嵌入式電子琴

1、ARM7的設(shè)計精髓是結(jié)構(gòu)簡單。ARM7內(nèi)核采用了精簡指令集計算機（RISC）設(shè)計思想，所用邏輯門數(shù)較少，硅片面積小，但具有高性能、低功耗的特點，這使得ARM7 成為嵌入式系統(tǒng)的理想選擇。ARM7內(nèi)核包括ARM7TDMI（-S）、ARM720T 等，ARM7TDMI 處理器內(nèi)核已經(jīng)許可給許多世界頂級半導(dǎo)體公司，它是第一個包括Thumb 指令集、快速乘法指令和嵌入式ICE 調(diào)試技術(shù)的內(nèi)核。本論文主要介紹利用213X系列最小系統(tǒng)板，完成一個高級電子琴的設(shè)計，需要設(shè)置琴鍵輸入以及LM386的功率放大驅(qū)動喇叭，主要功能通過程序編譯來完成。引言11 213X系列最小系統(tǒng)板介紹11.1 最小系統(tǒng)板結(jié)構(gòu)21.

2、2 片內(nèi)FLASH程序儲存器21.3 片內(nèi)靜態(tài)RAM31.4 存儲器映射概念和操作方式31.5 系統(tǒng)控制模塊42 琴鍵鍵盤52.1 行列式鍵盤工作原理52.2 鍵盤識別原理62.3 鍵盤電路介紹63 LM386與蜂鳴器介紹73.1 LM386介紹73.2 特性介紹73.3 蜂鳴器簡介83.4 蜂鳴器驅(qū)動電路分析84 電路板的制作及調(diào)試104.1 電路圖的繪畫104.2 電路板的制作101 213X系列最小系統(tǒng)板介紹 LPC2131/2132/2138 是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，并帶有32kB、64kB、512 kB 的嵌入的高速

3、Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16 位Thumb®模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。較小的封裝和極低的功耗使 LPC2131/2132/2138 可理想地用于小型系統(tǒng)中，如訪問控制和POS 機。寬范圍的串行通信接口和片內(nèi)8/16/32kB的SRAM使LPC2131/2132/2138 非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟modem、聲音辨別和低端成像，為它們提供巨大的緩沖區(qū)空間和強大的處理功能。多個32位定時器、1個或2 個10 位8 路ADC、10 位DAC、PWM

4、 通道和47個GPIO 以及多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。1.1 最小系統(tǒng)板結(jié)構(gòu) LPC2131/2132/2138 包含一個支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7 局部總線、與中斷控制器接口的AMBA 高性能總線（AHB）和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI 外設(shè)總線（VPB，ARMAMBA 總線的兼容超集）。LPC2131/2132/2138 將ARM7TDMI-S 配置為小端（little-endian）字節(jié)順序。AHB 外設(shè)分配了2M 字節(jié)的地址范圍，它位于4G 字節(jié)ARM 存儲器空間的最頂端。每個AHB 外設(shè)都分配了16

5、k 字節(jié)的地址空間。LPC2131/2132/2138 的外設(shè)功能（中斷控制器除外）都連接到VPB 總線。AHB到VPB 的橋?qū)PB 總線與AHB 總線相連。VPB 外設(shè)也分配了2M 字節(jié)的地址范圍，從3.5GB 地址點開始。每個VPB 外設(shè)在VPB 地址空間內(nèi)都分配了16k 字節(jié)地址空間。片內(nèi)外設(shè)與器件管腳的連接由管腳連接模塊控制。該模塊必須由軟件進行控制以符合外設(shè)功能與管腳在特定應(yīng)用中的需求。表1：LPC2131/2132/2138器件信息器件 管腳數(shù)片內(nèi)RAM片內(nèi)FLASH10位A/D通道數(shù)10位D/A通道數(shù)LPC2131 64 8KB32KB 8 -LPC2132 6416KB16K

