基于ARM的高级电子琴设计.doc

1、 编号： （ 嵌入式系统设计 ） 实训论文说明书 题 目 ： 基于嵌入式 ARM 的高级电子琴设计 院 （系）： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2013 年 12 月 30 日桂林电子科技大学实训说明书用纸 1 摘 要 ARM7 的设计精髓是结构简单。 ARM7 内核采用了精简指令集计算机（ RISC）设计思 想，所用逻辑门数较少，硅片面积小，但具有高性能、低功耗的特点，这使得 ARM7 成为嵌入式系统的理想选择。 ARM7 内核包括 ARM7TDMI（ -S）、 ARM720T 等，ARM7TDMI 处理器内核已经许可给许多世界顶级半导体公司，它是

2、第一个包括 Thumb 指令集、快速乘法指令和嵌入式 ICE 调试技术的内核。 本论文主要 介绍 利用 213X 系列最小系统板，完成一个高级电子琴的 设计，需要设置琴键输入以及 LM386 的功率放大驱动喇叭，主要功能通过程序编译来完成。 关键词： ARM7； 键盘 ； LM386；电子琴 桂林电子科技大学实训说明书用纸 1 目 录 引言 1 1 设计要求及功能 1 2 系统硬件的构成 1 3 系统模块介绍 2 3.1 LPC2132 系统模块 2 3.1.1 LPC2132 概述 . 2 3.1.2 LPC2132特性 . 2 3.2 4x4 矩阵琴键键盘 3 3.2.1行列式键盘工作原理

3、 . 4 3.2.2键盘识别原理 . 4 3.2.3键盘电路介绍 . 4 3.3 LM386 与蜂鸣器介绍 5 3.3.1 LM386 . 5 3.3.2 蜂鸣器简介 . 6 3.3.3蜂鸣器驱动电路分析 . 7 4 电路板的制作及调试 8 4.1 电路板的绘画及制作 8 4.2 调试 9 4.2.1 硬件调试 . 9 4.2.2 软件调试 . 9 4.2.3 综合调试 . 10 5 总结 10 参考文献 13 附 录 14 桂林电子科技大学实训说明书用纸 1 引言 随着 电子技术的不断发展，嵌入式系统又进入了一个新的发展阶段。从开始的 8 位发展到后来的 16 位机， 16 位又发展到了现在

4、的 32 位。嵌入式系统具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经融入了现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。 电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种键盘乐器。它在现代音乐领域扮演着重要的角色。传统的乐器声音是通过机械的方法产生的。电子琴的声音是通过“电”产生的。振荡器根据需要产生一定频率的振荡信号，振荡信号通过分频器分解成不同频率的信号输送到放大器，放大器将信号放大，推动蜂鸣器发出声音。按键实际上是一些开关，如果没有键盘，许多不同频率的信号同时进入放大器，通过蜂鸣器发出的声音就会乱七八糟，不成音乐，而成 了噪声。按下一个按键就等于接通了开关，只允许某一种频率的信号通过放大器进入蜂

5、鸣器中，蜂鸣器就发出一种音调来。这样，按照一定的演奏规律来按键，就能演奏出美妙的音乐来。 因此，本设计就通过上述原理进行设计的，利用 LPC2132 控制器的定时器产生不同频率信号，通过放大电路对这一频率信号进行放大，最后通过蜂鸣器，就会发出不同的声音信号。通过发出有节奏的声音就能演奏出动听的音乐。本论文主要是说明设计要求，设计的原理，以及音乐产生的基本过程。 1 设计要求及功能 （ 1） 至少播放两首乐曲 （ 2） 至少两个音阶 （ 3） 演奏过程 回放 2 系统硬件的构成 本高级电子琴控制系统有三个音阶组成，分别是低音、中音和高音。琴键一共有16 个，组成 4x4 的矩阵键盘。通过对按键的

6、操作，可以让蜂鸣器发出不同的音调。音调通过蜂鸣器，作为音调的输出设备。电子琴的控制系统主要有 3 个模块组成。分别是LPC2132 控制模块、矩阵键盘模块和声音驱动模块。其系统框图如图 1 所示： 桂林电子科技大学实训说明书用纸 2 图 1 电子琴控制系统框图 3 系统模块介绍 3.1 LPC2132 系统模块 3.1.1 LPC2132 概述 LPC2132 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的 32/16 位ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，并带有 32kB、 64kB、 512 kB 的嵌入的高速 Flash存储器。 128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码

