基于單片機的簡易電子琴的設(shè)計與實現(xiàn)

章丹

摘要：電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演重要的角色，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。該文的主要內(nèi)容是用8253芯片為核心控制元件，設(shè)計一個簡易電子琴。通過按動STAR ES598PCI單板機的G6區(qū)的1～7號鍵，使用單板機上的8255A芯片進行音調(diào)的選擇，由8253芯片控制產(chǎn)生不同頻率的方波，輸出到單板機上D1區(qū)的蜂鳴器，使其對應(yīng)于G6區(qū)的1～7號鍵由低到高發(fā)出1～7的音階，并由8255A芯片控制8253芯片的工作狀態(tài)，使其能夠控制蜂鳴器的發(fā)聲與否，從而實現(xiàn)簡易電子琴的演奏功能。同時，也可以通過事先設(shè)置好的“樂譜”回放一段音樂，實現(xiàn)簡易電子琴的回放功能以及對用戶演奏過的一段音樂進行重放功能。用戶可以通過DOS界面下的菜單對電子琴的回放和重放或是演奏功能進行選擇。

關(guān)鍵詞：電子琴；單片機；8253芯片

中圖分類號：TP313 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）13-3179-03

Design and Implementation of Simple Microcontroller Based Keyboard

ZHANG Dan

（Hefei University， Hefei 230601， China）

Abstract： The keyboard is a combination of modern electronic music technology and the product is a new type of keyboard instrument. It plays an important role in modern music ， SCM has a powerful control functions and flexible programming features， it has been integrated into the modern people's lives ， become an irreplaceable part . The main content of this paper is to use 8253 as the core control elements ， the design of a simple flower . By pressing the number keys 1-7 STAR ES598PCI SBC G6 zone ， 8255A chips on a single board computer for tone selection control 8253 generates a square wave of different frequencies ， the output of the SBC to bee region D1 buzzer to make it correspond to the G6 District No. 1 to 7 keys issued from low to high scale of 1 to 7 ， 8253 by the 8255A chip to control the working status of the chip so that it can control the buzzer sound or not， thus achieve simple keyboard playing capabilities. Meanwhile ， you can also pre-set " score " a piece of music playback ， playback achieve simple keyboard and the user had to play a piece of music for playback function. DOS user interface via the menu next to the keyboard to play or replay and replay function selection.

Key words： Keyboard ； SCM ； 8253

1 解決問題方法及思路

1.1硬件部分

電子琴的主要的器件有一個并行接口8255和一個8253定時器。輸入部分主要是由8個按鍵和一個并行接口8255組成。8個按鍵一端接地，另一端接到8255的A口輸入，并且通過一個電阻接到+5V。因此，在按鍵不按下時，從8255A口輸入的是高電平，當(dāng)開關(guān)按下時，輸入的則是低電平，這樣通過低電平觸發(fā)，既方便也對芯片起保護作用。當(dāng)不同的開關(guān)按下時，從A口輸入就對應(yīng)一個8位的數(shù)據(jù)。通過軟件檢測輸入的數(shù)據(jù)，然后給8253送相應(yīng)頻率的計數(shù)值。

電子琴以8253的2號計數(shù)器為核心。系統(tǒng)初始化時，2號計數(shù)器工作在“方波發(fā)生器”方式，CPU通過對定時器的通道2進行編程，使其I/O寄存器接收一個控制聲音頻率的16位計數(shù)值，寫入順序為先低后高，端口61H的最低位控制通道2門控的開斷，，CLK2為1MHZ，當(dāng)計數(shù)初值為3E8H時，OUT2輸出的方波大約為1000 HZ，經(jīng)過簡單的濾波之后，送至蜂鳴器。改變2號計數(shù)器的計數(shù)初值就可以使蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音。

在送出頻率計數(shù)值之前，還要給方式寄存器送一個方式值，該數(shù)決定對哪一個通道編程，采用什么模式，送入通道的計數(shù)值是一字節(jié)還是兩字節(jié)，是二進制碼還是BCD碼。