6、B 8 -LPC2138 6432KB512KB 16 -1.2 片內(nèi)FLASH程序儲存器LPC2131/2132/2138 分別含有32kB、64kB 和512kB 的FLASH 存儲器系統(tǒng)。該存儲器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲。對FLASH 存儲器的編程可通過幾種方法來實現(xiàn)：通過內(nèi)置的串行JTAG 接口，通過在系統(tǒng)編程（ISP）和UART0，或通過在應(yīng)用編程（IAP）。使用在應(yīng)用編程的應(yīng)用程序也可以在應(yīng)用程序運行時對FLAH 進行擦除和/或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件的升級都帶來了極大的靈活性。如果LPC2131/2132/2138 使用了片內(nèi)引導(dǎo)裝載程序（bootloader），32/64

7、/512kB 的Flash 存儲器就可用來存放用戶代碼。LPC2131/2132/2138 的Flash 存儲器至少可擦除/編程10,000 次，保存數(shù)據(jù)的時間長達(dá)10 年。1.3 片內(nèi)靜態(tài)RAM片內(nèi)靜態(tài)RAM（SRAM）可用作代碼和/或數(shù)據(jù)的存儲，支持8 位、16 位和32 位的訪問。LPC2131/2132/2138 含有8/16/32kB 的靜態(tài)RAM。LPC2131/2132/2138 SRAM 是一個字節(jié)尋址的存儲器。對存儲器進行字和半字訪問時將忽略地址對準(zhǔn)，訪問被尋址的自然對準(zhǔn)值（因此，對存儲器進行字訪問時將忽略地址位0 和1，半字訪問時將忽略地址位0）。因此，有效的讀寫操作要求半

8、字?jǐn)?shù)據(jù)訪問的地址線0 為0（地址以0、2、4、6、8、A、C 和E 結(jié)尾），字?jǐn)?shù)據(jù)訪問的地址線0 和1 都為0（地址以0、4、8 和C 結(jié)尾）。該原則同樣用于片外和片內(nèi)存儲器。SRAM 控制器包含一個回寫緩沖區(qū)，它用于防止CPU 在連續(xù)的寫操作時停止運行。回寫緩沖區(qū)總是保存著軟件發(fā)送到SRAM 的最后一個字節(jié)。該數(shù)據(jù)只有在軟件請求下一次寫操作時才寫入SRAM（數(shù)據(jù)只有在軟件執(zhí)行另外一次寫操作時被寫入SRAM）。如果發(fā)生芯片復(fù)位，實際的SRAM 內(nèi)容將不會反映最近一次的寫請求（即：在一次“熱”芯片復(fù)位后，SRAM 不會反映最后一次寫入的內(nèi)容）。任何在復(fù)位后檢查SRAM 內(nèi)容的程序都必須注意這一點

9、。通過對一個單元執(zhí)行兩次相同的寫操作可保證復(fù)位后數(shù)據(jù)的寫入。或者，也可通過在進入空閑或掉電模式前執(zhí)行虛寫（dummy write）操作來保證最后的數(shù)據(jù)在復(fù)位后被真正寫入到SRAM。1.4 存儲器映射概念和操作方式LPC2131/2132/2138 的基本的概念是：每個存儲器組在存儲器映射中都有一個“物理上的”位置。它是一個地址范圍，該范圍內(nèi)可寫入程序代碼。每一個存儲器空間的容量都永久固定在同一個位置，這樣就不需要將代碼設(shè)計成在不同地址范圍內(nèi)運行。由于ARM7 處理器上的中斷向量位置（地址0x0000 00000x0000 001C，見表2），Boot Block 和SRAM空間的一小部分需要重