7、能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用 16 位 Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。 较小的封装和极低的功耗使 LPC2132可理想地用于小型系统中，如访问控制和 POS机。宽范围的串 行通信接口和片内 8/16/32kB 的 SRAM 使 LPC2132 非常适用于通信网关、协议转换器、软 modem、声音辨别和低端成像，为它们提供巨大的缓冲区空间和强大的处理功能。多个 32 位定时器、 1 个或 2 个 10 位 8 路 ADC、 10 位 DAC、 PWM通道和 47 个 GPIO 以及多达 9 个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业

8、控制和医疗系统。 3.1.2 LPC2132特性 （ 1） 小型 LQFP64 封装的 16/32 位 ARM7TDMI-S 微控制器。 （ 2） 8/16/32kB 片内静态 RAM。 （ 3） 片内 Boot 装载软件 实现在系统 /在应用中编程（ ISP/IAP）。扇区擦除或整片擦除的时间为 400ms， 1ms 可编程 256 字节。 （ 4） EmbeddedICERT 和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内 RealMonitor 软件）和高速跟踪执行代码。 LPC 控 制 模 块 声 音 驱 动 模 块 电 源 4x4 矩 阵 键 盘 桂林电子科技大学实训说明书用纸 3 （ 5）

9、1 个（ LPC2132/2132）或 2 个（ LPC2138） 8 路 10 位 A/D 转换器共包含 16个模拟输入，每个通道的转换时间低至 2.44us。 （ 6） 1 个 10 位 D/A 转换器，可提供不同的模拟输出（ LPC2132/2138）。 （ 7） 2 个 32 位定时器 /计数器（带 4 路捕获和 4 路比较通道）、 PWM 单元（ 6 路输出）和看门狗。 实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。 （ 8）多个串行接口，包括 2 个 16C550 工业标准 UART、 2 个高速 I2C 接口（ 400 kbit/s）、 SPITM 和 SSP（具

10、有缓冲功能，数据长度可变）。 （ 9）向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 多达 47 个 5V 的通用 I/O 口（ LQFP64 封装）。 9 个边沿或电平触发的外部中断引脚。 （ 10）通过片内 PLL 可实现最大为 60MHz 的 CPU 操作频率， PLL 的稳定时间为100us。 片内晶振频率范围： 130 MHz。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 （ 11） 可通过个别使能 /禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 （ 12） 单个电源供电，含有上电复位（ POR）和掉电检测（ BOD）电路： CPU 操作电压范围： 3.03.6 V

11、(3.3 V+/ 10%)， I/O 口可承受 5V 的最大电压。 图 3.1.1 LPC2132 管脚排列图 3.2 4x4 矩阵琴键键盘 桂林电子科技大学实训说明书用纸 4 3.2.1行列式键盘工作 原理 ARM 嵌入式系统使用常用的行列式键盘电路，此电路的优点是比较节省 I/0 口线，并且接口简单。它的工作模式如 下 图所示。它的行线与按键的一个引脚相连，列线与按键的另一个引脚相连。平时列线被置成低电平，没有按键被按下时，行线保持高电平，而有按键被按下时，行线被拉成低电平。 图 3.2.1 键盘扫描模式 3.2.2键盘识别原理 对于常规的按键识别过程一般分为以下几步： （ 1）判断按键是

12、否按下。 （ 2）延时去除按键抖动。 （ 3）再判断是否真的按下。 （ 4）是真的按下，则执行按键处理程序。 （ 5）等待按键释放。 为了考虑提高 CPU 的效率和充分利用 CPU 的资源等因素，可将第 2 步和第 5 步的延时和等待过程用其他方式代替。 3.2.3键盘电路介绍 为了实现电子琴的输入，需要扩展键盘以作为控制输入。系统采用 LPC2124 的P1.16P1.23 端口引脚作为 4X4 矩阵键盘的扩展接口，电路原理图如图 4 所示。 桂林电子科技大学实训说明书用纸 5 图 4 矩阵式键盘电路 在扩展键盘时需要解决两个问题，一是键盘的抖动，二是多键同时按下。键盘的去抖动可通过软件的适

