基于嵌入式開(kāi)發(fā)板Mini6410的電子琴設(shè)計(jì)

王 杰， 高俊濤， 嚴(yán)周穎, 孫悅妍, 楊廣權(quán)

(廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂(lè)器。電子琴設(shè)計(jì)的方法有很多，由于嵌入式開(kāi)發(fā)板具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，在電子琴設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛[1]?；诖?，本設(shè)計(jì)采用嵌入式開(kāi)發(fā)板FriendlyArm Mini6410為核心控制元件，通過(guò)Qtopia軟件編寫了電子琴面板模擬界面和控制代碼，通過(guò)觸摸式按鍵實(shí)現(xiàn)了電子琴演奏和播放功能。

1 設(shè)計(jì)原理

一首音樂(lè)是由許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，通過(guò)不同的頻率組合，可得到不同的音樂(lè)。對(duì)于嵌入式來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生不同的頻率非常簡(jiǎn)單[2-3]，可以利用嵌入式開(kāi)發(fā)板上的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0來(lái)產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)，從而使蜂鳴器發(fā)出聲音。因此，如果可以獲得一首歌曲的音符的頻率、升降調(diào)、每個(gè)音符的演奏長(zhǎng)度、連音和頓音的時(shí)間長(zhǎng)度，可利用Mini6410的定時(shí)/計(jì)數(shù)器Timer來(lái)產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)，從而在開(kāi)發(fā)板上彈奏或播放出這首歌，實(shí)現(xiàn)電子琴的功能[4-5]。

2 設(shè)計(jì)方案

在Mini6410開(kāi)發(fā)板上的芯片S3C6410X中有5個(gè)定時(shí)器，這些定時(shí)器產(chǎn)生內(nèi)部中斷。其中，Timer0和Timer1具有PWM功能，而Timer2,3,4沒(méi)有此功能。PWM具有兩種操作模式：自動(dòng)裝載模式，一次觸發(fā)模式。為實(shí)現(xiàn)PWM功能，芯片提供了16個(gè)功能寄存器。這些功能寄存器都連接APB總線。

由于本設(shè)計(jì)利用蜂鳴器產(chǎn)生聲音，所以采用Timer0定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號(hào)。首先編寫PWM驅(qū)動(dòng)程序pwm.c腳本文件，并生產(chǎn)pwm.o和pwm.ko文件，把pwm.ko文件通過(guò)ftp方式發(fā)送到Windows的超級(jí)終端，再通過(guò)超級(jí)終端把PWM驅(qū)動(dòng)程序燒寫進(jìn)Linux內(nèi)核[6-8]，再編寫QT應(yīng)用程序，根據(jù)程序功能的需要調(diào)入PWM驅(qū)動(dòng)程序，蜂鳴器發(fā)出聲音，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的音樂(lè)播放功能。

2.1 系統(tǒng)圖

本電子琴包含了虛擬鍵盤輸入，s3c6410芯片處理輸入指令并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波至蜂鳴器，使蜂鳴器發(fā)出聲音，并且伴隨著LED燈的閃爍[9]。圖1為電子琴設(shè)計(jì)的系統(tǒng)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1Mini6410介紹

Mini6410SDK是采用Mini6410核心板的一款參考設(shè)計(jì)底板[10]，它具有三個(gè)LCD接口、4線電阻觸摸屏接口、100M標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口、標(biāo)準(zhǔn)DB9五線串口、Mini USB 2.0接口、USB Host 1.1、3.5 mm音頻輸入輸出口、標(biāo)準(zhǔn)TV-OUT接口、SD卡座、Mini PCIe接口、電容屏接口等；另外還引出4路TTL串口，另1路TV-OUT、SDIO2接口(可接SD WiFi)接口等；在板的還有蜂鳴器、I2C-EEPROM、備份電池、AD可調(diào)電阻、8個(gè)中斷式按鍵等。

Mini6410采用2.0 mm間距的雙排插針，總共引出4組：P1，P2，CON1，CON2。其中P1和P2各為60 Pin；CON1和CON2各為30Pin，總共引出180 Pin。Mini6410在板引出10 Pin Jtag接口，如其布局說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 Mini6410引腳

2.2.2蜂鳴器

Mini6410開(kāi)發(fā)板的蜂鳴器Buzzer 是通過(guò) PWM 控制的，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示，其中PWM0端信號(hào)為開(kāi)發(fā)板上的計(jì)數(shù)器timer產(chǎn)生的方波頻率信號(hào)，可通過(guò)引腳GPF14測(cè)量，該引腳可通過(guò)軟件設(shè)置為 PWM 輸出，也可以作為普通的GPIO使用。

