微机原理与接口技术电子琴设计报告.docx

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微机原理与接口技术电子琴设计报告

微机原理与接口技术课程设计

基于8086系统的电子琴设计报告

05级电子信息工程2班

杨锡乐

学号:

0504030223

参与成员:

田友详、李丽华

一、设计任务及要求

1.以8255接八个开关K1~K8,做电子琴按键输入。

2.以8253控制扬声器,拨动不同的开关,发出相应的音阶。

要求:

K1—静音

K2—发si的音493Hz

K3—发la的音440Hz

K4—发sol的音392Hz

K5—发fa的音349Hz

K6—发mi的音329Hz

K7—发re的音293Hz

K8—发do的音261Hz

二、方案比较和认证

通过8255和8253来实现电子琴模拟,主要可以分成两部分,分别为输入部分和发音部分。

输入部分主要是由8255和8个常开型开关来完成。

常开型开关如右图。

8个常开型开关K1~K8与8255的A口PA0~PA7相接,不触动开关时,为高电平输入,当按下开关时,就接地,为低电平输入。

例如当K1键按下时,从8255中A口输入的数为11111110B,十六进制为0FEH。

每一个开关按下时,都对应一个ASCII码,如下表所示:

开关K1K2K3K4K5K6K7K8

对应数据0FEH0FDH0FBH0F7H0EFH0DFH0BFH7FH

对应频率静音493Hz440Hz392Hz349Hz329Hz293Hz261Hz

输入部分的硬件实现比较简单,所以说主要还是在发音部分。

在设计中驱动扬声器地声的主要有两种方式,分别是以位触发和定时器控制。

下面就这两种不同的方式确定两个不同的设计方案。

方案1:

发声采用位触发方式。

电路原理图如下所示。

程序直接控制PPI（8255可编程序外围接口芯片的输出控制寄存器（I/O端口为61H的第一位,使该位按所需的频率进行1和0的交替变化,从而产生一串脉冲控制波形,这些脉冲经过放大后驱动扬声器发出声音。

可以利用软件延时来控制所产生的脉冲波形的长度和脉宽,就可以实现产生不同频率和不同音长的声音。

软件实现的程序如下:

INAL,61H

MOVAH,AL

ANDAL,0FCH;关断定时器通道2的门控

SOUND:

XORAL,2;触发61H端口第1位

OUT61H,AL

MOVCX,DX;（DX=控制脉冲的计数值

WAIT:

LOOPWAIT;延时循环

DECBX;（BX=脉冲持续的时间

JNZSOUND

MOVAL,AH

OUT61H,AL;恢复61H端口

在本方案中,通过程序的方法来控制PB1,使其在1和0之间按一定的频率变,从而产生一串脉冲。

控制

脉冲宽度的计数值的算法如下:

计数值=2801*100/音频

如果音频为f,则脉冲周期1/f一个半波的时间为1/2f秒,而1/2f秒的延时可简单地通过LOOP指令的循环来取得,由于2801次LOOP指令循环执行所需时间是10MS,所以一秒钟时间约执行2801*100次LOOP指令。

控制脉冲宽度的计数值的实现程序如下:

MOVAX,2801

MOVBX,50;频率不同该值就不同

MULBX

DIVDI;（DI=f

MOVDX,AX;（DX=1/2f

算出了脉冲宽度,再通过高低电平的不断变换,就可实现不同频率的脉冲方波。

把此方波经滤波放大即可驱动扬声器发声了。

方案2:

利用定时器发声。

这里是通过硬件即8253定时器产生声音。

CUP通过对定时器的通道2进行编程,使其I/O寄存器接收一个控制声音频率的16位计数值,端口61H的最低位控制通道2门控的开断,以产生特殊的音响。

当定时器接收的计数值为533H时,能产生896Hz的声音,因此产生其他频率的计数值就可由下式计算:

计数值=533H×896÷f=1234DCH÷f

在送出频率计数值之前,还要给方式寄存器送一个方式值,该数决定对哪一个通道编程,采用什么模式,送入通道的计数值是一字节还是两字节,是二进制码还是BCD码。

其位组合的格式如下:

当通道2用于发声时,采用的是模式3,在模式3下,输出线为“1”和为“0”的时间各占计数时间的一半,因而产生一系列间隔均匀的脉冲。

产生指定频率声音的程序段如下:

MOVAL,0B6H

OUT43H,AL;43H为8253的控制字端口

MOVDX,12H

MOVAX,34DCH

DIVDI;（DI=频率

OUT42H,AL;42H为8253的通道2端口

MOVAL,AH

MOV42H,AL

从定时器输出的方波信号,经功率放大和滤波后驱动扬声器。

送到扬声器的信号还受到了从并行接口芯片8255（端口地址为61H来的双重控制,端口61H的最低位控制通道2的门控开断,以产生特殊的音频信号,端口61H的PB1位和定时器的输出信号同时作为与门的输入,PB0和PB1位可由程序决定为0还是为1。

显然只有PB0和PB1都是1时,才能使扬声器发出声音。

控制音长的时间可以简单地通过反复执行指令来得到。

我们知道执行2801次LOOP指令约需要10MS的时间。

因此用10MS的倍数值来控制扬声器开关的时间间隔,就可控制发声的音长短了。

实现程序如下:

INAL,61H

MOVAH,AL

ORAL,3

OUT61H,AL;开扬声器

L:

MOVCX,2801

DY:

LOOPDY

DECBX

JNZL

MOVAL,AH

OUT61H,AL;关扬声器

下图是利用定时器发音的电路图:

方案比较:

