基于8253電子音階設(shè)計的實(shí)踐教學(xué)研究

李 娜

宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽宿州，234000

定時/計數(shù)器8253可對脈沖信號進(jìn)行處理，是《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課程中需要學(xué)生學(xué)以致用的芯片之一。教師一味地按照課本講解芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及程序設(shè)計，學(xué)生不免感覺到枯燥乏味。若能將知識結(jié)合生產(chǎn)生活中的實(shí)際應(yīng)用，則能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。8253應(yīng)用廣泛，可作為實(shí)時時鐘、方波信號發(fā)生器、計數(shù)器、分頻器等使用[1]。此外，8253輸出的信號還可以驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲，在視覺和聽覺的雙重感受下，學(xué)生興致濃厚，實(shí)踐教學(xué)效果更好。本文采用8086CPU作為核心控制元件，利用8253生成不同頻率的信號驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出不同音階的聲音，通過編程和按鍵演奏音樂，學(xué)生可以快速掌握8253的原理和應(yīng)用。

1 設(shè)計原理

要使揚(yáng)聲器發(fā)出不同的音階，就得輸入不同頻率的信號。通過給定時/計數(shù)器8253送入不同的初值，可以從輸出端得到不同頻率的波形，經(jīng)過放大器LM386的放大作用，便可驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出不同的音階。音階聲音的持續(xù)時間可以通過軟件延時程序?qū)崿F(xiàn)。PC機(jī)的1～7某一按鍵被系統(tǒng)檢測到，系統(tǒng)驅(qū)動對應(yīng)子程序使揚(yáng)聲器輸出對應(yīng)的音階。該設(shè)計的原理框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 8253定時/計數(shù)器

Intel 8253是采用NMOS工藝制成的可編程定時/計數(shù)器，管腳圖如圖2所示[2]。8253的24個管腳分為三類，其中與外設(shè)相連的通道管腳是該芯片區(qū)別8255、8251芯片的重要特征。這一類管腳又分為三組，分別為通道0、通道1、通道2。每組通道有三條信號線:CLK、OUT、GATE。其中外部事件或定時脈沖由CLK輸入，計數(shù)值減為0時從OUT輸出，控制計數(shù)器工作的外部信號從GATE輸入。

圖1 原理框圖

圖2 8253管腳圖

8253可以工作在三組通道中的任一個，且有6種工作方式、4種通道讀寫操作可供選擇[3]。根據(jù)具體需要可對8253設(shè)置控制字，以確定其選擇通道、工作方式、讀寫操作方式等。8253的控制字格式如圖3所示[4]。

D7D6D5D4D3D2D1D0SC1SC0RL1RL0M2M1M0BCD

圖3 8253控制字格式

本設(shè)計選擇通道1、工作方式3、只讀寫低8位字節(jié)、采用二進(jìn)制計數(shù)制，所以8253的方式控制字為：10010110B(96H)。8253初始化時，將56H送至8253的控制口地址。

表1 各音階的頻率及計數(shù)初值

計數(shù)初值的計算也是考察學(xué)生掌握8253編程的重要知識點(diǎn)。將計數(shù)初值送至通道2的CLK端，計數(shù)器則對其進(jìn)行遞減計數(shù)，進(jìn)而生成一定頻率的方波。該設(shè)計的電子音階DO、RE、MI、FA、SOL、LA、SI對應(yīng)的頻率和計數(shù)初值見表1。

2.2 音頻模塊

定時計數(shù)器生成的方波從OUT端輸出，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出該頻率對應(yīng)的音調(diào)[5]。音頻模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[6]。

圖4 音頻模塊

2.3 硬件整體結(jié)構(gòu)

硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。8086作為核心控制器件，地址數(shù)據(jù)線AD0～AD7通過地址鎖存器74LS373分離出地址線A0～A7。其中A0、A3、A4作為74LS138譯碼器的輸入端，輸出端Y2,Y4分別作為8255、8253的片選信號。8255為8086擴(kuò)展出三組I/O口，其中PA口連接7個按鍵，代表音階1(DO)～7(SI)。當(dāng)8086檢測到某一按鍵被按下，則8086送相應(yīng)的初值給8253，由8253產(chǎn)生具有一定頻率的信號送往揚(yáng)聲器，進(jìn)而產(chǎn)生對應(yīng)的音階。

圖5 硬件整體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示。關(guān)鍵代碼如下[7]：

(1)8253初始化

MOV AL,96H

MOV DX,TIM_CTL

OUT DX,AL

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

(2)等待有鍵按下，散轉(zhuǎn)進(jìn)入各種循環(huán)

MOV AH,08H

INT 21H

BG0: MOV AH, AL

CMP AL, '1'

JZ DO

MOV AL,AH

CMP AL, '2'

JZ RE

……

(3)各音階子程序

DOO: MOV DX,TIMER0

MOV AL,24H

OUT DX,AL

CALL DELAY

MOV DX,TIMER0

MOV AL,0

OUT DX,AL

CALL DELAY

CALL STOPV

JMP GOON

REE:……

(4)軟件延時

DELAY PROC NEAR

PUSH AX

PUSH CX

MOV AX,800H

DELAY0: MOV CX,08FFFH

LOOP $

DEC AX

CMP AX,0

JNE DELAY0

POP CX

POP AX

RET

DELAY ENDP

4 結(jié) 語

基于8253的電子音階設(shè)計，可以讓學(xué)生從硬件和軟件編程上快速掌握8253的基本原理和應(yīng)用[8]。在實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生對編程實(shí)現(xiàn)電子音階興趣濃厚，在學(xué)習(xí)理解DO子程序時，可以自行編寫RE、……XI的子程序。該電子音階設(shè)計實(shí)際上也是一種簡易的電子琴設(shè)計。學(xué)生在自己設(shè)計的電子琴上彈奏簡單的音樂，更能體會到學(xué)習(xí)《微機(jī)原理與接口技術(shù)》的實(shí)用性、樂趣性。該設(shè)計有助于學(xué)生探索該學(xué)科的有效學(xué)習(xí)方法，在培養(yǎng)學(xué)生動手能力的同時，也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新性。部分學(xué)生嘗試將該設(shè)計拓展為含低音、中音、高音部分的電子音階設(shè)計，也有同學(xué)編寫簡單歌曲對應(yīng)的程序，并通過揚(yáng)聲器演奏出來。

參考文獻(xiàn)：

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