芯片8255A的A口工作于基本輸入方式下。G6區(qū)的1～7號按鍵（S29～S36）直接連接到8255A芯片的A口中，用于控制芯片8253的2號計數(shù)器的計數(shù)初值，從而使8253芯片能夠?qū)τ诓煌陌存I產(chǎn)生與其相對應(yīng)的方波頻率。從定時器輸出的方波信號，經(jīng)功率放大和濾波后驅(qū)動蜂鳴器。endprint

芯片8255A的C口工作于基本輸出方式下。8255A芯片的C口的引腳PC0連接至8253芯片2號計數(shù)器的GATE引腳上，只有當(dāng)PC0輸出高電平至GATE引腳時，8253芯片的2號計數(shù)器才正常工作，產(chǎn)生方波，從而使蜂鳴器發(fā)出有規(guī)則的聲音。反之則不會產(chǎn)生任何頻率方波，那么蜂鳴器也就不會發(fā)出任何的聲音。通過8255A芯片對8253芯片的控制來達到對蜂鳴器的是否發(fā)聲的控制。

在設(shè)計過程中，采用獨立編址時，用地址線的高位部分和控制信號（如RD、WR、M/IO）進行組合產(chǎn)生 I/O接口電路的片選信號（CS），用地址線的低位部分直接連到 I/O接口芯片實現(xiàn)端口的選擇。在此采用的是譯碼器譯碼，經(jīng)過74LS138譯碼后，Y2輸出作為8253的片選信號（CS），即其端口地址為40H～43H。Y3輸出作為8255的片選信號（CS），即其端口地址為60H～63H。

1.2 軟件部分

程序設(shè)計有DOS下的功能選擇界面，當(dāng)用戶選擇演奏時，程序根據(jù)G6區(qū)1～7號按鍵輸入到8255A芯片A口中的8位二進制數(shù)進行判斷并將對應(yīng)的計數(shù)初值存入8253 芯片2號計數(shù)器中，由8253芯片根據(jù)計數(shù)初值產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，輸出到D1區(qū)的CTRL口中，從而使蜂鳴器發(fā)出有規(guī)律的樂聲。當(dāng)用戶選擇回放功能時，程序會根據(jù)事先設(shè)計好的“樂譜”進行演奏，其工作原理與用戶演奏的工作原理相同，只是程序進行頻率判斷的數(shù)據(jù)不是由用戶實時輸入，而是根據(jù)“樂譜”中存有的數(shù)據(jù)進行音階的判斷并對8253芯片2號計數(shù)器的計數(shù)初值進行修改。

就整個電路而言，接好電路后，通過軟件編程不斷地采集從8255口中輸入的信號數(shù)據(jù)，由于已知開關(guān)未按下時的數(shù)據(jù)，通過比較檢測到的數(shù)據(jù)和這個數(shù)據(jù)就可以判斷是否有開關(guān)接通，若沒有開關(guān)接通，則程序就通過8255A的C口PC0輸出低電平，這樣8253芯片的2號計數(shù)器將不會工作，蜂鳴器接受到固定的電平，將不會發(fā)聲。只要有開關(guān)按下，程序就會采集到一個不同的數(shù)據(jù)，由于這個數(shù)據(jù)會不同于未按下按鈕時A口的數(shù)據(jù)，此時程序會修改8255A的C口輸出數(shù)據(jù)，使PC0輸出高電平，這樣8253的2號計數(shù)器即開始正常工作，根據(jù)A口輸入的數(shù)據(jù)與事先編好的表對應(yīng)，得到一個計數(shù)值，把這個計數(shù)值送給8253的通道2，8253的通道2工作的方式3下，這樣就可以產(chǎn)生滿足頻率要求的發(fā)聲方波。這個方波經(jīng)驅(qū)動放大就可以使揚聲器發(fā)出相應(yīng)的聲音。