在上述两个方案中,输入部分都是一样的。

区别在于以不同的方式来驱动扬声器发声。

经对比可知,两种方案都各有优缺点。

在方案1中,其优点是电路简单,所用的器件芯片少,主要芯片只有需一片8255,产生方波是通过软件来实现的,易于修改和维护。

然而它也存在一定的缺点,就是系统不断地通过软件来产生方波,系统资源被占用,无法再做其它事。

与方案1相比,方案2增加了一个8253芯片和一个与门,虽然电路比方案1复杂,但通过定时器产生方波,实现起来比较简单,而且也不会出现系统资源被全部占用的情况。

经分析,选择方案2进行设计。

三、系统原理与单元设计

总体设计

1.用PC机的键盘数字键对应电子琴的8个琴键。

2.8255和8253配合构成音频发生器。

8255的PA0口控制扬声器的开关,8253控制扬声器的发声频率。

3.音频信号经LM386放大后,驱动扬声器

经过分析对比上述的两种方案可知,选取方案2是比较合理的。

下面就方案2来分析一下整个系统的工作原理。

前面已经提到,整个电路分成输入和发音两大部分。

主要的器件有一个并行接口8255,和一个8253定时器。

输入部分的硬件原理图比较简单,如下图所示的为输入电路,其主要是由8个常开型开关和一个并行接口8255组成。

由图中可看到,8个开关一端接地,另一端接到8255的A口输入,并且通过一个电阻接到+5V。

因此,在开关不按下时,从8255A口输入的是高电平,当开关按下时,输入的则是低电平,这样通过低电平触发,既方便也对芯片起保护作用。

如下表,当不同的开关按下时,从A口输入就对应一个8位的数据。

开关K1K2K3K4K5K6K7K8

输入数据0FEH0FDH0FBH0F7H0EFH0DFH0BFH7FH

开头控制电路

通过软件检测输入的数据,然后给8253送相应频率的计数值。

检测的程序如下:

INAL,60H;从8255A口输入一个数据

CMPAL,0FEH

JZK1;K1—K8分别为不同程序断的标号

CMPAL,0FDH

JZK2

CMPAL,0FBH

JZK3

CMPAL,0F7H

JZK4

CMPAL,0EFH

JZK5

CMPAL,0DFH

JZK6

CMPAL,0BFH

JZK7

CMPAL,7FH

JZK8

4、对于发音部分,PC机上的大多数输入/输出（I/O都是由主板上的8255（或8255A可编程序外围接口芯片（PPI管理的。

PPI包括3个8位寄存器,两个用于输入功能,一个用于输出功能。

输入寄存器分配的I/O端口号为60H和62H,输出寄存器分配的I/O端口号为61H。

由PPI输出寄存器中的0、1两位来选择扬声器的驱动方式。

如下图。

连接到扬声器上的是定时器2,GATE与端口61H的PB0相连,当PB0=1时,GATE2获得高电平,使定时器2可以在模式3（方波下工作。

定时器2的OUT2与端口61H的PB1通过一个与门与扬声器的驱动电路相连。

当PB1=1时,允许OUT2的输出信号到达扬声器电路。

因此,只有PB0和PB1同时为“1”时,才能驱动扬声器地声。

通过以下指令实现:

INAL,61H

ORAL,3

OUT61H,AL

上面的指令用以打开扬声器,如要关闭扬声器时则为:

ANDAL,0FCH

OUT61H,AL

当从8255中采集到输入的数据时,需要确定相应的频率,所以在软件编程时要建立一个数据表:

TABLEDW493,440,392,349,329,293,261

把相应的频率送到一个寄存器上,通过公式:

计数值=533H×896÷f=1234DCH÷f

算出计数值,再把算得的计数值送给8253,就可产生所要频率的方波。

在把计数值送8253前,必须先把8253进行初始化:

MOVAL,0B6H

OUT43H,AL

使其选用通道2,工作在方式3下。

就整个电路而言,接好电路后,通过软件编程不断地采集从8255口中输入的信号,而8个开关都接在8255的A口上,只要有开关按下,就会采集到一个数据,根据这个数据与事先编好的表对应,得到一个计数值,把这个计数值送给8253的通道2,8253的通道2工作的方式3下,这样就可以产生满足频率要求的发声方波。

这个方波经驱动放大就可以使扬声器发出相应的声音。

所以8255在这里完成两个任务,它不仅从A口中采集到数据,而且B口的PB1和PB0两个位要控制发声。

8253的主要任务就是产生所要求发声的不同频率的方波。

5、本设计中所采用的方案2的硬件I/O接译码连线图如下:

在设计过程中,独立编址时,用地址线的低位A2、A3、A4和控制信号AEN进行组合产生I/O接口电路的片选信号（CS,用地址线的低位A0、A1直接连到I/O接口芯片实现端口的选择。

在此采用的是译码器译码,电路图如下所示,经过74LS138译码后,输出作为8253的片选信号（CS,即其端口地址40H~43H。

输出作为8255的片选信号（CS,即其端口地址为60H~63H。

四、软件思想与流程图

软件部分对整个系统来说起着重要的作用,在本电子琴系统中,软件可以分为三部分,主程序部分,发音子程序部分和延时子程序部分。

主程序的流程图如下:

发声程序包括3个步骤:

（1在8253中的42端口送一个控制字0B6H（10110110B,该控制字对定时器2进行初始化,使定时器2准备接收计数初值。

（2在8253中的42H端口（Timer2装入一个16位的计数值（533H×895/频率,以建立将要产生的声音频率。

（3把输出端口61H的PB0、PB1两位置1,发出声音。

以下是发声子程序的流程图:

我们知道LOOP指令执行2801次的时间为10ms,所以延时子程序则很简单,只需要反复执行LOOP指令就可实现,并且所得到的延时时间为10ms的倍数。

附图1:

关键元件的封装

74LS00四与门芯片

二分频芯片74LS74

74LS138译码芯片扬声器驱动芯片LM386