微机接口课程设计报告电子琴

1、微机接口课程设计报告微机接口课程设计报告 （2010201020112011 第一学期）第一学期）学学 院：院：计算机科学与信息学院计算机科学与信息学院专专 业：业：计算机科学与技术计算机科学与技术 课题名称：课题名称：电子琴电子琴组组 员：员：指导教师：指导教师： 目录目录前言前言 .4课程设计任务书课程设计任务书.51、课程设计题目.52、 原始资料.52.1、设计的主要内容.52.2、设计参考.53、 课程设计内容 .53.1、课程设计的目的意义：.53.2、本课题研究的主要内容：.63.3、提交的成果：一份符合毕业设计论文规范的课程设计说明书.6第一章第一章 概述概述.71.1 电子琴

2、设计的背景 .71.1.1 软件定时法.71.1.2 硬件定时法.71.2 电子琴设计的目标.81.3 设计的意义.81.4 设计环境.81.4.1 设计环境及语言.81.4.2 8088 系统地址.8第二章第二章 系统设计系统设计.102.1 设计总要求.102.2 设计原理.102.3 软件设计和音乐相关知识 .102.4 硬件设计.122.4.1 8253 编程定时/计数器.122.4.2 脉冲发生电路（a3）.132.4.3 音频功效模块（b3）.142.4.4 分频电路（c5）.152.5 设计原理图.152.6 实验接线.16第三章第三章 代码设计及调试代码设计及调试.173.1

3、代码设计.173.1.1 计数初始化.173.1.2 代码程序.173.2 系统调试.223.2.1 硬件调试.223.2.2 软件调试.22课程设计总结课程设计总结.23参考文献参考文献.24前言前言随着电子技术的发展，微型计算机的应用的日益广泛和深入，接口技术有了迅速的发展，已成为直接影响微机系统功能和推广应用的关键。微机接口技术是采用硬件与软件相结合的方法，研究微处理器如何与“外部世界”进行最佳连接，以实现 cpu 与“外部世界”进行高效可靠的信息交换的一门技术。而如今接口技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作，因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣，接口技术与音乐的结合不

4、断加深。由此而产生的电子琴在这种形势下，因其体积小，易于携带，经济适用，对初学者，尤其对识谱的人来说是很容易弹奏的，一首简单的曲子灵感好的人甚至不用很多的练习和教师的指导就能很快的弹奏出来。是一般家庭都能承受得了的经济投入，而且电子琴键盘操作直观易于掌握。这样就强烈地激发了学习者的学习兴趣，迅速地提高了电子琴的普及率。电子琴使用简单。深受广大音乐爱好者推崇。作为计算机专业的学生，掌握电子琴的制作是很好检验我们所学知识应用。作为新时代的我们更应该知道现在的科学发展动向，随着知识经济和经济全球化时代的来临，通信技术和电子得到了快速发展带来了产业结构的调整和电子行业工作岗位的变化，电子技术应用型人才

5、需求由操作型、技能型向智能型、技术型转化，向高层次、复合型、综合性、多样型发展，作为计算机科学与技术专业的我们更应该了解这些基本知识，才能在以后的学习工作发挥特长。微机接口技术是一门实践性很强的课程，除了课堂的理论学习外，还需要强有力的实践性环节与之相配合，这样才能得到有效地成果。实践与理论的相结合，对提高学习效率和教学的效果十分有益，对培养学生理论联系实际，增强分析与解决实际问题的能力也非常有利。实践性环节由微机接口实验和微机接口课程设计来体现。通过实验，培养学生的动手能力。通过课程设计培养同学们的系统设计能力，以达到调查研究、分析问题的能力；使用设计手册、技术规范的能力；查阅中外文献的能力