設(shè)計“樂譜”時，數(shù)據(jù)段設(shè)置兩張表，一張為頻率表，將與音符對應(yīng)的頻率值依次寫入表中，另一張為時間表，依次存放每個音符的單位時間。當(dāng)然，頻率表和時間表的表項要一一對應(yīng)，不能錯位，頻率表的最后一個表項為0，作為重復(fù)演奏或者是停止演奏的標(biāo)志。當(dāng)用戶選擇回放功能后，程序會修改8255A的C口輸出數(shù)據(jù)，使PC0輸出高電平，這樣8253的2號計數(shù)器即開始正常工作，程序依次取出頻率表中的頻率值，裝換成計數(shù)初值寫入8253的2號計數(shù)器，再依次取出時間表中的單位時間和調(diào)試參數(shù)N相乘即可得到延時時間，也就是單個音符的演奏持續(xù)時間。8253的2號計數(shù)器在這兩個數(shù)據(jù)的控制下發(fā)出有規(guī)律的方波信號至蜂鳴器，蜂鳴器即開始演奏“樂譜”。在頻率表的最后會有一個特殊符號，當(dāng)程序檢測到這個特殊符號時，將會修改8255A的C口輸出數(shù)據(jù)，使PC0輸出低電平，這樣8253的2號計數(shù)器即停止工作，蜂鳴器也就停止發(fā)出聲音，此時回放結(jié)束。

2 硬件設(shè)計

2.1 芯片8253在本設(shè)計中的作用

芯片8253在本實驗中主要用于輸出規(guī)定頻率的方波，控制蜂鳴器發(fā)出規(guī)定頻率的聲音。

8253A是一種可編程的定時器/計數(shù)器芯片，它可用于計數(shù)、分頻、定時器等的方面。當(dāng)其工作于“方波發(fā)生器”工作方式下，可以從OUT引腳得到對稱的方波輸出。當(dāng)裝入的計數(shù)值N為偶數(shù)時，則前N/2計數(shù)過程中，OUT為高電平；后N/2計數(shù)過程中OUT為低電平，計數(shù)過程連續(xù)進行。若N為奇數(shù)，則（N+1）/2計數(shù)過程中，OUT保持高電平；而（N-1）/2計數(shù)期間，OUT為低電平。當(dāng)GATE信號為低電平時，強迫OUT輸出高電平。當(dāng)GATE為高電平時，OUT輸出對稱方波。在產(chǎn)生方波過程中，若裝入新的計數(shù)值，本次計數(shù)完成后，以新的計數(shù)值開始下一輪的計數(shù)。

使用8253芯片的2號計數(shù)器，將其設(shè)置為“方波發(fā)生器”的工作方式，修改其計數(shù)初值，即可在8253芯片的OUT2引腳得到不同頻率的方波。將不同頻率的方波輸出到蜂鳴器便可以使其發(fā)出不同音階的樂聲。

2.2 8255A在本設(shè)計中的作用

芯片8255A在本實驗中主要用于接收1～7號按鍵的輸入，控制蜂鳴器的開關(guān)和8253芯片的正常工作。8255是可編程并行接口，內(nèi)部有3個相互獨立的8位數(shù)據(jù)端口，即A口、B口和C口。三個端口都可以作為輸入端口或輸出端口。A口有三種工作方式：即方式0、方式1和方式2，而B口只能工作在方式0或方式1下，而C口通常作為聯(lián)絡(luò)信號使用。

使用8255A芯片的A口，將其設(shè)置為基本輸入工作方式，通過A口的8位數(shù)據(jù)線連接G6區(qū)的8位按鍵數(shù)據(jù)線，接收用戶的輸入。使用8255A芯片的C口，將其設(shè)置為基本輸出工作方式，通過PC0輸出線連接到芯片8253的GATE2口，使其2號計數(shù)器正常工作，從而控制蜂鳴器的發(fā)聲與否。

由于蜂鳴器本身在輸入端含有放大電路，所以無需考慮8253輸出給蜂鳴器的驅(qū)動電流和電壓的大小，只須保證其輸出的驅(qū)動電流和電壓位于蜂鳴器電路的輸入有效范圍內(nèi)即可。

2.3 蜂鳴器在本設(shè)計中的作用

在本實驗中，蜂鳴器用作將8253產(chǎn)生的不同頻率裝換為不同的音調(diào)的聲音。當(dāng)輸入端輸入一定頻率的方波時，在RC震蕩電路的作用下，蜂鳴器會發(fā)出一定頻率的聲音。

