嵌入式简易电子琴系统设计报告

目录1绪论.........................................................11.1综合设计目的...........................................11.2简易电子琴简介.........................................11.2.1电子琴在中国的发展................................11.2.2电子琴发明的意义..................................11.2.3电子琴的电学原理..................................21.3芯片简介................................................21.3.1LM3S2110微控制器.................................21.3.2ARMCortex-M3处理器内核..........................31.3.3通用输入/输出端口（GPIO）.........................31.3.4脉宽调制器(PWM)..................................32综合设计内容.................................................42.1综合设计题目............................................42.2综合设计要求............................................42.2.1主要内容..........................................42.2.2主要技术指标、要求................................42.2.3所用设备与器材....................................43硬件方案.....................................................53.1系统硬件的构成与原理...................................53.2ARM2110开发板原理与应用...............................53.2.1LM3S2110特性概述.................................53.2.2LM3S2110的GPIO特性..............................63.3独立按键...............................................63.4矩阵键盘...............................................73.5蜂鸣器..................................................83.6LED灯应用方式..........................................93.71602字符液晶屏........................................104软件方案....................................................114.1设计原理框图...........................................114.2程序流程图.............................................114.3导线连接方案...........................................124.4调试过程...............................................135结束语......................................................145.1设计总结与感想.........................................145.2答谢词.................................................14参考文献......................................................15附录一ARM2110芯片..........................................16附录二4×4矩阵键盘..........................................16附录三蜂鸣器模块.............................................17附录四LCD显示屏.............................................17附录五LED灯模块.............................................18附录六实验成果图.............................................18附录七程序清单...............................................191.头文件..................................................192.定义LED.................................................193.