6、；制定设计方案的能力；计算机应用的能力；设计计算和绘图的能力；技术经济指标的分析能力；语言文字表达能力等。本课程设计我选择的是设计一个电子琴，要求：使用数字键1、2、3、4、5、6、7 作为电子琴键，按下数字键发出相应的音调。电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。它在现代音乐扮演着重要的角色，pc 系列微机接口具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。希望通过本次课程设计，使自己的动手实践能力进一步的提高。 课程设计任务书课程设计任务书1 1、课程设计题目、课程设计题目 电子琴2 2、 原始资料原始资料2.1、设计的主要内容

7、、设计的主要内容设计一个电子琴，使用数字键 1、2、3、4、5、6、7 作为电子琴键，按下数字键发出相应的音调。基本要求：(1)、设计实验电路（要求利用试验仪的硬件资源）(2)、分析实验原理(3)、列出实验接线表 (4)、采用汇编语言编写实验程序 (5)、通过实验验证功能的实现 (6)、编写课程设计说明书2.2、设计参考、设计参考(1)、根据音阶频率表，利用定时器可以产生相应的脉冲信号，不同频率的脉冲信号经驱动电路放大后，就会发生不同的音调。(2)、对于每一个按键的音调发音时间由软件延时控制，如一直按下，就会连续发音。各音阶标称频率值：音阶1234567频率（hz）440.00493.8855

8、4.37587.33659.26739.99830.613 3、 课程设计内容课程设计内容3.1、课程设计的目的意义：、课程设计的目的意义：通过课程设计培养同学们的系统设计能力，使同学们达到以下能力训练：(1)、调查研究、分析问题的能力；(2)、使用设计手册、技术规范的能力；(3)、查阅中外文献的能力；(4)、制定设计方案的能力；(5)、计算机应用的能力；(6)、设计计算和绘图的能力；(7)、技术经济指标的分析能力；(8)、语言文字表达能力。3.2、本课题研究的主要内容：、本课题研究的主要内容： 设计一个电子琴，使用数字键 1、2、3、4、5、6、7 作为电子琴键，按字键发出相应的音调。3.3

9、、提交的成果：一份符合毕业设计论文规范的课程设计说明、提交的成果：一份符合毕业设计论文规范的课程设计说明书书 课程设计统一使用学校印制的课程设计封面及课程设计袋。课程设计袋按要求认真填写，字体要工整，卷面要整洁，手写一律用碳素墨水书写。 课程设计除课程设计袋的其它资料鼓励用计算机打印。 课程设计按统一顺序装订：（1） 、封面（2） 、前言（3） 、目录（4） 、课程设计任务书（须有指导老师签名及日期）（5） 、正文（分章、层次等，每一章从新的一页开始）（6） 、小结 （7） 、参考文献 装订好后放入填写好的资料袋内由各教学单位存档。相关要求可酌情参照“安徽工程科技学院本科毕业设计（论文）管理办

10、法”执行。 指导教师（签名）_ 年 月 日 第一章第一章 概述概述1.11.1 电子琴电子琴设计的背景设计的背景随着电子科技的飞速发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作，因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣。基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就是一个很好的应用方面。计算机是一种严格按照时序进行工作的数字化、智能化机器，实现电子琴的微型化，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。并且可以进行一定的功能扩展。它离不开定时与计数。为了使机器各部件的功能在时序上同步，系统中各个时钟信号都源于同一个主频。定时与计数的方法归纳起来有两大类：软件定时和硬件定时。1.1.

11、1 软件定时法软件定时法软件定时是实现系统定时或延时控制的最简单的方法。软件定时是指cpu 执行一段具有固定延时的循环程序。这种程序常用汇编语言编写，因为汇编语言的每一条指令所占用的时钟周期（t 状态）数是确定的。只有将整个循环体内的每条指令的 t 状态数累加起来，乘以系统的时钟周期。就是该程序执行一遍所需要的固定延时时间。程序设计者可选择不同周期数的指令和不同的循环次数来实现不同的时间延迟。软件定时的优点是不需要外加硬件电路且定时准确。缺点是定时与过程中，cpu 一直在执行该定时程序，不能做其他工作，定时时间越长，cpu 的开销就越大，而且不能响应中断，否则定时就不准确了。因此这种方法多用于

