《嵌入式系统原理与应用》综合设计―简易电子琴系统设计

《嵌入式系统原理与应用》综合设计简易电子琴系统设计系部：电子与信息工程系专业班级：电子信息工程09秋2班姓名：学号：小组成员：指导教师：完成日期2012年6月目录1前言.........................................................11.1电子琴介绍..............................................11.2嵌入式电子琴发展趋势....................................21.3实现目标................................................22总体设计....................................................32.1利用实验资源实现简易电子琴的功能。......................32.2主要技术指标............................................33硬件设计....................................................43.1LM3S2110芯片...........................................43.1.1LM3S2110特性概述.................................43.1.2LM3S2110中断功能概述.............................53.1.3LM3S2110的GPIO特性..............................53.2键盘模块..............................................63.2.1矩阵键盘模块.....................................63.2.2独立按键模块......................................73.3LCD显示模块............................................73.3.11602介绍.........................................73.3.2编辑本段管脚功能..................................73.4蜂鸣器模块设计..........................................84系统软件设计...............................................94.1音乐控制..............................................104.4.1音乐的相关知识...................................104.4.2如何用嵌入式实现音乐节拍.........................104.4.3如何用嵌入式产生音频脉冲.........................104.2软件初始化...........................................114.2.1LCD初始化.......................................114.2.2输入输出初始化...................................124.2.3按键、蜂鸣器、LED初始化.........................134.2.4定时器的初始化...................................134.3总设计流程图...........................................145调试........................................................155.1音调调试...........................................155.2按键控制音乐停止调试...............................155.3LED显示音频效果调试...............................156结束语......................................................157参考文献....................................................16附录一LM3S2110原理电路图...................................17附录二程序清单..............................................171buzzer.c程序清单....................................172music.c程序.........................................183systemInit.c程序....................................204主程序清单...........................................202012.6上海师范大学天华学院电子信息工程系ARM综合设计11前言1.1电子琴介绍电子琴又称作电子键盘，属于电子乐器(区别于电声乐器)，发音音量可以自由调节。音域较宽，和声丰富，甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。采用半导体集成电路，对乐音信号进行放大，通过扬声器产生音响。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（比如Tyros3的硬盘音色）。振荡器分频器电源放大器键盘图1-1电子琴原理框图电子琴使用二分频电路是音阶规律的需要。音乐中的基本音阶的频率是按照一定规律排列的，以C调为例，音阶中各音之间的频率（单位为赫兹）关系是：LCfπ21说明一个音的频率刚好是比它低八度音的频率的两倍。所以，只要把一个音的频率除以2就得到比它低八度的一个音的频率。实现这一点就需要使用二分频电路。这样，只要振荡器产生一个标准音的频率信号，如高音“1”的信号，通过二分频就产生中音“2”的频率，再一次二分频就产生低音“1”的频率了。如果按照键盘上最高音组的频率制作七个振荡器，并将得到的七个音阶信号分别二分频，便可得到低八度的一组音阶信号；再次二分频，就可得到再低八度的一组音阶信号。2012.6上海师范大学天华学院电子信息工程系ARM综合设计2依此类推，最后，就能得到键盘上所有的音阶信号了。不过，实际上需要制作12个振荡器和更多的分频器，因为一组键盘中还有五支黑键。1.2嵌入式电子琴发展趋势嵌入式技术在电子琴方面的设计应用是其发展的一个方向，同时也是一种必然趋势。嵌入式设备能够促使宿主设备更加智能、高效。设计的过程更加灵活，整个系统的操作更加简单方便，嵌入式电子琴设计过程能够保证电子琴的开发成本趋于合理性、功能更加完善，嵌入式电子琴具有功能全面、结构紧凑、可靠性强、实时性强等特点。嵌入式电子琴系统是技术过程的具体体现，具有核心处理程序设计功能，能够保证电子琴满足新时期的要求，从键盘设计、输入输出模块设计、音色音调控制、电路设计等方面发挥重要的作用。能够与现实环境进行有效的结合，保证交互式信息系统的实现，嵌入式电子琴设计可以把半导体技术、计算机技术与行业具体应用紧密结合起来，最终保证嵌入式电子琴处于资金密集、技术密集、高度分散、不断创新的环境下。随着EDI的推广、Dsp技术的发展，嵌入式电子琴技术作为核心技术应用越来越广泛，在某一个芯片上实现一个核心技术的时代已经来临，用户设计过程中可以根据实际需要，按照嵌入式电路的要求，设计出功能各异的系统结构。仿真设计完成后可以通过半导体制作形成需要的产品，整个嵌入式系统可以很好的集中到一块或者几块芯片上，很好的解决了电子琴设计电路分散的状况。应用系统集中到某一个芯片上保证系统更加简洁，功能更加完善。1.3实现目标本次制作电子琴除了可正常弹奏外，LCD液晶屏显示音阶，LED灯带展现音频效果。具有较强的感官体验，增加生活乐趣。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。2012.6上海师范大学天华学院电子信息工程系ARM综合设计32总体设计2.1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)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；(7)不同音阶对应不同灯亮，具有音频效果。2.2主要技术指标(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)外扩实现音频效果。ARMCORTEX-M32110电源电路复位电路时钟电路键盘模块矩阵+4独立8LED灯蜂鸣器模块频率选择LCD显示图2-1总设计框图2012.6上海师范大学天华学院电子信息工程系ARM综合设计43硬件设计本次用到的硬件有：LM3S2110开发板中包含的一块LM3S2110微控制器和4个独立键盘。另外可以外接的有1个4X4矩阵键盘模块、1个LCD液晶显示屏、1个蜂鸣器和1个LED音频模块。3.1LM3S2110芯片3.1.1LM3S2110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[5]。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、具有十分紧凑的内部核心。2、从ARM7™处理器系列中移植过来，以获得更好的性能和电源效率。3、存储器保护单元（MPU）为复杂的应用提供特权操作模式。4、中断处理能力优秀非常，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、通过Harvard结构执行快速的应用，以独立指令以及数据总线为其十分突出的特征。6、在通常与8位和16位设备相关的存储容量中的Thumb-2指令集，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。2012.6上海师范大学天华学院电子信息工程系ARM综合设计57、调试的解决方案应有尽有：仪表跟踪宏单元（ITM），用于支持printf型调试；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；串行线JTAG调试端口（SWJ-DP）；跟踪端口接口单元（TPIU）用作跟踪端口分析仪的桥接。3.1.2LM3S2110中断功能概述ARMCortex-M3处理器和嵌套向量中断控制器(NVIC)将区别所有问题的优先等级并对其进行相应的处理。所有存在的异常都会在处理器模式中被予以处理。当出现异常时，处理器的状态将被自动存储到堆栈中，并在中断服务程序(ISR)结束时自动从堆栈中恢复。取出向量和保存状态