定义KEY.................................................194.LCD模块使能.............................................195.LCD显示.................................................206.LED灯模块...............................................212012.6上海师范大学天华学院电子工程系ARM综合设计11绪论1.1综合设计目的通过本次综合设计，运用已学的课程知识，根据题目要求进行软硬件系统的设计和调试,对《嵌入式系统原理与应用》课程中涉及的芯片结构、控制原理、硬件和编程等方面有一定的感性认识和实践操作能力，从而加深对本课程知识点的理解，使应用知识能力、设计能力、调试能力以及报告撰写能力等方面有显著提高。1.2简易电子琴简介电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，它在现代音乐中扮演着重要角色。1.2.1电子琴在中国的发展在中国，1958年北京邮电学院研制了一台电子管单音电子琴。由于种种原因，至1977年后，我国才大批生产电子琴。1989年，我国年产儿童电子琴200万台，并出口39万台。中国的电子琴事业正在迅速发展。电子琴发展很快，琴的各项功能日趋完善。音色和节奏有最初的几种发展到现在的几百种。除寄存音色外，还可通过插槽外接音色卡。合成器的某些功能，如音色的编辑修改、自编节奏、多轨录音、演奏程序记忆等也运用到电子琴上。1.2.2电子琴发明的意义电子琴的发明具有重大的意义：（一）电子琴的发明极大地推动了流行音乐的发展；现代的流行音乐离不开电子琴，键盘手一般是现代电声乐队的中坚力2ＸＸＸ：简易电子琴系统2012.6量。（单排键）电子琴、电吉他、架子鼓是流行音乐的三项主流乐器。（二）电子琴的发明使人们可以演奏出未曾拥有的音色，丰富了人们情感的表现；电子琴创造出了许多其他乐器无法演奏出的音色，甚至自然不存在的音色，这些音色帮助了人们通过音乐表现自己的情感，在很多电视节目或者音乐作品中都有运用。（三）电子琴的发明推动了音乐的普及，它让音乐真正成为了大众的音乐，成为了人类社会不可缺少的东西。电子琴是目前用于音乐普及教育和音乐素质培养最多的乐器，它的经济性为他在普通家庭中的普及带来了可能。电子琴作为科技与音乐的产物，在信息化和电子化的时代，为音乐的大众化做出了不可磨灭的贡献，现代歌曲的制作，很多都需要电子琴才能完成，然后才通过媒介流传开来，电视剧电影插曲、电视节目音效、甚至你的手机铃声，都很可能包含电子琴的身影。1.2.3电子琴的电学原理现在的电子琴一般使用PCM或AWM采样音源。所谓采样就是录制乐器的声音，将其数字化后存入ROM里，然后按下键时CPU回放该音。甚至有一些高级编曲键盘可以使用外置采样。现代电子琴并非“模仿”乐器音色。它使用的就是真实乐器音色。当然，现在力度触感在电子琴里是必备的。而且现代电子琴还加上了老式电子琴的滤波器，振荡器，包络线控制来制造和编辑音色。甚至也带上了老式电子琴的FM合成机构。1.3芯片简介1.3.1LM3S2110微控制器本次设计任务所要使用到的微控制器是德州仪器(TI)公司提供的LM3S2110微控制器，这款微控制器是基于ARMCortex-M3内核的微控制器，它为对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。该Stellaris系列芯片能够提供高效的性能、广泛的集成功能以及按照要求定位的选择，适用于各种关注成本并明确要求具有的过程控制以2012.6上海师范大学天华学院电子工程系ARM综合设计3及连接能力的应用方案。1.3.2ARMCortex-M3处理器内核Cortex-M3内核主要是应用于小管脚数、低成本和低功耗的场合，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力。Cortex-M3采用了新型的单线调试技术，专门拿出一个引脚来做调试，节约了大笔的调试工具费用。同时，Cortex-M3可以直接在MCU外连接Flash，降低了设计难度和应用障碍，因此其发展趋势亦不容小觑。1.3.3通用输入/输出端口（GPIO）GPIO模块由8个物理GPIO模块组成，每个对应一个独立的GPIO端口（端口A,端口B,端口C,端口D,端口E,端口F,端口G,和端口H）。GPIO模块遵循FiRM规范，并且支持11-40个可编程的输入/输出管脚，具体取决于正在使用的外设。1.3.4脉宽调制器(PWM)脉宽调制（PWM）是一项功能强大的技术，它是一种对模拟信号电平进行数字化编码的方法。在脉宽调制中使用高分辨率计数器来产生方波，并且可以通过调整方波的占空比来对模拟信号电平进行编码。PWM通常使用在开关电源和电机控制中。StellarisPWM模块由1个PWM发生器模块1个控制模块组成。PWM发生器模块包含1个定时器，2个PWM比较器，PWM信号发生器，死区发生器和中断选择器。而控制模块决定了PWM信号的极性，以及将哪个信号传递到管脚。PWM发生器模块产生两个PWM信号，这两个PWM信号可以是独立的信号，也可以是一对插入了死区延迟的互补信号。PWM发生模块的输出信号在传递到器件管脚之前由输出控制模块管理。PWM模块具有极大的灵活性。它可以产生简单的PWM信号，如简易充电泵需要的信号；也可以产生带死区延迟的成对PWM信号，如供半-H桥驱动电路使用的信号。4ＸＸＸ：简易电子琴系统2012.62综合设计内容2.1综合设计题目简易电子琴2.2综合设计要求2.2.1主要内容利用实验资源实现简易电子琴的功能：(1)用蜂鸣器发出不同声音；(2)使用LCD显示器来显示音阶输入的相关信息；(3)当按下键盘组相对按键，蜂鸣器会发出相对音阶单音，共有两个8度音阶；(4)至少可以输入16个单音，可以一起演奏出来；(5)演奏时可以按键中断；(6)可以实时显示目前演奏的单音码。2.2.2主要技术指标、要求(1)充分利用自己设计的开发板的硬件的资源进行设计；(2)通过调整PWM的周期，改变占空比生产不同频率的信号；(3)实现按键发出相对音阶单音；(4)利用1602A动态显示音阶