实验题目：基于 PSOC 的节日音乐彩灯触屏控制系统

1. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否有不同层次的要求

设计任务：基于 PSOC 模数混合系统实验平台，分模块设计并实现由触摸屏控制的音乐播放，并随着播放音乐LED 点阵花型变换的音乐彩灯系统。

分模块设计：

1. 音频输出模块：应用模拟电路的功率放大和滤波知识设计音乐播放功能的硬件电路。2) LED 点阵变换显示模块：设计 PSOC 单芯片与 LED 4 组 $8 { * 8 }$ 点阵的连接电路图，并应用数字电路知识及C 语言设计实现控制LED 点阵图像的变换（花型自行设计）。3) SD 卡数据存取模块：设计 PSOC 单芯片与 SD 卡的连接电路图，并应用 C 语言编程实现SD 卡内存数据的存储和读取，实现存储不同的音乐曲谱功能。4) 液晶触摸屏模块：设计 PSOC 单芯片与液晶触摸屏连接电路图，并应用 C 语言编程实现液晶屏显示图形界面，并可以通过触摸控制来实现切换不同歌曲的功能。5) PSOC 模块：采用PSOC 芯片作为MCU 来实现对整个系统的控制，包括SD 卡内存文件读取，液晶触摸屏的驱动，LED 点阵变换的控制，以及音频信号的输出。

每个模块可以独立完成并验收；也可以完成各模块间的系统连接，最终实现由触摸屏控制音乐播放及 LED 点阵花型随音乐变换的控制过程。

针对不同专业，受学时和教学内容的限制，可以适当裁剪以满足不同层次，不同专业的需求。

探究创新：增加 Capsense 模块，利用触摸按键检测手指的触摸状态，实现节日音乐彩灯触屏控制系统的播放，暂停的功能，利用触摸滑条实现对手指触摸位置的检测，从而实现音乐进度控制的功能。（或其他自行设计功能的添加）

2. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在自学预习、思考讨论、设计电路、软件仿真、构建平台、选择器件、设计过程、设计表格、观察现象、测试数据、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

本实验是一个比较完整的系统设计实践过程，需要经历查阅资料，自主学习PSOC技术，方案构思及论证，系统设计，模块分析实现，系统统调，总计归纳，交流分

享的几个部分，具体要求：

1）学习PSOC 概念，结构，开发工具和设计流程，掌握IP 核和设计复用技术，学习PSOC 器件电气特性和 PSOC 实验平台外围器件的设置，掌握 PSOC 内多个模拟资源的使用，软件和硬件的协同设计，以及最新触摸感应技术的应用。
2）广泛查阅资料，了解音频文件的格式及处理，了解音频信号的频率范围，考虑在系统实现过程中是否需要滤波电路及滤波方案。
3）采取自上而下的构思方法，对实验要求进行总体设计及方案论证，选择最合适的设计方案进行分析实现。
4）分工完成各模块的功能。画出硬接线电路图和程序流程框图，编写实现功能的代码。
5）完成系统统调，各模块之间的硬线连接及软件调试。
6）撰写实验总结报告，总结所应用到的知识点,给出系统框图及各模块硬接线电路图和控制流程图，列出主程序（包含主要注释），分析实验过程中遇到的问题及解决方法。
7）总结交流设计思路及成果。

3. 相关知识及背景（限 150 字）

实验涉及知识、方法、技能

本实验是利用具有数模混合特点的PSOC 嵌入式设计技术，融合大二学习的模拟和数字电路、C 语言编程等课程知识，设计的软硬件结合模数混合系统，以此为载体将创新性、趣味性和探究性注入实验项目。完成该实验需要对 PSOC 系统的构成，原理和应用进行自主学习，应用模拟知识的放大电路、滤波，以及数字电路的D/A 转换、LED 显示等知识设计，应用 C 语言对 PSOC 中功能块调用及 IP 内核控制编程，实现了各功能模块的分步控制及系统统调的过程。

4. 教学目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

通过应用“单芯片”内模拟和数字全混合阵列的 PSOC 实验平台，实现模数混合、软硬件结合这种全线设计的实验对象，完成音乐节日彩灯控制系统，让学生体会到在“单芯片”上实现一个完整的系统设计。引导学生接触电子技术的前沿知识，拓宽学生的学术视野。