圖2 PWM電路

2.2.3發(fā)光二級(jí)管

Mini6410開(kāi)發(fā)板具有4個(gè)用戶可編程LED，它們位于核心板上，直接與CPU的GPIO相連接，實(shí)現(xiàn)在演奏時(shí)有節(jié)奏閃爍的功能，增加電子琴的娛樂(lè)性。LED電路和IO口如圖3所示。

圖3 LEDIO口

2.3 軟件編程設(shè)計(jì)

軟件編程設(shè)計(jì)采用Qtopia進(jìn)行演奏和播放功能的軟件設(shè)計(jì)。

2.3.1界面設(shè)計(jì)

利用Qtopia設(shè)計(jì)了電子琴面板模擬界面。如圖4所示。其中1～7分別對(duì)應(yīng)音符“do、re、mi、fa、so、la、ti”頻率的聲音[11-12]并且在按下時(shí)LED會(huì)有節(jié)奏閃爍；當(dāng)點(diǎn)擊按鍵“同一首歌”, 會(huì)播放預(yù)置的曲子，按停止鍵時(shí)蜂鳴器停止發(fā)聲，按開(kāi)始鍵蜂鳴器繼續(xù)發(fā)聲。拖動(dòng)滑動(dòng)變頻條，蜂鳴器的頻率也會(huì)隨之改變。

圖4 模擬界面

2.3.2音樂(lè)演奏

音樂(lè)演奏功能通過(guò)按鍵1-7及1+，以及滑動(dòng)條來(lái)實(shí)現(xiàn)。以按鍵1為例，按下時(shí)，將觸發(fā)相應(yīng)的代碼：

void PwmWidget::on_noe_clicked() //設(shè)定1鍵為“do”

{

ioctl(fd, PWM_IOCTL_SET_FREQ, 523);

}

從而發(fā)出對(duì)應(yīng)頻率的音符“do”。結(jié)合滑動(dòng)條來(lái)調(diào)整音調(diào)，就可以演奏任何音調(diào)的歌曲。

滑動(dòng)條所對(duì)應(yīng)的代碼為：

void PwmWidget::changefreq() //設(shè)定一個(gè)滑動(dòng)變頻條

{

ioctl(fd, PWM_IOCTL_SET_FREQ, 10*m_ui.chfreq->value());

初始化時(shí)，滑動(dòng)條位于正中間，此時(shí)按下1對(duì)應(yīng)C調(diào)的多，523hz；升調(diào)演奏時(shí)，先按下1+，再按1。也可通過(guò)拉動(dòng)滑動(dòng)條或上下按鈕來(lái)調(diào)整音調(diào)升降。

2.3.3音樂(lè)播放

在程序段定義變量處，事先定義了所需點(diǎn)歌的頻率表，例如，“同一首歌”的頻率表事先放在unsigned char Music_Girl[]數(shù)組中。

當(dāng)點(diǎn)擊“同一首歌”按鈕時(shí)，音樂(lè)點(diǎn)歌按鈕程序啟動(dòng)，PWM波形在延時(shí)10ms后開(kāi)始輸出，音樂(lè)開(kāi)始播放。程序如下所示：

void PwmWidget::on_tongyishouge_clicked()

{

timer->start(10);//延時(shí)啟動(dòng)10ms

}

音樂(lè)開(kāi)始后，即開(kāi)始輸出PWM波形之后，開(kāi)始根據(jù)頻率表計(jì)算音符、高低音、頓音、不發(fā)音等演奏長(zhǎng)度等，并循環(huán)運(yùn)行。程序如下所示[13]，由于“同一首歌”頻率表里有212個(gè)原始頻率，當(dāng)歌曲演奏完成標(biāo)志flg=0時(shí)，調(diào)用PWM驅(qū)動(dòng)中的ioctl()和getfreq()，程序按音符索引lenup所指的頻率設(shè)置輸出的PWM波形的頻率，并調(diào)用getyinchang()函數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的蜂鳴時(shí)間和停頓時(shí)間輸出PWM波形，音樂(lè)開(kāi)始演奏。當(dāng)lenup小于212時(shí)，按順序輸出對(duì)應(yīng)的頻率，順序播放音樂(lè)；當(dāng)lenup自加到數(shù)組Music_Girl[]的尾部時(shí)，音樂(lè)完整播放完畢，為了重新播放音樂(lè)，把音符索引lenup復(fù)位到0，并標(biāo)識(shí)音樂(lè)播放完畢標(biāo)志flg賦值1；則程序退出if(flg==0)的程序段，但在隨后的else里對(duì)標(biāo)志flg賦值為0，并關(guān)掉Pwm信號(hào)輸出，使其重新回到if(flg==0)的程序段中執(zhí)行，音樂(lè)得以連續(xù)播放。

