樣本

5 結(jié)束語(yǔ)

本次模數(shù)混合實(shí)驗(yàn)的開展讓學(xué)生對(duì)模/數(shù)混合系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更加深刻的理解，拓展了學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，使學(xué)生綜合技能得到了鍛煉，并為電子類設(shè)計(jì)大賽打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。尤其在PSoC開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)獨(dú)立學(xué)習(xí)、 討論等開放性學(xué)習(xí)模式，掌握了PSoC軟件運(yùn)用。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將傳統(tǒng)理論知識(shí)和最新電子信息技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容貼近生活，讓學(xué)生真正將理論與實(shí)際相結(jié)合，緊跟未來(lái)電子信息技術(shù)發(fā)展潮流。

[1]張國(guó)雄.測(cè)控電路[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4版.高等教育出版社.1989.

[3]何賓.可編程片上系統(tǒng)PSoC設(shè)計(jì)指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2011.

[4]何賓，李寶隆.模擬與數(shù)字系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)權(quán)威指南[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2014.

[5]王美玲,郝艾芳,江澤民.通過(guò)實(shí)踐教學(xué)的改革提高大學(xué)生電子技術(shù)創(chuàng)新能力[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,20(S1):49-51.

[6]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.

[7]廉小親,金亮.基于脈搏傳感器的家用智能心率監(jiān)控系統(tǒng)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,35(II):245-247.

[8]張凌飛,劉承橋,王巖.簡(jiǎn)易人體脈搏信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)[J].科技信息,2011(11):103-104.

[9]劉寶華.一種新型電子血壓計(jì)的研制[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,29(1)：60-63.

[10]何春芬，張玲，何偉.基于模數(shù)混合FPGA的便攜式電子血壓計(jì)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展.2009,19(9)：164-167.

[11]BALL-LLOVERA A,DEL REY R，RUSO R,et al.An Experience in implementing the oscillometric algorithm for the non-invasive determination of human blood pressure[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology-Proceedings,2003(4):3173-3175.

[12]KIM T K,CHEE Y J,LEE J S,et al.A new blood pressure measurement using dual-cuff[J].Computer in Cardiology,2008(35):165-168.

The Development of the Hybrid Experiment Project Based on PSoC 3.0

YIN Yue, ZHANG Xiaodong, ZHOU Qun,

(College of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chendu 610065, China)

Aimed at the current situation that “simulation” and “digital” two parts of knowledge points in traditional electronic technology experiment teaching are relatively isolated, combining with the latest development trend of the electronic information technology, this paper exploratory innovates the experiment teaching of electronic technique through the development of analog / digital hybrid system experimental projects.Based on the design of the on-chip programmable system PSoC 3.0 simple type pulse measurement instrument, this paper realizes the integrated application of analog/digital electronic technology experiment, puts forward a new idea of experimental teaching reform which can combine the students’ practical ability and creative thinking ability, and improve the students’ comprehensive utilization ability for electronic technology knowledge points.

analog electronic technology; digital electronic technology; analog / digital experiment; pulse measurement

2015-09-16；修改日期:2015-10-26

四川大學(xué)2015年實(shí)驗(yàn)技術(shù)立項(xiàng)。

印月(1984-)，女，碩士，工程師。主要電工理論及新技術(shù)研究的工作。

TN702

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.007