12、较短时间的定时，如用软件延时来消除机械案按键的抖动等。1.1.2 硬件定时法硬件定时法硬件定时是由硬件电路来实现的定时。对于较长时间的定时，一般用硬件电路来完成，一减轻 cpu 的负担，使得在定时周期间 cpu 能做其他的工作。硬件定时又可分为不可编程的和可编程的。不可编程的硬件定时如 555 时基电路、单稳延时电路或计数电路等，是通过外部的 rc 元件来实现定时的。但元件参数一经设定就不能改变，电路调试也比较麻烦。另外，时间一长，电阻电容器件老化，电路工作不稳定，会严重影响定时准确度与稳定性。可编程硬件定时，实际上是一种软硬件结合的定时方法，是为了克服单独的软件定时和硬件定时的缺点，而将硬件

13、电路做成通用的定时/计数器并集成到一个硅片上，其定时参数和工作方式又可由软件来控制。这种定时器/计数器芯片可直接对系统时钟进行计数，通过写入不同的计数初值，可方便地改变定时时间，且定时期间不需要 cpu 管理。intel 公司的 8253 和 8254 就是这样的定时器/计数器芯片。 电子琴的设计，是利用 8253 定时器/计数器、结合其他一些脉冲发生电路、分频器等电路来连接起来，通过键盘输入 1、2、3、4、5、6、7 而产生不同频率的声音来设计。1.21.2 电子琴设计的目标电子琴设计的目标由于本设计主要用于人们娱乐方面，因此在设计上尽量使其安全以及简单易操作。其次，在这次设计可行性上进行

14、分析如下：1、经济可行性：所谓经济可行性，即在这次设计上需要投入资金的多少，由于课程设计是提高我们的动手能力以及资金有限。因此在经济上必须能够承受，比较理想化的对于我们课程设计来说是不可行的。通过分析后，无论是在器件价格或是常见度上均是可行的。2、技术可行性：技术可行性主要是分析技术条件上是否能够顺利开展并完成课程设计的主要问题，硬件、软件能否满足设计者的需要等。通过分析各种软件环境，硬件仿真环境等均已经具备。综上所述，本系统设计目标已经明确，在经济与技术上均可行，因此本系统的开发是完全可行的。1.31.3 设计的意义设计的意义通过课程设计培养同学们的系统设计能力，使同学们达到以下能力训练：通

15、过课程设计培养同学们的系统设计能力，使同学们达到以下能力训练：(1)、调查研究、分析问题的能力；(2)、使用设计手册、技术规范的能力；(3)、查阅中外文献的能力；(4)、制定设计方案的能力；(5)、计算机应用的能力；(6)、设计计算和绘图的能力；(7)、技术经济指标的分析能力；(8)、语言文字表达能力。1.41.4 设计环境设计环境 1.4.1 设计环境及语言设计环境及语言dj_598k 实验开发系统；pc 机；基于 8088 cpu 汇编语言进行编写；1.4.2 8088 系统地址系统地址8088 有 1mb 存储空间，系统提供用户使用的空间为 00000h-0ffffh， 用于存放、调试实

16、验程序。具体分配如下： 存贮器地址分配存贮器地址分配表 1-1 存贮器地址分配 i/oi/o 地址分配地址分配表 1-2 i/o 地址分配(一)表 1-3 i/o 地址分配(二)监控占用 00004h-0000fh 作为单步（t） 、断点（int3） 、无条件暂停（nmi）中断矢量区， 用户也可以更改这些矢量， 指向用户的处理， 但失去了相应的单步、断点、暂停等监控功能。f0000hfffffh 监控程序区系统占用。第二章第二章 系统设计系统设计2.12.1 设计总要求设计总要求本次课程设计要设计一个电子琴，使用数字键 1、2、3、4、5、6、7 作为电子琴键，按下数字键发出相应的音调。 1、