10、新映射來實現(xiàn)在不同操作模式下對中斷的使用，見表2。中斷的重新映射通過存儲器映射控制特性來實現(xiàn)，詳見系統(tǒng)控制模塊一節(jié)。表2：LPC2131/2132/2138 存儲器映射模式 模式激活用途Boot裝載程序模式由任何復(fù)位硬件激活在任何復(fù)位后都會執(zhí)行 Boot 裝載程序。Boot Block 中斷向量映射到存儲器的底部以允許處理異常并在Boot 裝載過程中使用中斷。用戶Flash模式由Boot代碼軟件激活當(dāng)在存儲器中識別了一個有效的用戶程序標(biāo)識并且Boot 裝載操作未被執(zhí)行時，由Boot 裝載程序啟動。中斷向量沒有重新映射，它位于Flash 存儲器的底部。用戶RAM模式由用戶程序軟件激活由用戶程序激

11、活。中斷向量重新映射到靜態(tài) RAM 的底部。1.5 系統(tǒng)控制模塊系統(tǒng)控制模塊功能匯總：系統(tǒng)控制模塊包括幾個系統(tǒng)特性和控制寄存器，這些寄存器具有眾多與特定外設(shè)器件無關(guān)的功能。1、晶體振蕩器2、外部中斷輸入3、存儲器映射控制4、PLL5、功率控制6、復(fù)位7、VPB 分頻器8、喚醒定時器每種類型的功能都有其自身的寄存器，不需要的位則定義為保留位。為了滿足將來擴展的需要，無關(guān)/的功能不共用相同的寄存器地址。表3：系統(tǒng)控制模塊功能相關(guān)的管腳管腳名稱管腳方向管腳描述X1輸入晶振輸入-振蕩器和內(nèi)部時鐘發(fā)生器電路的輸入X2輸出晶振輸出-振蕩器放大器的輸出EINT0輸入外部中斷輸入0-低有效的通用中斷輸入。該管

12、腳可用于將處理器從空閑或掉電模式中喚醒。P0.1和P0.16可用作EINT0 功能。EINT1輸入外部中斷輸入1-見上面的EINT0 描述。P0.3 和P0.14可用作EINT1 功能。復(fù)位后管腳 P0.14上立即出現(xiàn)的低電平被看作是一個啟動ISP 命令處理器的外部硬件請求EINT2輸入外部中斷輸入2-見上面的EINT0 描述。P0.7 和P0.15 可用作EINT2 功能。EINT3輸入外部中斷輸入3-見上面的EINT0 描述。P0.9,P0.20和P0.30可用作EINT3 功能。RESET輸入外部復(fù)位輸入-該管腳上的低電平將芯片復(fù)位，使I/O 口和外設(shè)恢復(fù)其默認(rèn)狀態(tài)，并使處理器從地址0

13、開始執(zhí)行程序。 圖1.5 LPC2138管腳排列圖2 琴鍵鍵盤2.1 行列式鍵盤工作原理ARM嵌入式系統(tǒng)使用常用的行列式鍵盤電路，此電路的優(yōu)點是比較節(jié)省I/0口線，并且接口簡單。它的工作模式如下圖所示。它的行線與按鍵的一個引腳相連，列線與按鍵的另一個引腳相連。平時列線被置成低電平，沒有按鍵被按下時，行線保持高電平，而有按鍵被按下時，行線被拉成低電平。圖2.1 鍵盤掃描模式2.2 鍵盤識別原理對于常規(guī)的按鍵識別過程一般分為以下幾步：（1）判斷按鍵是否按下。（2）延時去除按鍵抖動。（3）再判斷是否真的按下。（4）是真的按下，則執(zhí)行按鍵處理程序。（5）等待按鍵釋放。為了考慮提高CPU的效率和充分利用

14、CPU的資源等因素，可將第2步和第5步的延時和等待過程用其他方式代替。2.3 鍵盤電路介紹為了實現(xiàn)電子琴的輸入，需要擴展鍵盤以作為控制輸入。系統(tǒng)采用LPC2124的P1.16P1.23端口引腳作為4X4矩陣鍵盤的擴展接口，電路原理圖如圖2.2所示。圖2.3 矩陣式鍵盤電路在擴展鍵盤時需要解決兩個問題，一是鍵盤的抖動，二是多鍵同時按下。鍵盤的去抖動可通過軟件的適當(dāng)延時實現(xiàn)，即在讀入端口P1.16P1.19后，適當(dāng)延時一段時間，再讀入端口P1.20P1.23，兩次比較后確定按鍵是否真按得下。多鍵同時按下也可通過軟件設(shè)計屏蔽多按下的鍵，對于同一列的鍵同時按下，可以只取鍵值最小的鍵，屏蔽值大的鍵，或反