2.4二進制開關(guān)在本設(shè)計中的作用

在本實驗中，二進制開關(guān)用于輸入不同的數(shù)值，確定頻率。二進制開關(guān)為輸入器件，通過電平的不同輸入不同的二進制數(shù)。endprint

3 控制程序設(shè)計思路說明

程序采用模塊化設(shè)計，分為主程序，回放功能模塊，演奏功能模塊，菜單模塊，發(fā)音模塊，延時模塊，重放模塊等。菜單模塊用于顯示用戶菜單，供用戶選擇電子琴的功能以及顯示當(dāng)前電子琴的功能狀態(tài)。回放功能模塊用于從“樂譜”中讀取數(shù)據(jù)，并裝換為計數(shù)初值傳給8253的2號計數(shù)器。演奏模塊則用于接收用戶的按鍵輸入，判斷音階然后傳遞規(guī)定的計數(shù)初值給計數(shù)器。發(fā)音模塊則用于控制蜂鳴器的發(fā)聲與否，使其能夠根據(jù)8253提供的方波頻率發(fā)聲或停止發(fā)聲。在程序編寫過程中，會對各個功能模塊的功能進行進一步的改進和功能細(xì)分，不排除進行模塊之間的功能合并和分割。

4 上機調(diào)試過程

4.1硬件調(diào)試

在各個硬件芯片之間的連接調(diào)試中，需要注意的是連接的可靠性。由于設(shè)計的連線方案也并不復(fù)雜，在硬件的調(diào)試過程中連線方面并沒有出現(xiàn)接錯現(xiàn)象。在硬件的調(diào)試過程中遇到的主要的問題是8253和8255A芯片的片選信號到底應(yīng)該由單板機接線板上的哪些接口給出。8253的片選信號由接線板上的CS5給出，8255A的片選信號由CS1給出。由于單板機上的蜂鳴器構(gòu)造不同于一般常見的發(fā)音蜂鳴器，導(dǎo)致在測試蜂鳴器時，雖然給蜂鳴器的方波頻率為標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)音頻率，但發(fā)出的聲音卻不令人滿意。因此對每一個音階所需要的頻率，都需要進行實際的測試與調(diào)整，最終得到比較滿意的音質(zhì)效果。

4.2軟件調(diào)試

軟件的調(diào)試中，主要集中在程序的人機交互方面和回放功能的實現(xiàn)上。為了能達到一個良好的人機交互效果，設(shè)計了一個在DOS界面下的選擇菜單，通過用戶對菜單項的選擇來調(diào)用程序中的相應(yīng)功能模塊。在程序的初期設(shè)計階段，采用模塊化的設(shè)計思想，各個功能之間互相獨立互不干擾。這種方案容易忽視寄存器的初值問題。當(dāng)調(diào)用完一個功能模塊后，由于忽略了對寄存器的善后處理，未對使用過的相關(guān)寄存器進行初始化，造成調(diào)用其它模塊時的寄存器初值錯誤，使整個的實驗出現(xiàn)錯誤。由此可見，在對程序的不斷完善過程中，遇到的問題，需要通過大量的測試將其解決。

對于程序的回放功能，筆者將頻率與節(jié)拍分開進行存儲，設(shè)立一個頻率表和一個延時表，通過程序?qū)@兩個表中一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行讀取，來實現(xiàn)蜂鳴器的演奏。

4.3聯(lián)機調(diào)試

實驗過程對8255A芯片只是使用了A口和C口，B口空閑，因此在調(diào)試的過程中，筆者利用G6區(qū)的LED燈，連接至8255A的B口，將B口設(shè)為輸出，通過添加相應(yīng)的程序模塊，實現(xiàn)了對于每個開關(guān)都有相應(yīng)的LED燈對其指示的功能，在演奏模式下，當(dāng)按下一個開關(guān)時，其對應(yīng)的LED燈即亮起；在回放模式下，程序讀到何種頻率，其對應(yīng)開關(guān)的LED指示燈即亮起。當(dāng)進行其它的操作時，也會有相應(yīng)的指示信號亮起。同時，在聯(lián)機調(diào)試的過程中，筆者也最大程度地完善程序的人機交互界面，使其更易使用。