17、根据音阶频率表，利用定时器可以产生相应的脉冲信号，不同频率的脉冲信号经驱动电路放大后，就会发生不同的音调。2、对于每一个按键的音调发音时间由软件延时控制，如一直按下，就会连续发音。基本要求：(1)、设计实验电路（要求利用试验仪的硬件资源）(2)、分析实验原理(3)、列出实验接线表(4)、采用汇编语言编写实验程序(5)、通过实验验证功能的实现(6)、编写课程设计说明书并希望在设计电子琴的过程中了解微机利用定时器产生音乐的基本方法，进一步熟悉定时器编程方法，熟悉键盘扫描电路工作原理及编程方法， ，加深对微型计算机接口应用技术的理解和认识，进一步增强自己的动手能力。2.22.2 设计原理设计原理要使

18、扬声器发出不同的音调，就得输入不同频率的波形。通过给 8253 定时/计数器装入不同的计数值，可以使其输出不同频率的方波。经过放大器的放大作用，便可驱动扬声器发 出不同的音调，只要插入一段延时程序之后，再将扬声器切断，音调的声音就可以持续一端时间。通过计算机的不同按键输出不同的音调，需要使用系统调用功能以接收键入字符，并且要建立一张表，使键入字符与频率构成一个对应关系。1、根据音阶频率表，利用定时器可以产生相应的脉冲信号，不同频率的脉冲信号经驱动电路放大后，就会发生不同的音调。2、对于每一个按键的音调发音时间由软件延时控制，如一直按下，就会连续发音。各音阶标称频率值：音阶1234567频率（h

19、z）440.00493.88554.37587.33659.26739.99830.61 2.32.3 软件设计和音乐相关知识软件设计和音乐相关知识 乐音听起来有的高，有的低，这就叫音高，音高是由发音物体振动频率的高低决定的，频率高声音就高，频率低声音就低，不同音商的乐音是用c、d、e、f、g、a、b 表示的，这 7 个字母就是乐音的音名，它们一般依次唱成 do、re、mi、fa、so、la、si，这是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示，休止符表示暂停发音。一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同的频率，这样就可以利用不同频率的组合，加以与拍数对

20、应的延时，构成音乐。因此控制驱动脉冲的频率和持续时间就是编写乐曲程序的关键。频率对应 8253 的计数初值，而乐曲中的节拍决定了各音频持续的时间。电子琴由脉冲产生电路模块、分频器电路模块、8253 定时/计数器模块、音频功效模块四大部分组成。具体选择如下：（1）脉冲产生电路 8mhz ； （2）分频器电路 t1_2.0mhz; (3) 8253 定时器/计数器 工作方式 3（具有自动重装载功能） ，clk0,out0（发出音频信号）; (4) 音频功效模块 vin1；整个设计的程序主流程图如图 2.6 所。调显示子程序是数字键 17？用键值查表得到音频相关数据按音频数据设置计数器初值启动定时器

21、，开始发声延时关闭定时，停止发声是否开始 图 2.6 电子琴程序流程图定时器子程序图如图 2.7 所示。设置定时器子程序保存音频数据设置定时器工作方式取出音频数据音频数据输出到定时器返回图 2.7 设置定时器子程序流程图2.42.4 硬件设计硬件设计2.4.1 8253 编程定时编程定时/计数器计数器(1)(1) 82538253 的内部结构的内部结构 8253 内部主要由数据总线缓冲器、读/写逻辑电路、控制字存储器、计数器四部分组成。(2)(2) 82538253 的功能用途的功能用途 1、延时中断； 2、可编程频率发生器； 3、事件计数器； 4、二进制倍频器； 5、实时时钟； 6、数字单稳