5. 实验教学与指导

实验前讲课内容，如：知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的指导或引导。设计指导：

1）课前布置实验任务，3 人一组，由一名组员主导。采取组内讨论研究方案，按模块分工设计，老师指导答疑的实验模式。
2）指导学生采用自上而下的设计方法：从任务要求出发，按照各功能模块要求设计，分工调试完成后，再级联成系统，实现完整的功能。
3）要求学生按照实验指导书学习 PSOC 实验平台结构及用法，重点掌握本实验涉及的 LCD 触摸屏触摸显示、DAC 转换、SD 卡采集、LED 点阵显示、功放电路各模块的内部结构和用法。
4）引导学生网查资料了解音频信号的频率和幅值范围。思考音频信号的存储和读取方法。
5） 针对实验要求，根据输出信号的需要考虑 D/A 转换模块调用，并考虑模块的参数设置。
6）根据 D/A 转换模块输出的幅值及功放模块输入信号幅度的限制范围的考虑怎样连接驱动功放模块。
7）根据音频信号频带及 D/A 转换模块输出的波形考虑设计滤波电路，分析滤波电路频带选择及参数计算。
8）引导学生探究思考怎样控制在触摸屏上显示图案，数据怎样调用和处理？怎样实现触摸点的识别？
9）要求学生认真研究实验平台上功放模块的原理及其输入输出信号的参数，思考本实验怎样控制音乐的播放。
10）引导学生探究设计 LED 点阵的花型图案，并实现随着音频信号变化如何控制花
型的变化。
11）要求学生画出实现各模块功能方案，硬接线电路图及程序流程图，再用 C 语言
编写控制程序。
12）引导学生探究若应用其它方法完成此实验的方案和元器件的选择，对比应用
PSOC的先进性体现。

6. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法 、完成实验任务的思路方法，可能采用的技术 ，可能采用的技术、电路、器件。

1）系统结构

本系统主要分为以下五个部分：PSOC 模块，液晶触摸屏模块，SD 卡模块，LED 点阵模块，音频输出模块：

PSOC 模块是本系统的核心模块。本系统采用赛普拉斯公司的PSOC 芯片作为MCU来实现对整个系统的控制，包括文件读取，液晶触摸屏的驱动，LED 点阵显示的驱动，以及音频信号的输出。

液晶触摸屏模块是用来直接与用户交互的模块。通过液晶屏显示的图形界面，来实现切换不同歌曲的功能。

SD 卡模块是用来存储不同的音乐曲谱的模块。根据用户选择不同读取相应文件进行播放。

$\bullet$ LED 点阵模块可以根据当前乐曲音调的高低，显示不同的图形，给用户一个直观的感受。本模块采用 HT1632C 芯片对 LED 点阵进行驱动。

音频输出模块主要由功放芯片 pam8403，滤波电路和喇叭组成，对 PSOC输出的音频信号进行放大滤波后经由喇叭播放。

2）实现方案

本系统 psoc 实现如下（参考）：

图 6.1 PSOC 实现

系统中主要调用了 PSOC 的以下功能模块：

$\bullet$ 图形 LCD 显示模块（GraphicLCDIntf），实现 LCD 显示屏进行驱动。

$\bullet$ 电阻式触摸屏驱动模块（ResistiveTouch），电阻式触摸屏的驱动，实现触摸控制与检测。

$\bullet$ SD 卡模块（emFile），实现 SD 卡与 PSOC 芯片间的通信。

$\bullet$ LED 点阵驱动模块（LED），PSOC 与 HT1632C 芯片间的通信，驱动点阵。

$\bullet$ 模数转换器模块（VDAC8），进行模数转换，将系统中的数字信号转化为模拟信号的波形即音乐信号进行输出。

模块硬件连接线图：

图 6.2 psoc 模块

图 6.3 LCD 触摸屏模块

图 6.4 SD 卡模块

图 6.5 LED 点阵模块

图 6.6 音频输出模块

软件编程流程图参考：

7. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

1）设计总体实验方案，并对本方案的可实施性进行论证，画出实验系统控制框图。
2）设计符合实验要求的各模块控制电路图，并分析各参数选择的依据。
3） 主程序控制流程框图。
4） 实现各模块的程序核心代码。重点程序要有注释，
5） 分析在实现过程中所遇到问题和解决方案。
6） 总结本人在合作实验中完成的工作及应用到的知识点。
7） 总结整体实验所用到的理论知识；
8） 思考：若不使用 PSOC 平台，能否实现本课题的功能？还可以有哪些方案？对比
方案，总结不同方案的优缺点，并提出建议。

8. 考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

考核分以下 8 个部分考查。具体分值如下表

【注】 根据不同层次实验内容，分配不同的权重，满足基本要求的权重为0.8，若选做探究内容增加0.2 权重。

9. 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

特色：

先进性： 引入数模混合片上系统 PSOC 前沿电子技术，实现模块设计、系统综合调试的实验过程，拓宽的学生学术视野和实验手段，为实验教学开拓了一个全新的窗口；

创新：

1. 声光效果的实现增加实验的趣味性和学生的成就感，激发学生运用所学知识自主设计的积极性；

2. 模块化设计可以实现分层教学，有的放矢的训练每位学生的工程素质。

3. 探究其他实现的方法，提升学生的思维创新意识。

实验案例信息表