1、1 毕业设计 开题报告 电子信息工程 基于 MCU 及 RTX51 的乐曲编辑和发生器设计 一、选题的背景、意义 随着单片机的不断发展，单片机已经广泛应用到了人们生活的各个领域。使用单片机设计乐曲编辑和发生器，是单片机所衍生出的众多功能之一。以前在人们创作或记录乐谱时 ,一般搜是用笔将乐谱记录在纸上来保存乐谱 .这种方式普遍存在着纸张资源浪费、保存不便、不易于修改等缺点。 本课题基于 MCU及 RTX51 的乐曲编辑和发生器设计，是对单片机 mcu 和 多任务实时操作系统 的一项实际应用 。随着科技的发展音乐也从业在不断的发展，电子音乐是 从具体的音乐发展到合成器音乐，再发展到现如今的计算机音
2、乐。乐曲编辑和发生器可以记录乐谱并制作简单的电子音乐将其乐谱进行演奏。 Mcu（ Micro control unit）中文名称为微控制单元，又称单片机，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的 CPU、 RAM、 ROM、定时计数器和多种 I/O 接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。 Mcu 在经过这几年不断地研究 ,发展 ,历经 4 位 ,8 位 ,到现在的 16位及 32 位 ,甚至 64 位。由于制程的改进， 8 位 MCU 与 4 位 MCU 价差相去无几 ，8 位已渐成为市场主流；目前 4 位 MCU 大部份应用在计算器、车用仪表、车用
3、防盗装置、呼叫器、无线电话、 CD 播放器、 LCD 驱动控制器、 LCD 游戏机、儿童玩具、磅秤、充电器、胎压计、温湿度计、遥控器及傻瓜相机等； 8 位 MCU大部份应用在电表、马达控制器、电动玩具机、变频式冷气机、呼叫器、传真机、来电辨识器（ CallerID）、电话录音机、 CRT 显示器、键盘及 USB 等； 16 位MCU 大部份应用在行动电话、数字相机及摄录放影机等； 32 位 MCU 大部份应用在 Modem、 GPS、 PDA、 HPC、 STB、 Hub、 Bridge、 Router、工作站、 ISDN电话、激光打印机与彩色传真机； 64 位 MCU 大部份应用在高阶工作站
4、、多媒2 体互动系统、高级电视游乐器（如 SEGA 的 Dreamcast 及 Nintendo 的 GameBoy）及高级终端机等。 1-8 RTX51 是一个用于 8051 系列处理器多任务实时操作系统 。 Rtx51 是德国 Keil公司开发的一种应用于 MCS51 系列单片机功能强大的、可用于目前世界上所有由Intel 8051 标准内核派生出的 350 多种增强微控制器的实时操作系统。 RTX51 有两个版本 :RTX51 Full 和 RTX51 Tiny。传统的单片机应用系统程序一般单任务机制的 ，而rtx51 的单片机应用系统程序是多任务机制。 在多任务机制下， CPU 的运行
5、时间被划分成许多小的时间片，由某种调度算法按不同的优先级别分配给不同的任务。多个任务分别在各自的时间片内访问 CPU，从而产生了微观上轮流运行、宏观上并行运行的多任务效果 。 Rtx51 的优点在于提供 实时操作系统 ，允许多任务同时执行，可以用 c函数编写程序并用 c51 编译，还可以用标准的才变量来定义任务号和优先权。 顺序循环单任务编程相比 rtx51 有两个特点： (1)多任务编程 CPU 是轮流执行每个任 务 ,可以将每个任务设计成死循环的模式 ,不断重复地进行数据计算或者访问硬件 ,不会影响别的任务的执行。当一个任务的数据计算完成后 ,可以通过 os_wait 函数将 CPU 交出
6、执行别的任务。而单任务模式却独占了所有的 CPU 资源 ,时常要担心是否执行时间太长而不能及时响应外部的异步事件。 (2)多任务编程有一个缺点 ,即资源冲突和重入问题。所谓资源冲突就是任务 A 在访问某个资源时 ,恰好发生了任务切换 ,任务 B 也访问这个资源 ,且改变了它的状态 ,这样当再次执行任务 A 时就可能发生冲突或带来不确定性。而所谓重入是指假设任务 A在运 行某个函数 ,发生任务切换后 ,任务 B也运行这个函数 ,这样就会破坏任务 A执行这个函数的现场 ,从而可能导致任务 A 执行函数时结果不正确。这种问题尤其容易出现在串行接口器件的操作中 ,例如串口、串行的 A/D、 D/A 器