從Music_Girl[]中獲得原始頻率后，根據(jù)調(diào)號(hào)及升降八度來(lái)生成新的頻率表，并計(jì)算出高低音、升降調(diào)和對(duì)應(yīng)音符的頻率等參數(shù)。

unsigned int NewFreTab[12]; //新的頻率表

for(m=0;m<12;m++) // 根據(jù)調(diào)號(hào)及升降八度來(lái)生成新的頻率表

SL=i%10; //計(jì)算出音符

SM=i/10%10; //計(jì)算出高低音

SH=i/100; //計(jì)算出是否升半

CurrentFre = NewFreTab[SignTab[SL-1]+SH]; //查出對(duì)應(yīng)音符的頻率

if (SM==1) CurrentFre >>= 2; //低音

if (SM==3) CurrentFre <<= 2; //高音

根據(jù)上面算出的音符的頻率和升降調(diào)，計(jì)算每個(gè)音符的演奏長(zhǎng)度、連音和頓音的時(shí)間長(zhǎng)度，進(jìn)而改變PWM波形的輸出，使得蜂鳴器最終跟隨給定的頻率表來(lái)播放音樂(lè)。

2.3.4led部分

按下鍵“1”時(shí)，對(duì)應(yīng)ARM板[14-15]上的LED1燈被點(diǎn)亮，延時(shí)2 s熄滅；當(dāng)按下鍵“2”時(shí)，對(duì)應(yīng)ARM板上的LED2燈被點(diǎn)亮，延時(shí)2 s熄滅；當(dāng)按下鍵“3”時(shí)，對(duì)應(yīng)ARM板上的LED3燈被點(diǎn)亮，延時(shí)2 s熄滅；當(dāng)按下鍵“4”時(shí)，對(duì)應(yīng)ARM板上的LED4燈被點(diǎn)亮，延時(shí)2 s熄滅；當(dāng)按下鍵“5”時(shí)，對(duì)應(yīng)ARM板上的4個(gè)LED燈全部被點(diǎn)亮，延時(shí)0.5 s全部熄滅，即全部閃爍一次；當(dāng)按下鍵“6”時(shí)，對(duì)應(yīng)ARM板上的4個(gè)LED燈全部被點(diǎn)亮，延時(shí)2 s；當(dāng)按下鍵“7”時(shí)，對(duì)應(yīng)ARM板上的4個(gè)LED燈全部被熄滅，延時(shí)2 s。

按鍵“1”，LED1被點(diǎn)亮，延時(shí)2秒熄滅，按鍵2,3,4與按鍵1原理類似，所以按鍵“1”為例，代碼如下：

void PwmWidget::on_one_clicked()

{

fd=-1;//if not add it,led will fail

led(1,1);

usleep(2000*1000);

led(1,0);

ioctl(fd, 0);

}

按下按鍵“5”時(shí)LED1、2、3、4全被點(diǎn)亮，延時(shí)0.5 s全部熄滅。按鍵“5，6，7，8”以按鍵“5”為例，其代碼如下：

void PwmWidget::on_five_clicked()

{

fd=-1;//if not add it,led will fail

int j=0;

for(j=1;j<=4;j++)

{

led(j,1);

usleep(500*1000);

}

for(j=4;j>=1;j--)

{

led(j,0);

usleep(500*1000);

}

ioctl(fd, 0);

}

3 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于Mini6310開(kāi)發(fā)板使用Qtopia軟件對(duì)演奏界面和演奏代碼進(jìn)行編程，完成了一個(gè)電子琴功能，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)按鍵控制PWM波形來(lái)演奏及播放歌曲，并能伴隨LED燈有節(jié)奏的閃爍。此設(shè)計(jì)所涉及的系統(tǒng)功能易于拓展和升級(jí)，在QT界面中加入下拉框，加入一些各式名曲，并在程序體中多存儲(chǔ)這些歌曲的頻率表，這樣通過(guò)選擇不同的曲目，就能播放不同的音樂(lè)。

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