13、当延时实现，即在读入端口 P1.16P1.19 后，适当 延时一段时间，再读入端口 P1.20P1.23，两次比较后确定按键是否真按得下。多键同时按下也可通过软件设计屏蔽多按下的键，对于同一列的键同时按下，可以只取键值最小的键，屏蔽值大的键，或反之。对于不同列的键，可以将 P1.20P1.23 设置优先级，如 P1.20 最高，P1.23 最低，或反之。这样，只取优先级高的键，屏蔽优先级低的键。 在 ARM 中，必须将管脚置为 GPIO 口后才能将管脚作为 I/O 口的功能来使用，由于在 I/O 的初始化中已经将用到的管脚设置为 GPIO 口，固可以将管脚作为 I/O 口的功能来使用。具体方法

14、如下： 先 将 P1.16-P1.19 这 4 列端 口 设置为输入管脚并且置为 低电平， 然后将 P1.20-P1.23这 4 行端口设置为输出管脚并且置为 高电平， 通过判断是否有按键按下，如果有按键按下则可以首先确定 4 行端口的代码，接着再将 4 列端口设置为输出管脚并且置为高电平，将 4 行端口设置为输入管脚并且置为低电平，以此来决定 4 列端口的代码，然后再讲 4列端 口代码和 4 行端口代码按照 4 行为高 4 位， 4 列为低 4 位的顺序排成一个 8 位代码。 3.3 LM386 与蜂鸣器介绍 3.3.1 LM386 LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大 器 ,

15、主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少 ,电压增益内置为 20。但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电容 ,便可将电压增益调为任意值 ,直至 200。输入端以地位参考 ,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半 ,在 6V电源电压下 ,它的静态功耗仅为 24mW,使得 LM386 特别适用于电池供电的场合。本次实训中需要用到 LM386 构成放大电 路，与蜂鸣器相连。 LM386 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 桂林电子科技大学实训说明书用纸 6 图 5 LM386 管脚图 特性介绍： 静态功耗低 ,约为 4mA,可用于电池供电。 工作电压范围宽 ,4-12V 或者

16、5-18V。 外围元件少。 电压增益可调 ,20-200。 低失真度。 图 3.2 典型 LM386 应用电路 3.3.2 蜂鸣器简介 蜂鸣器是一种一体化结 构的电子讯响器，采用直流或交流供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中的发声器件。根据发生材料、结构和驱动方式的不同，蜂鸣器可以分为压电式、电磁式等，如表所示： 表 1：根据材料和结构分类 分类 特点 压电式 由多谐振荡器、压片蜂鸣器、阻抗匹配器及蜂鸣箱、外壳等组成。具有工作电压高、可以大型化、声音分贝高等特点。 电磁式 有振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳组成。具有工作电压较

17、低、工艺简单等特点，不能做到很大的分贝和直径， 桂林电子科技大学实训说明书用纸 7 表 2：根据驱动方式 分类 分类 特点 有源 有缘蜂鸣器又称为直流蜂鸣器，其内部已经包含了一个多谐振荡器，只要在两端施加额定直流电压即可发声。具有驱动、控制简单的特点，但是价格略高。 无源 无缘蜂鸣器又叫做交流蜂鸣器。内部没有振荡器，需要在两端施加特定频率的方波电压才能发声。具有可靠、成本低、发声频率可调整等特点。 3.3.3蜂鸣器驱动电路分析 蜂鸣器驱动电路分析如下： 声音驱动模块的如下图所示，放大信号的核心元器件是 LM386。它的作用主要是驱动扬声器能获得足够大的声音信号，使蜂鸣器能过顺利发出声音。 6

18、脚接上 5V 的电压， 2 脚和 4 脚接地。 5 脚为信号输出端，在蜂鸣器的一端接上一个电解电容进行滤波。1 脚和 8 脚接上一个电阻和一个电容可以提高信号的放大倍数，通过改变电阻值和电容值，还可以改变信号的放大倍数。 1蜂鸣器 发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流 /方波）等。这些都可以根据需要来选择。 2续流二极管 蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管提供续流。否则，在蜂鸣器两端会产生几十伏 的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电路系统的其它部分。 3滤波电容 滤波电容 1 的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交流阻抗，如果可能，最好是再并联一个 220uF 的电解电容。