15、之。對于不同列的鍵，可以將P1.20P1.23設(shè)置優(yōu)先級，如P1.20最高，P1.23最低，或反之。這樣，只取優(yōu)先級高的鍵，屏蔽優(yōu)先級低的鍵。在ARM中，必須將管腳置為GPIO口后才能將管腳作為I/O口的功能來使用，由于在I/O的初始化中已經(jīng)將用到的管腳設(shè)置為GPIO口，固可以將管腳作為I/O口的功能來使用。具體方法如下：先將P1.16-P1.19這4列端口設(shè)置為輸入管腳并且置為低電平，然后將P1.20-P1.23這4行端口設(shè)置為輸出管腳并且置為高電平，通過判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下則可以首先確定4行端口的代碼，接著再將4列端口設(shè)置為輸出管腳并且置為高電平，將4行端口設(shè)置為輸入管腳并且

16、置為低電平，以此來決定4列端口的代碼，然后再講4列端口代碼和4行端口代碼按照4行為高4位，4列為低4位的順序排成一個8位代碼。3.1 LM386介紹LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大 器,主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調(diào)為任意值,直至 200。輸入端以地位參考,同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半,在6V電源電壓下,它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。本次實訓(xùn)中需要用到LM386構(gòu)成放大電路，與蜂鳴器相連。 LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。

17、 圖3.1 LM386管腳圖3.2 特性介紹靜態(tài)功耗低,約為4mA,可用于電池供電。 工作電壓范圍寬,4-12V或者5-18V。 外圍元件少。 電壓增益可調(diào),20-200。 低失真度。 圖3.2 典型LM386應(yīng)用電路3.4 蜂鳴器驅(qū)動電路分析蜂鳴器驅(qū)動電路分析如下：1蜂鳴器發(fā)聲元件，在其兩端施加直流電壓（有源蜂鳴器）或者方波（無源蜂鳴器）就可以發(fā)聲，其主要參數(shù)是外形尺寸、發(fā)聲方向、工作電壓、工作頻率、工作電流、驅(qū)動方式（直流/方波）等。這些都可以根據(jù)需要來選擇。2續(xù)流二極管蜂鳴器本質(zhì)上是一個感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個續(xù)流二極管提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，

18、可能損壞驅(qū)動三極管，并干擾整個電路系統(tǒng)的其它部分。3濾波電容濾波電容1的作用是濾波，濾除蜂鳴器電流對其它部分的影響，也可改善電源的交流阻抗，如果可能，最好是再并聯(lián)一個220uF的電解電容。4三極管三極管Q1起開關(guān)作用，其基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲；而基極低電平則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。 圖5：實際選用驅(qū)動放大電路5 總結(jié)本次實訓(xùn)的主要內(nèi)容：基于嵌入式ARM的高級電子琴設(shè)計。它的主要功能是：至少播放兩首歌曲，有兩個音階。這就是說電路要涉及播放模塊和鍵盤輸入。查閱LPC213X系列最小系統(tǒng)板的相關(guān)資料，查找一些以應(yīng)用嵌入式ARM的仿真實例,分析各個實例的工作原理,將各個實例的