22、； 7、复杂的电机控制器；(3)(3) 82538253 主要特性主要特性8253 是为微型计算机配套而设计的一个可编程定时器/计数器芯片，24引脚双列直插式封装。其主要特性是： 单一正 5v 电源，nmos 工艺制造；单片内具有三个独立的 16 位减法计数器（或称计数通道） ，每个计数器又可分为两个 8 位计数器；技数频率为：02mhz；两种计数方式：即二进制或 bcd 码方式计数；六种工作方式，既可对系统时钟脉冲计数实现定时，又可对外部事件进行计数；可由软件或硬件控制开始计数或停止计数。 （4 4）82538253 的实验模块的实验模块( (如图如图 2.1)2.1) 图 2.1 8253

23、 引脚图（5 5）82538253 芯片的插孔连接芯片的插孔连接cs3_8253 的片选信号out0_通道 0 的输出端；out1_通道 1 的输出端；clk0_通道 0 的时钟输入端；clk1_通道 1 的时钟输入端；gata0_通道 0 的门控信号输入端；gata1_通道 1 的门控信号输入端； 2.4.2 脉冲发生电路脉冲发生电路（a3）实验台上提供 8mhz 的脉冲源，它由三片 74ls04、两个电阻、一个电容、8mhz 总共四部分组成脉冲发生电路( 如图 2.2)，实验台上标有 8mhz 的插孔，即为脉冲的输出端。图 2.2 脉冲发生电路图2.4.3 音频功效模块（音频功效模块（b3

24、）音频功效模块（如图 2.4）是由无极性电容、有极性电解电容、lm386、jp、sp 组成。连接插孔：vin_音频输入； vout_音频输出；图 2.4 音频功效模块图lm386 芯片介绍： (1)(1) 功能介绍：功能介绍：lm386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。lm386 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

25、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。 lm386 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 (2)(2)特性：特性：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 5-18v；外围元件少；电压增益可调,20-200；低失真度。2.4.4 分频电路（分频电路（c5）分频电路 i（如图 2.1）是由一片 74ls393 组成，t 为脉冲输入端，t0t7 为分频输出插孔。该计数器在加电时由 reset 信号清零。当脉冲输入8.0mhz 时，t0t7 输出脉冲频率依次为4.0m

26、hz、2.0mhz、1.0mhz、500khz、250khz、125khz、62500khz、31250hz.连接插孔：t_脉冲输入端；t0t7_脉冲输出端；t0_4.0mhz; t1_2.0mhz; t2_1.0mhz; t3_500khz;t4_250khz; t5_125khz; t6_62500hz; t7_31250hz; 图 2.3 分频电路图2.52.5 设计原理图设计原理图 根据电子琴的设计原理要求，再加上选用的硬件资源，进行相应的逻辑设计后，得到的原理图（如图 2.5） 。 图 2.5 电路原理图 2.62.6 实验接线实验接线（1）脉冲发生电路产生的 8mhz 连接到分频电

27、路的 t_脉冲输入端；（2）分频电路的输出端 t1(t1_2.0mhz)连接到 8253 的 clk0；（3）out0 连接到 vin1 音频输入端；（4）gate0 连接到 pb0；（5）jp 连接到+5v（on） ；第三章第三章 代码设计及调试代码设计及调试 3.13.1 代码设计代码设计3.1.1 计数初始化计数初始化采用 t1_2.0mhz 时，按照各音阶频率，计算各计数初值，其对应关系如下：440.00hz-4545；493.00hz-4050；554.37hz-3607；587.33hz-3405；659.26hz-3034；739.99hz-2703；830.61hz-2408；

28、3.1.2 代码程序代码程序 code segment assume cs:code,ds:codecontrol equ 43hcount0 equ 40hcount1 equ 41hcount2 equ 42hioconpt equ 0ff2bhiobpt equ 0ff29hioapt equ 0ff28hpa equ 0ff20h ;字位口pb equ 0ff21h ;字形口pc equ 0ff22h ;键入口org 18f0hstart2: jmp start1buf db ?,?,?,?,?,?kz db ?ltime db ?lkey db ?zp dw ?data0: db 0