4.4調(diào)試結(jié)果及問題的提出

當(dāng)程序開始運行時，會在屏幕上先顯示2秒的歡迎界面，所有LED燈會閃爍一次，然后進入菜單選擇界面，由用戶通過鍵盤輸入選項。當(dāng)用戶輸入錯誤，則會提示用戶輸入出錯并回到菜單選擇界面。當(dāng)用戶選擇正確時，所有的LED燈也會閃爍一次。當(dāng)用戶選擇演奏模式時，屏幕出現(xiàn)提示信息。當(dāng)用戶按下1～7號開關(guān)時，蜂鳴器會發(fā)出對應(yīng)頻率的聲音，并亮起對應(yīng)的LED燈。當(dāng)用戶按下0號開關(guān)，可以返回選擇菜單。當(dāng)用戶選擇回放功能時，屏幕出現(xiàn)提示信息，系統(tǒng)自動播放樂曲，并根據(jù)當(dāng)前演奏的音符亮起對應(yīng)LED燈，此時按1～7號開關(guān)無反應(yīng)，按0號開關(guān)終止回放并回到菜單。當(dāng)用戶選擇退出時，所有LED燈會閃爍一次，屏幕會顯示2秒的再見界面，程序終止。

程序設(shè)計的仍然比較簡單，只能實現(xiàn)7個音符的演奏和回放以及重放功能，若有可能，可以擴展至更廣的音域。

程序提供的功能也很單一，還可以添加記錄演奏功能，并可以對記錄下的樂譜進行回放。

如果可能，可以將蜂鳴器更改為喇叭，這樣的話程序在實現(xiàn)電子琴的功能時能夠提供更為優(yōu)秀的音質(zhì)表現(xiàn)以及更多功能實現(xiàn)的可能。

5 結(jié)束語

本文通過對STAR ES598PCI單板機的G6區(qū)的1～7號鍵操作，使用單板機上的8255A芯片進行音調(diào)的選擇，由8253芯片控制產(chǎn)生不同頻率的方波，輸出到蜂鳴器，使其對應(yīng)于不同的開關(guān)由低到高發(fā)出1～7的音階，從而實現(xiàn)簡易電子琴的演奏功能。同時，也可以通過事先設(shè)置好的“樂譜”回放一段音樂，實現(xiàn)簡易電子琴的回放功能和重放功能。通過簡單的人機交互，實現(xiàn)電子琴的全部功能，達到良好的使用效果。

參考文獻：

[1] 孫萬麟. 基于AT89C51單片機的電子琴設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2010（20）.

[2] 黃亮.基于AT89C2051單片機的電子琴電路的設(shè)計[J].電子制作，2006（05）.

[3] 盛青松.基于AT89C51可彈奏電子琴的設(shè)計[J].科技信息，2010（32）.

[4] 張曉朋.基于DSP的琴音分析系統(tǒng)[D].鄭州大學(xué)，2006.endprint

3 控制程序設(shè)計思路說明

程序采用模塊化設(shè)計，分為主程序，回放功能模塊，演奏功能模塊，菜單模塊，發(fā)音模塊，延時模塊，重放模塊等。菜單模塊用于顯示用戶菜單，供用戶選擇電子琴的功能以及顯示當(dāng)前電子琴的功能狀態(tài)?；胤殴δ苣K用于從“樂譜”中讀取數(shù)據(jù)，并裝換為計數(shù)初值傳給8253的2號計數(shù)器。演奏模塊則用于接收用戶的按鍵輸入，判斷音階然后傳遞規(guī)定的計數(shù)初值給計數(shù)器。發(fā)音模塊則用于控制蜂鳴器的發(fā)聲與否，使其能夠根據(jù)8253提供的方波頻率發(fā)聲或停止發(fā)聲。在程序編寫過程中，會對各個功能模塊的功能進行進一步的改進和功能細(xì)分，不排除進行模塊之間的功能合并和分割。