7、件等。 9-14 二、相关研究的最新成果及动态 自从单片机面世以来通过不断的发展，目前单片机已经渗透到我们生活的各个领域。 自从 1991 年推出 8051 产品以来 microchip 的 8 为 mcu 市场份额不断增长。3 现在 8 位 mcu 仍然保持着第一的位置并持续增长。但 8 位 mcu 近年来的增长速度相对于 2 位 mcu 较慢。 8 位 mcu 的优势是低价格，使用简单， ”性能与功率比（ power-to performance ratio） ”低即地功耗。随着低功耗要求的提高，低功耗 8位单片机也会有很好的发展空间。 16 位 mcu 的应用市场主要集中在汽车电子、需要
8、电机控制中的高端消费电子、 IC 卡等领域，现如今 16 位 mcu 市场份额较低，并出现了较大幅度的下滑。 32 位 mcu 特点高性能，价格较高但降幅较大。进几年来 32 位 mcu 发展迅速，并广泛的应用到了工业制作、消费电子、网络通信、智能表计、绿色能源控制、电源管理、汽车电子和携带式设备及医疗电子等设 备上。 现如今的 mcu 是相当热门充满前景的市场。单片机正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、扩大存储容量和加强 I/O 功能及兼容方向发展。 随着消费、工业、多用途、汽车和其他市场增长的推动 ,中国的 MCU 市场正在持续而又迅速地增长 ,没有减缓的迹象。随着中国从小型、低
9、成本商品的开发商演变为提供更多高价值产品 ,并继续扮演国际公司的制造中心的角色 ,中国的 MCU 市场将继续成长。 15 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法，预期达到的目标 3.1 研究内容 设计一个基于单片机的音乐编辑和发生器。 要求如 下： （ 1）系统的硬件设计主要基于 MCS-51 系列单片机，键盘和 LCD 显示器作为系统的人机交互界面，存储器用于存储已编辑好的任意乐曲。乐曲是音频信号，经过功率放大器放大后驱动扬声器发出乐曲声音。 （ 2）系统的软件设计基于嵌入式实时操作系统 RTX51，并用 C51 高级语言和 MCS-51 汇编语言混合编程来设计软件系统。 该音乐编辑和发生器具
10、有的基本功能： 操作者可以通过 4 4 矩阵键盘输入约定格式的任意乐曲，按“播放”键后，4 系统便开始播放所编辑的乐曲，并且音调和节拍都可以由单片机精确控制。 详细功能如下： (1) 对乐谱编辑文本文件实现创建功能即创建五线谱文本供编辑操作。 (2) 对创建的乐谱文件时对本谱节拍的选择。 (3) 对创建 ,打开的乐谱文件中编辑即添加 ,删除音符及修饰音 ,强弱记号。 (4) 对乐谱音符滑音标记功能的实现。 (5) 对乐谱文本的保存与打开原保存乐谱文本功能 3.2 研究方法 研究方法采用文献研究法和 实证研究法 。 文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面地了解用 mcu 和 rtx51 制
11、作音乐编辑和发生器历史和现状，从而帮助解决研究课题。 实证研究法：通过学习研究单片机及 rtx51 系统，设计方案， 通过实验，记录成果和失败，不断改进方案，完善方案。 乐曲能连续演奏的基本要点有两个， 1 音符（频率）， 2 音符持续时间（节拍）。只要控制扬声器的激励信号的频率和每个频率所持续的时间就可以得到连续的乐曲。 通过对硬件装置的晶振频率进行适当的分频和整形处理可以得到一定频率的方波。这些一定频率的方波可以作为音符的频率。 节拍由人为设置。如设置 1 秒为 1 拍，则 1/2 拍为 0.5 秒， 1/4 拍为 0.25 秒，1/8 拍为 0.125 秒。 然后将乐谱转换为频率信号，再
