基于ARM的高级电子琴的设计

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11设计要求及功能12系统硬件的构成13系统模块介绍231LPC2132系统模块2311LPC2132概述2312LPC2132特性2324X4矩阵琴键键盘3321行列式键盘工作原理4322键盘识别原理4323键盘电路介绍433LM386与蜂鸣器介绍5331LM3865332蜂鸣器简介6333蜂鸣器驱动电路分析74电路板的制作及调试841电路板的绘画及制作842调试9421硬件调试9422软件调试9423综合调试105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电源LPC控制模块声音驱动模块图1电子琴控制系统框图3系统模块介绍31LPC2132系统模块311LPC2132概述LPC2132是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMISTMCPU的微控制器，并带有32KB、64KB、512KB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控制和医疗系统。312LPC2132特性（1）小型LQFP64封装的16/32位ARM7TDMIS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。4X4矩阵键盘桂林电子科技大学实训说明书用纸3（5）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244US。（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（400KBIT/S）、SPITM和SSP（具有缓冲功能，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130MHZ。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3036V33V/10，I/O口可承受5V的最大电压。图311LPC2132管脚排列图324X4矩阵琴键键盘桂林电子科技大学实训说明书用纸4321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321键盘扫描模式322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。323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P116P123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当延时实现，即在读入端口P116P119后，适当延时一段时间，再读入端口P120P123，两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P120P123设置优先级，如P120最高，P123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。具体方法如下先将P116P119这4列端口设置为输入管脚并且置为低电平，然后将P120P123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。33LM386与蜂鸣器介绍331LM386LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,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5LM386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,412V或者518V。外围元件少。电压增益可调,20200。低失真度。图32典型LM386应用电路332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。333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。桂林电子科技大学实训说明书用纸8图333实际选用驱动放大电路4电路板的制作及调试41电路板的绘画及制作由于最小系统电路老师已给现成的板，所以我们在画电路图时只要画最小系统板以外的元器件及设计两排插座来连接最小系统板即可，原理图及PCB见附录。在绘制好PCB后就开始做电路板，具体步骤如下（1）打印PCB油印纸。（2）裁板先量电路板的大小，裁出一块合适的覆铜板，用砂纸把表面磨掉。（3）转印将PCB转印到铜板上，经转印23次后取出铜板，待充分冷却后撕掉油印纸，观察线路是否转印好，若有断路或没转印完的，应用油漆笔添加上去，确保所有线路都是通路的。（4）腐蚀将铜板放入腐蚀液中腐蚀，注意腐蚀时间，避免长时间腐蚀导致线路腐蚀掉。桂林电子科技大学实训说明书用纸9（5）腐蚀完毕后用自来水冲洗后就是钻孔，转完孔就用砂纸将电路板表面的油漆擦掉，然后给电路板上一层松香助焊剂，防止铜线被氧化，也为方便后面的焊接。（6）焊接焊接时注意元器件的极性，焊接的顺序是先焊跳线，元器件按先小后大、先矮后高的顺序焊接，这时实现硬件系统电路的电路板就完成了。42调试421硬件调试把硬件做出来之后，首先要对其进行检查，确保没有电路故障之后才可以投入到软件调试当中。经仔细的检查过硬件电路之后，发现电路没有什么大的问题。比如，电路中没有发生短路的现象，电源指示灯也在通电后正常的亮起来。扬声器模块中，对LM386进行供电后，管脚的电压正常，说明电路没有大故障。另外，还要检查LM386能否对输入信号进行放大，通过测试，发现声音驱动模块没有问题，具有放大作用，说明电路设计和硬件基本没有问题了。可以进入软件的调试。422软件调试播放音乐，或者弹奏电子琴，实际上是按照特定的频率，输出一连串的方波。为了输出合适的方波，首先应该知道音符和频率的关系。音符和频率的关系如下表3所示，其中频率的单位为赫兹（HZ）。表3音符与频率关系表区域低音区音符1234567频率261293329349391440493续表3区域中音区音符1234567频率5235876596987838831987桂林电子科技大学实训说明书用纸10续表3区域高音区音符1234567频率1046117413181396156717601975通过对LPC2132控制芯片的设置，产生不同频率的信号，通过扬声器之后就可以发出不同的音调。423综合调试通过硬件和软件的设计之后，就要看系统的要求功能是否能实现了。将设计好的程序生成的HEX文件下载到ARM控制器中，然后对按键进行操作，发现无论如何蜂鸣器都没能发出声音，起初以为是程序的设置出了问题，就转向软件的再次检查，改了几处还是不行，后面只好转向硬件，看能否检查得出，首先检查了蜂鸣器，结合前面的资料，发现买错了，买到了有源蜂鸣器，后改买一个无缘的蜂鸣器重新焊上去，上电后按下按键发现可以出声了；但并不是全部的按键按下都可以出声，只好对这个按键的线路重新检查，后用万用表测出了按键一端的连线断了，这个断线不明显，用肉眼很难看出。经过这次的教训，让我懂得做事应更加小心，才能少犯错误，少经波折。解决完这个故障后重新上电终于可以出声。到这里按键功能实现，按下不同按键可以发出不同的声音。终于按键发声达到所要求的音阶。而演奏回放是再设置两个按键控制存储读取数组，16个按键14个按键用于音阶，2个用于演奏回放。目标全部达到，本次实训得以顺利完成。5总结本次实训的主要内容基于嵌入式ARM的高级电子琴设计。它的主要功能是至少播放两首歌曲，有两个音阶。这就是说电路要涉及播放模块和键盘输入。查阅LPC213X系列最小系统板的相关资料，查找一些以应用嵌入式ARM的仿真实例,分析各个实例的工作原理,将各个实例的有用模块综合运用得到本实训基于嵌入式ARM的高级电子琴设计的原理图,该图主要包括三个模块44键盘、PWM脉冲输出、功率放大电路。控制LPC213X系列最小系统板的P09口输出PWM脉冲发出不同频率使蜂鸣器发出不同的声音，P09口外接功放电路连接蜂鸣器发声。按键输入功能最终确定采用44的矩阵键盘作为电子琴的键盘控制。经过网上收集资料与同学之间的讨论，终于明白了键盘扫描的工作原理，然后再根据ARM芯片LPC2132的管脚配置最终实现了键盘输入的功能。按键回放功能就在编程里实现，主要是改变标志位，然后按键输入数组然后存储，回放键就送数组到PWM去输出，实现回放功能。依靠程序完桂林电子科技大学实训说明书用纸11成大部分的功能，所以程序的调试是重中之重。终于所有功能实现。在本次嵌入式ARM实训中，我碰到很多难题，起初对于ARM7的陌生让我无从下手。但是，在实训指导老师以及同学的帮助下，让我慢慢的对实训作品的设计有了大致的思路，非常感谢指导老师以及帮助过我的同学对我设计原理的耐心指导，特别感谢他们在原理技术上的帮助与支持。通过这次实训作品使我明白了原来的那点知识是非常欠缺的，要学习的东西还很多，学习是一个长期积累的过程，在以后的工作和生活中都应该