4 上機調(diào)試過程

4.1硬件調(diào)試

在各個硬件芯片之間的連接調(diào)試中，需要注意的是連接的可靠性。由于設(shè)計的連線方案也并不復(fù)雜，在硬件的調(diào)試過程中連線方面并沒有出現(xiàn)接錯現(xiàn)象。在硬件的調(diào)試過程中遇到的主要的問題是8253和8255A芯片的片選信號到底應(yīng)該由單板機接線板上的哪些接口給出。8253的片選信號由接線板上的CS5給出，8255A的片選信號由CS1給出。由于單板機上的蜂鳴器構(gòu)造不同于一般常見的發(fā)音蜂鳴器，導(dǎo)致在測試蜂鳴器時，雖然給蜂鳴器的方波頻率為標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)音頻率，但發(fā)出的聲音卻不令人滿意。因此對每一個音階所需要的頻率，都需要進行實際的測試與調(diào)整，最終得到比較滿意的音質(zhì)效果。

4.2軟件調(diào)試

軟件的調(diào)試中，主要集中在程序的人機交互方面和回放功能的實現(xiàn)上。為了能達到一個良好的人機交互效果，設(shè)計了一個在DOS界面下的選擇菜單，通過用戶對菜單項的選擇來調(diào)用程序中的相應(yīng)功能模塊。在程序的初期設(shè)計階段，采用模塊化的設(shè)計思想，各個功能之間互相獨立互不干擾。這種方案容易忽視寄存器的初值問題。當(dāng)調(diào)用完一個功能模塊后，由于忽略了對寄存器的善后處理，未對使用過的相關(guān)寄存器進行初始化，造成調(diào)用其它模塊時的寄存器初值錯誤，使整個的實驗出現(xiàn)錯誤。由此可見，在對程序的不斷完善過程中，遇到的問題，需要通過大量的測試將其解決。

對于程序的回放功能，筆者將頻率與節(jié)拍分開進行存儲，設(shè)立一個頻率表和一個延時表，通過程序?qū)@兩個表中一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行讀取，來實現(xiàn)蜂鳴器的演奏。

4.3聯(lián)機調(diào)試

實驗過程對8255A芯片只是使用了A口和C口，B口空閑，因此在調(diào)試的過程中，筆者利用G6區(qū)的LED燈，連接至8255A的B口，將B口設(shè)為輸出，通過添加相應(yīng)的程序模塊，實現(xiàn)了對于每個開關(guān)都有相應(yīng)的LED燈對其指示的功能，在演奏模式下，當(dāng)按下一個開關(guān)時，其對應(yīng)的LED燈即亮起；在回放模式下，程序讀到何種頻率，其對應(yīng)開關(guān)的LED指示燈即亮起。當(dāng)進行其它的操作時，也會有相應(yīng)的指示信號亮起。同時，在聯(lián)機調(diào)試的過程中，筆者也最大程度地完善程序的人機交互界面，使其更易使用。

4.4調(diào)試結(jié)果及問題的提出

當(dāng)程序開始運行時，會在屏幕上先顯示2秒的歡迎界面，所有LED燈會閃爍一次，然后進入菜單選擇界面，由用戶通過鍵盤輸入選項。當(dāng)用戶輸入錯誤，則會提示用戶輸入出錯并回到菜單選擇界面。當(dāng)用戶選擇正確時，所有的LED燈也會閃爍一次。當(dāng)用戶選擇演奏模式時，屏幕出現(xiàn)提示信息。當(dāng)用戶按下1～7號開關(guān)時，蜂鳴器會發(fā)出對應(yīng)頻率的聲音，并亮起對應(yīng)的LED燈。當(dāng)用戶按下0號開關(guān)，可以返回選擇菜單。當(dāng)用戶選擇回放功能時，屏幕出現(xiàn)提示信息，系統(tǒng)自動播放樂曲，并根據(jù)當(dāng)前演奏的音符亮起對應(yīng)LED燈，此時按1～7號開關(guān)無反應(yīng)，按0號開關(guān)終止回放并回到菜單。當(dāng)用戶選擇退出時，所有LED燈會閃爍一次，屏幕會顯示2秒的再見界面，程序終止。