12、有节拍来控制频率信号的长短，这样就可以控制扬声器播放连续的乐曲了。 3.3预期达到的目标 通过课题研究掌握和熟悉单片机， rtx51 系统，音频播放系统， LED 显示等等的原理和实现方法。 （ 1）单片机应用能力 5 熟悉 51 系列单片机的硬件结构，指令系统，中断系统，定时器计数器，扩展存储器的设计， IO 接口设计及其与显示器，键盘， DA 和 AD 等的接口设计 。 （ 2） rtx51 系统 熟悉掌握 rtx51 多任务实时操作系统 ，了解多任务编程思想，理解掌握任务切换过程，了解同步机制、调度规则、任务控制块、 （ 3）音频播放系统 （ 4） LED 显示 熟悉使用单片机来 LED
13、 显示的方法，和相关的编程 。以及接口电路。 （ 5）电路的设计 四、论文详细工作进度和安排 2010.11.23 2011.1.10：查阅相关资料，收索有关参考文献，深入了解所选课题，完成外文翻译，和文献综述。 2011.1.10 2011.2.27：进一步查阅相关资料，收索有关参考文献，完成开题报告定稿。 2011.3.1 2009.3.20：确定系统研究方法与技术路线并设计初步方案。 2011.3.21 2011.4.17：由初步方案不断改进完成系统软硬件设计。 2011.4.18 2011.5.1: 系统开发与代码设计阶段，实验室里不断调试电路和程序。 2011.5.2 2011.5.
14、15：完成论文初稿。 2011.5.16 2011.5.22：完善系统设计，修改论文，论文定稿。 键盘输入 C51 单片机应用系统 Rtx51 系统 音频播放系统 LED 显示 蜂鸣器或扬声器 6 五、主要参考文献 1 何立民 .单片机应用系统设计，北航出版社， 1993 2 林志琦 .单片机原理接口及应用（ c 语言版） M.北京：中国水利水电出版社 ,2007 3 赵保经编著 .微电子技术与新技术革命 ， 国防工业出版社 , 1985.7 11 4 刘辉，王遵立，刘维亚。嵌入式实时操作系统在时钟控制器中的应用，长春理工大学学包， 2004 5 席先觉等 .单片微型计算机及其应用，高教出版社
15、， 1987 6 欧伟明，周春临，遂青，电子信息系统设计。西安电子科技大学出版社， 2005。 7 万太福，唐贤水。可编程序控制器及其应用。重庆；重庆大学出版社， 1994 8 沙占友主编 . 智能传感器系统设计与应用 ,电子工业出版社 , 2004 9KEIL RTX51 实时操作系统中文手册 10基于 RTX51 的排爆机器人嵌入式控制器固件开发 作者 :上海交通大学机器人研究所 (200030) 宁柯军 杨汝清 翁新华 11KEIL RTX51 实时操作系统中文手册 12 何宗键 .Windows CE 嵌入式系统 M.北京 :北京航空航天大学出版社 ,2006. 13 彭良清，简易非抢
16、占式多任务操作系统的设计与应用。单片机嵌入式 系统应用，2002 14赵学军。单片机实时嵌入式操作系统内核的手机。桂林电子工业学院学报， 2002 15Mcu 市场最新技术与市场发展趋势 ，百度文库 16Jack Ganssle. RTOS for Embedded Microcontrollers,Embedded System Pogramming. Sept 1998 17Robert Richards. RTOS for Embedded Microcontrollers,Embedded System Programming. May 1997 18Nir Fricdman, Stu
17、art Russell. Image segmentation in video sequences: A 7 probabilistic approach. 19 Kedar Godbole, Converting Analog Controllers to Smart Controllers with the TMS320C2000DSPs, Application Note (spra995) Texas Instruments, 2004. 20 J. Hennessy and N. Jouppi, Computer technology and architecture: an evolving interaction, IEEE Computer Magazine, vol. 24, no. 1, pp. 1829, 1991.，