29、c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8hdb 80h,90h,88h,83h,0c6h,0a1hdb 86h,8eh,0ffh,0ch,89h,0deh,0c7h,8ch,0f3h,0bfh,8fh,0f1hdata2: dw 4545, 4050, 3607, 3405 dw 3034, 2703, 2408, 2273start1: mov ax,csmov ds,axcall buf1mov al,88hmov dx,ioconptout dx,almov dx,iobptmov al,00out dx,almov zp,offset bufredikey:

30、call dispkeycmp kz,09hjnc redikeycmp kz,01hjc redikeymov bx,zpmov al,kzmov bx,alcmp bx,offset buf+5jz zp1inc bxmov zp,bxjmp outtonezp1: mov zp,offset bufouttone:mov dx,iobptmov al,0ffhout dx,almov al,kzmov ah,00hdec axshl ax,1mov bx,offset data2add bx,axmov ax,bxcall t8253mov cx,20hcon1: push cxcall

31、 disppop cxloop con1mov dx,iobptmov al,00out dx,aljmp redikeyt8253: push axmov al, 36h ; 计数器 0, 16 位二进制,方式 3。mov dx, controlout dx, alpop axmov dx, count1out dx, almov al, ahout dx, alretdispkey:call dispcall keymov ah,al ;newkeymov bl,ltime ;ltimemov bh,lkey ;lkeymov al,01hmov dx,pa ;0ff21hout dx,a

32、lcmp ah,bhmov bh,ah ;bh=new keymov ah,bl ;al=timejz disk4mov bl,88hmov ah,88hdisk4: dec ahcmp ah,82hjz disk6cmp ah,0ehjz disk6cmp ah,00hjz disk5mov ah,20hdec bljmp disk7disk5: mov ah,0fhdisk6: mov bl,ahmov ah,bhdisk7: mov ltime,blmov lkey,bhmov kz,bhmov al,ahretkey: mov al,0ffhmov dx,pbout dx,almov

33、bl,00hmov ah,0fehmov cx,08hkey1: mov al,ahmov dx,paout dx,alrol al,01hmov ah,alnopnopnopnopnopnopmov dx,pcin al,dxnot alnopnopand al,0fhjnz key2inc blloop key1jmp nkeykey2: test al,01hje key3mov al,00hjmp key6key3: test al,02hje key4mov al,08hjmp key6key4: test al,04hje key5mov al,10hjmp key6key5: t

34、est al,08hje nkeymov al,18hkey6: add al,blcmp al,10hjnc fkeymov bl,almov bh,0hmov si,offset data2mov al,bx+siretnkey: mov al,20hfkey: retdata1: db 07h,04h,08h,05h,09h,06h,0ah,0bhdb 01h,00h,02h,0fh,03h,0eh,0ch,0dhdisp: mov al,0ffh ;00hmov dx,paout dx,almov cl,0dfh ;20h ;显示子程序 ,5msmov bx,offset bufdis

35、1: mov al,bx mov ah,00hpush bxmov bx,offset data1add bx,axmov al,bxpop bxmov dx,pbout dx,almov al,clmov dx,paout dx,alpush cxdis2: mov cx,0a0h loop $ pop cxcmp cl,0fehjz lx1inc bxror cl,1jmp dis1lx1: mov al,0ffhmov dx,pbout dx,alretbuf1: mov buf,11hmov buf+1,10hmov buf+2,10hmov buf+3,10hmov buf+4,10

36、hmov buf+5,10hret code endsend start3.23.2 系统调试系统调试电路调试是整个系统功能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分：硬件调试、软件调试和综合调试。3.2.1 硬件调试硬件调试硬件调试主要是针对接口部分进行调试。在上电前，先确保电路中不在断路或短路情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要使用的工具是万用表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。注意焊点之间，确保焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及短路的现象出现。在确保硬件电路正常，无异常情况(断路或短路)方可上电调试，上电调试的目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次设计中，上电调试主要键盘接口控制部分和音频转换电路硬件调试。3.2.2 软件调试软件调试调试主要方