嵌入式简易电子琴系统设计报告.docx

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嵌入式简易电子琴系统设计报告

1绪论

1.1综合设计目的

通过本次综合设计，运用已学的课程知识，根据题目要求进行软硬件系统的设计和调试,对《嵌入式系统原理与应用》课程中涉及的芯片结构、控制原理、硬件和编程等方面有一定的感性认识和实践操作能力，从而加深对本课程知识点的理解，使应用知识能力、设计能力、调试能力以及报告撰写能力等方面有显著提高。

1.2简易电子琴简介

电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，它在现代音乐中扮演着重要角色。

1.2.1电子琴在中国的发展

在中国，1958年北京邮电学院研制了一台电子管单音电子琴。

由于种种原因，至1977年后，我国才大批生产电子琴。

1989年，我国年产儿童电子琴200万台，并出口39万台。

中国的电子琴事业正在迅速发展。

电子琴发展很快，琴的各项功能日趋完善。

音色和节奏有最初的几种发展到现在的几百种。

除寄存音色外，还可通过插槽外接音色卡。

合成器的某些功能，如音色的编辑修改、自编节奏、多轨录音、演奏程序记忆等也运用到电子琴上。

1.2.2电子琴发明的意义

电子琴的发明具有重大的意义：

（一）电子琴的发明极大地推动了流行音乐的发展；

现代的流行音乐离不开电子琴，键盘手一般是现代电声乐队的中坚力量。

（单排键）电子琴、电吉他、架子鼓是流行音乐的三项主流乐器。

（二）电子琴的发明使人们可以演奏出未曾拥有的音色，丰富了人们情感的表现；电子琴创造出了许多其他乐器无法演奏出的音色，甚至自然不存在的音色，这些音色帮助了人们通过音乐表现自己的情感，在很多电视节目或者音乐作品中都有运用。

（三）电子琴的发明推动了音乐的普及，它让音乐真正成为了大众的音乐，成为了人类社会不可缺少的东西。

电子琴是目前用于音乐普及教育和音乐素质培养最多的乐器，它的经济性为他在普通家庭中的普及带来了可能。

电子琴作为科技与音乐的产物，在信息化和电子化的时代，为音乐的大众化做出了不可磨灭的贡献，现代歌曲的制作，很多都需要电子琴才能完成，然后才通过媒介流传开来，电视剧电影插曲、电视节目音效、甚至你的手机铃声，都很可能包含电子琴的身影。

1.2.3电子琴的电学原理

现在的电子琴一般使用PCM或AWM采样音源。

所谓采样就是录制乐器的声音，将其数字化后存入ROM里，然后按下键时CPU回放该音。

甚至有一些高级编曲键盘可以使用外置采样。

现代电子琴并非“模仿”乐器音色。

它使用的就是真实乐器音色。

当然，现在力度触感在电子琴里是必备的。

而且现代电子琴还加上了老式电子琴的滤波器，振荡器，包络线控制来制造和编辑音色。

甚至也带上了老式电子琴的FM合成机构。

1.3芯片简介

1.3.1LM3S2110微控制器

本次设计任务所要使用到的微控制器是德州仪器（TI）公司提供的LM3S2110微控制器，这款微控制器是基于ARMCortex-M3内核的微控制器，它为对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。

该Stellaris系列芯片能够提供高效的性能、广泛的集成功能以及按照要求定位的选择，适用于各种关注成本并明确要求具有的过程控制以及连接能力的应用方案。

1.3.2ARMCortex-M3处理器内核

Cortex-M3内核主要是应用于小管脚数、低成本和低功耗的场合，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力。

Cortex-M3采用了新型的单线调试技术，专门拿出一个引脚来做调试，节约了大笔的调试工具费用。

同时，Cortex-M3可以直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍，因此其发展趋势亦不容小觑。