19、有用模塊綜合運用得到本實訓(xùn)基于嵌入式ARM的高級電子琴設(shè)計的原理圖,該圖主要包括三個模塊:4*4鍵盤、PWM脈沖輸出、功率放大電路?？刂芁PC213X系列最小系統(tǒng)板的P0.9口輸出PWM脈沖發(fā)出不同頻率使蜂鳴器發(fā)出不同的聲音，P0.9口外接功放電路連接蜂鳴器發(fā)聲。按鍵輸入功能最終確定采用4*4的矩陣鍵盤作為電子密碼鎖的鍵盤控制。經(jīng)過網(wǎng)上收集資料與同學(xué)之間的討論，終于明白了鍵盤掃描的工作原理，然后再根據(jù)ARM芯片LPC2132的管腳配置結(jié)合數(shù)碼管顯示最終實現(xiàn)了鍵盤輸入的功能。依靠程序完成大部分的功能，所以程序的調(diào)試是重中之重。主程序：*功能: 使用PWM6輸出PWM信號,通過濾波電路實現(xiàn)DAC轉(zhuǎn)

20、換.由KEY1控制PWM占空比,每按一次* 按鍵將會改變一次PWM的占空比*/#include "music.h"#include <LPC21xx.H>#include <string.h>#include <stdio.h>#define Fosc 11059200 /Crystal frequence,10MHz25MHz，should be the same as actual status. /應(yīng)當(dāng)與實際一至晶振頻率,10MHz25MHz，應(yīng)當(dāng)與實際一至#define Fcclk (Fosc * 4) /System frequ

21、ence,should be (132)multiples of Fosc,and should be equal or less than 60MHz. /系統(tǒng)頻率，必須為Fosc的整數(shù)倍(132)，且<=60MHZ#define Fcco (Fcclk * 4) /CCO frequence,should be 2、4、8、16 multiples of Fcclk, ranged from 156MHz to 320MHz. /CCO頻率，必須為Fcclk的2、4、8、16倍，范圍為156MHz320MHz#define Fpclk (Fcclk / 4) * 1 /VPB clo

22、ck frequence , must be 1、2、4 multiples of (Fcclk / 4). /VPB時鐘頻率，只能為(Fcclk / 4)的1、2、4倍typedef unsigned int uint32; /* defined for unsigned 32-bits integer variable 無符號32位整型變量 */typedef unsigned char uint8; /* defined for unsigned 8-bits integer variable 無符號8位整型變量 */#define KEY_ROW (0x00f00000) /(0xf0

23、<<24)#define KEY_COL (0x000f0000) /(0x0f<<24)unsigned char KeyFlag,KeyID=20,i=0,c=1,ii;unsigned char flag=0;void Key_Delay(unsigned long t) while(t-);void KeyBoard_Scan()unsigned char KeyTemp1,KeyTemp2;IO1DIR&=KEY_COL;IO1DIR|=KEY_ROW;IO1SET=KEY_COL;IO1CLR=KEY_ROW;Key_Delay(1000);KeyT

24、emp1=(IO1PIN>>16)&0x0f;if(0x0f!=KeyTemp1) Key_Delay(10000);KeyTemp1=(IO1PIN>>16)&0x0f;if(0x0f!=KeyTemp1) IO1SET=KEY_ROW; IO1DIR&=KEY_ROW; IO1DIR|=KEY_COL; IO1CLR=KEY_COL; Key_Delay(1000); KeyTemp2=(IO1PIN>>20) & 0x0f; KeyTemp2<<=4; KeyTemp2|=KeyTemp1; switch(K

25、eyTemp2) case 0xEE: KeyID=0;flag=1; break;case 0xED: KeyID=1;flag=1; break; case 0xEB: KeyID=2;flag=1; break; case 0xE7: KeyID=3;flag=1; break; case 0xDE: KeyID=4;flag=1; break; case 0xDD: KeyID=5;flag=1; break;case 0xDB: KeyID=6;flag=1; break;case 0xD7: KeyID=7;flag=1; break;case 0xBE: KeyID=8;flag

26、=1; break;case 0xBD: KeyID=9;flag=1; break; case 0xBB: KeyID=10;flag=1; break;case 0xB7: KeyID=11;flag=1; break;case 0x7E: KeyID=12;flag=1; break; /輸入琴鍵case 0x7D: KeyID=13;flag=1;break;case 0x7B: KeyID=14;flag=1; break;case 0x77: KeyID=15;flag=1;break;/確認(rèn)default: KeyID=16;flag=1; break;KeyFlag=1;/wh