1.3.3通用输入/输出端口（GPIO）

GPIO模块由8个物理GPIO模块组成，每个对应一个独立的GPIO端口（端口A,端口B,端口C,端口D,端口E,端口F,端口G,和端口H）。

GPIO模块遵循FiRM规范，并且支持11-40个可编程的输入/输出管脚，具体取决于正在使用的外设。

1.3.4脉宽调制器（PWM）

脉宽调制（PWM）是一项功能强大的技术，它是一种对模拟信号电平进行数字化编码的方法。

在脉宽调制中使用高分辨率计数器来产生方波，并且可以通过调整方波的占空比来对模拟信号电平进行编码。

PWM通常使用在开关电源和电机控制中。

StellarisPWM模块由1个PWM发生器模块1个控制模块组成。

PWM发生器模块包含1个定时器，2个PWM比较器，PWM信号发生器，死区发生器和中断选择器。

而控制模块决定了PWM信号的极性，以及将哪个信号传递到管脚。

PWM发生器模块产生两个PWM信号，这两个PWM信号可以是独立的信号，也可以是一对插入了死区延迟的互补信号。

PWM发生模块的输出信号在传递到器件管脚之前由输出控制模块管理。

PWM模块具有极大的灵活性。

它可以产生简单的PWM信号，如简易充电泵需要的信号；也可以产生带死区延迟的成对PWM信号，如供半-H桥驱动电路使用的信号。

2综合设计内容

2.1综合设计题目

简易电子琴

2.2综合设计要求

2.2.1主要内容

利用实验资源实现简易电子琴的功能：

（1）用蜂鸣器发出不同声音；

（2）使用LCD显示器来显示音阶输入的相关信息；

（3）当按下键盘组相对按键，蜂鸣器会发出相对音阶单音，共有两个8度音阶；

（4）至少可以输入16个单音，可以一起演奏出来；

（5）演奏时可以按键中断；

（6）可以实时显示目前演奏的单音码。

2.2.2主要技术指标、要求

（1）充分利用自己设计的开发板的硬件的资源进行设计；

（2）通过调整PWM的周期，改变占空比生产不同频率的信号；

（3）实现按键发出相对音阶单音；

（4）利用1602A动态显示音阶消息。

2.2.3所用设备与器材

（1）ARM2110芯片

（2）4×4矩阵键盘

（3）单片机/嵌入式实践平台的功放模块（即蜂鸣器）

（4）1602LCD液晶显示屏

（5）LED灯模块

3硬件方案

3.1系统硬件的构成与原理

本次设计的简易电子琴系统主要使用到的硬件有LM3S2110微控制器、独立按键、4×4矩阵键盘、LED灯模块、蜂鸣器、LCD液晶显示屏、电源等。

该系统的原理框图如图4.1所示，利用LM3S2110微控制器驱动液晶显示屏、蜂鸣器和LED灯模块；使用独立按键来跳出、停止或开启蜂鸣器播放音乐；使用矩阵键盘来实现简易电子琴的演奏功能；使用LED灯来显示音阶。

3.2ARM2110开发板原理与应用

ARM2110开发板中包含一块LM3S2110微控制器，另外主要可以使用的元器件有：

1个RST键，4个独立按键，通用输入/输出端口（GPIO）。

该开发板的原理电路图见附录一。

3.2.1LM3S2110特性概述

LM3S2110微控制器是针对工业应用方案而设计的，包括远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC和建筑控制、游戏设备、运动控制、医疗器械、以及火警安防。

除此之外，该LM3S2110微控制器的优势还在于能够方便的运用多种ARM的开发工具和片上系统（SoC）的底层IP应用方案，以及广大的用户群体。

另外，该微控制器使用了兼容ARM的Thumb指令集的Thumb2指令集来减少存储容量的需求，并以此达到降低成本的目的。

LM3S2110微控制器与Stellaris系列的所有成员是代码兼容的，这为用户提供了灵活性，能够适应各种精确的需求。

与此同时，它还提供出色的计算性能和优越的系统中断响应能力。

总的来说，其特性包括：

（1）紧凑的内核；

（2）Thumb-2指令集，在通常与8位和16位设备相关的存储容量中，特别是在微控制器级应用的几千字节存储量中，提供ARM内核所期望的高性能；

（3）高速的应用通过Harvard结构执行，以独立指令和数据总线为特征；

（4）优越的中断处理能力，通过执行寄存器操作来实现，这些寄存器操作在处理硬件中断时使用；

（5）存储器保护单元（MPU）为复杂的应用提供特权操作模式；

（6）从ARM7™控制器系列中移植过来，以获得更好的性能和电源效率；

（7）功能齐全的调试解决方案有：

串行线JTAG调试端口（SWJ-DP）；Flash修补和断点（FPB）单元，用于实现断点操作；数据观察点和触发（DWT）单元，用于执行观察点、触发源和系统性能分析；仪表跟踪宏单元（ITM），用于支持printf型调试；跟踪端口接口单元（TPIU）用作跟踪端口分析仪的桥接。

3.2.2LM3S2110的GPIO特性

GPIO模块由8个物理GPIO模块组成，每个对应一个独立的GPIO端口（端口A,端口B,端口C,端口D,端口E,端口F,端口G,和端口H）。

GPIO模块遵循FiRM规范，并且支持11-40个可编程的输入/输出管脚，具体取决于正在使用的外设。

GPIO模块具有以下的特性：

（1）可编程控制GPIO中断：

屏蔽中断发生；边沿触发（上升沿，下降沿，上升、下降沿）；（高或低）电平触发。

（2）输入/输出可承受5V电压。

（3）在读和写操作中通过地址线进行位屏蔽。

（4）可编程控制GPIO引脚配置。

本次设计使用的开发板上的微控制器LM3S2110上可使用的引脚有PA0～PA6（7个）、PB0～PB6（7个）、PC4～PC7（4个）、PD0～PD7（8个）、PE0～PE1（2个）、PF0～PF2（3个）、PG0～PG1（2个）、PH0～PH1（2个）。

3.3独立按键

ARM2110开发板中有4个独立按键，其原理电路图如图3.1所示。

这四个独立按键——KEY1～KEY4各自的一端依次连接在微控制器LM3S2110上的PH1、PB6、PB5、PB4四个引脚上。

图3.14个独立按键电路图

根据图3.1可以看出，当这四个引脚中的某个引脚得到低电平时，代表其相连的按键被按下，如：

引脚PB4得到低电平就代表KEY4被按下。

3.4矩阵键盘

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图3.2所示。

在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。

这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显。

由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，行线通过电阻接正电源，并将列线所接的单片机的I/O口作为输出端，而行线所接的I/O口则作为输入。

这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。

列线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。

图3.24×4矩阵键盘电路图

3.5蜂鸣器

蜂鸣器的原理电路图如图3.3所示，控制蜂鸣器的端口为PB1引脚，当PB1引脚输入低电平时，蜂鸣器会鸣叫。

由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于MCU的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，如图3.3所示，其中的三极管Q1（8050）就是用来放大电流以驱动蜂鸣器的。

图3.3蜂鸣器电路图

在嵌入式应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。

一般驱动蜂鸣器的方式有两种：

一种是PWM输出口直接驱动，另一种是利用I/O定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。

本设计中就是使用了PWM输出口直接驱动的方式来驱动蜂鸣器，以此来实现电子琴的发音功能。

PWM输出口直接驱动是利用PWM输出口本身可以输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。

只要打开PWM输出，PWM输出口就能输出该频率的方波，这个时候利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。

3.6LED灯应用方式

LED即发光二极管，