27、ile(0x0f!=(IO1PIN>>20)&0x0f);else KeyFlag=0;else KeyFlag=0; /*名稱:uint32 HCMM *功能:歌曲曲譜 */const uint32 button = _DO,_RE,_MI,_FA,_SO,_LA,_TI,_DO1,_RE1,_MI1,_FA1,_SO1,_LA1,_TI1,;const uint32 music_01 = _MI, _MI, _FA, _SO, _SO, _FA, _MI, _RE, _DO, _DO, _RE, _MI, _MI, _RE, _RE,_MI, _MI, _FA, _SO

28、, _SO, _FA, _MI, _RE,_DO, _DO, _RE, _MI, _RE, _DO, _DO,_RE, _RE, _MI, _DO, _RE, _MI, _FA, _MI,_DO,_RE, _MI, _FA, _MI, _DO, _DO, _RE, _SO,_MI, _MI, _FA, _SO, _SO, _FA, _MI, _RE, _DO, _DO, _RE, _MI, _RE, _DO, _DO,;/* 歌曲節(jié)拍 */const uint32 music_01_L = 6590, 6590, 6980, 7840, 7840, 6980,6590, 5870,5230,

29、5230, 5870, 6590, 6590, 5870, 5870,6590, 6590, 6980, 7840, 7840, 6980,6590, 5870,5230, 5230, 5870, 6590, 5870, 5230, 5230,5870, 5870, 6590, 5230, 5870, 6590, 6980, 6590, 5230,5870, 6590, 6980, 6590,5230, 5230, 5870, 6840,6590, 6590, 6980, 6840, 6840, 6980,6590, 5870,5230, 5230, 5870, 6590, 5870, 523

30、0, 5230,;const uint32 music_02 = _LA, _SO, _MI, _LA, _SO, _MI,_LA, _LA, _SO, _LA,_LA, _SO, _MI, _LA, _SO, _MI,_RE, _RE, _DO, _RE,_MI, _MI, _SO, _LA, _DO1, _LA, _SO,_MI, _MI, _SO, _DO,_MI, _MI, _MI, _MI, _MI,_1LA,_1LA,_1SO,_1LA,;const uint32 music_02_L = 8800, 7840, 6590, 8800, 7840, 6590,8800, 8800,

31、 7840, 8800,8800, 7840, 6590, 8800, 7840, 6590,5870, 5870, 5230, 5870,6590, 6590, 7840, 8800, 10470, 8800, 7840,6590, 6590, 7840, 5230,6590, 6590, 6590, 6590, 6590,4400, 4400, 3920, 4400,;/* 函數(shù)名稱: Delay* 功能描述: 軟件延時函數(shù)*/void Delay(uint8 dly) uint32 i; for(; dly > 0; dly-) for(i = 0; i < 0x0D000;

32、 i+);/*名稱: main()*功能: 使用PWM6輸出占空比可調(diào)的PWM波形*/int main(void) / PINSEL1=0x00000000; IO0DIR = 0xBFF63CFF; / IO1DIR = 0xFF00FFFF; /其他引腳設(shè)置為GPIO PINSEL0=0x00080000; /設(shè)置P0.0為PWM1輸出 PWMPR=0x00; /不分頻,計數(shù)頻率為Fpclk PWMMCR=0x02; /設(shè)置PWMMR0匹配時復(fù)位PWMTC PWMMR0=Fpclk/1000; /設(shè)置PWM周期 PWMMR6=PWMMR0/2; /設(shè)置PWM占空比 PWMLER=0x41; /PWMMR0,PWMMR6鎖存 PWMPCR=0x4000; /允許PWM6輸出,單邊PWM PWMTCR=0x09; /啟動定時器,PWM使能