程序設(shè)計的仍然比較簡單，只能實現(xiàn)7個音符的演奏和回放以及重放功能，若有可能，可以擴展至更廣的音域。

程序提供的功能也很單一，還可以添加記錄演奏功能，并可以對記錄下的樂譜進行回放。

如果可能，可以將蜂鳴器更改為喇叭，這樣的話程序在實現(xiàn)電子琴的功能時能夠提供更為優(yōu)秀的音質(zhì)表現(xiàn)以及更多功能實現(xiàn)的可能。

5 結(jié)束語

本文通過對STAR ES598PCI單板機的G6區(qū)的1～7號鍵操作，使用單板機上的8255A芯片進行音調(diào)的選擇，由8253芯片控制產(chǎn)生不同頻率的方波，輸出到蜂鳴器，使其對應(yīng)于不同的開關(guān)由低到高發(fā)出1～7的音階，從而實現(xiàn)簡易電子琴的演奏功能。同時，也可以通過事先設(shè)置好的“樂譜”回放一段音樂，實現(xiàn)簡易電子琴的回放功能和重放功能。通過簡單的人機交互，實現(xiàn)電子琴的全部功能，達到良好的使用效果。

參考文獻：

[1] 孫萬麟. 基于AT89C51單片機的電子琴設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2010（20）.

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[3] 盛青松.基于AT89C51可彈奏電子琴的設(shè)計[J].科技信息，2010（32）.

[4] 張曉朋.基于DSP的琴音分析系統(tǒng)[D].鄭州大學(xué)，2006.endprint

3 控制程序設(shè)計思路說明

程序采用模塊化設(shè)計，分為主程序，回放功能模塊，演奏功能模塊，菜單模塊，發(fā)音模塊，延時模塊，重放模塊等。菜單模塊用于顯示用戶菜單，供用戶選擇電子琴的功能以及顯示當(dāng)前電子琴的功能狀態(tài)。回放功能模塊用于從“樂譜”中讀取數(shù)據(jù)，并裝換為計數(shù)初值傳給8253的2號計數(shù)器。演奏模塊則用于接收用戶的按鍵輸入，判斷音階然后傳遞規(guī)定的計數(shù)初值給計數(shù)器。發(fā)音模塊則用于控制蜂鳴器的發(fā)聲與否，使其能夠根據(jù)8253提供的方波頻率發(fā)聲或停止發(fā)聲。在程序編寫過程中，會對各個功能模塊的功能進行進一步的改進和功能細(xì)分，不排除進行模塊之間的功能合并和分割。

4 上機調(diào)試過程

4.1硬件調(diào)試

在各個硬件芯片之間的連接調(diào)試中，需要注意的是連接的可靠性。由于設(shè)計的連線方案也并不復(fù)雜，在硬件的調(diào)試過程中連線方面并沒有出現(xiàn)接錯現(xiàn)象。在硬件的調(diào)試過程中遇到的主要的問題是8253和8255A芯片的片選信號到底應(yīng)該由單板機接線板上的哪些接口給出。8253的片選信號由接線板上的CS5給出，8255A的片選信號由CS1給出。由于單板機上的蜂鳴器構(gòu)造不同于一般常見的發(fā)音蜂鳴器，導(dǎo)致在測試蜂鳴器時，雖然給蜂鳴器的方波頻率為標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)音頻率，但發(fā)出的聲音卻不令人滿意。因此對每一個音階所需要的頻率，都需要進行實際的測試與調(diào)整，最終得到比較滿意的音質(zhì)效果。

4.2軟件調(diào)試

軟件的調(diào)試中，主要集中在程序的人機交互方面和回放功能的實現(xiàn)上。為了能達到一個良好的人機交互效果，設(shè)計了一個在DOS界面下的選擇菜單，通過用戶對菜單項的選擇來調(diào)用程序中的相應(yīng)功能模塊。在程序的初期設(shè)計階段，采用模塊化的設(shè)計思想，各個功能之間互相獨立互不干擾。這種方案容易忽視寄存器的初值問題。當(dāng)調(diào)用完一個功能模塊后，由于忽略了對寄存器的善后處理，未對使用過的相關(guān)寄存器進行初始化，造成調(diào)用其它模塊時的寄存器初值錯誤，使整個的實驗出現(xiàn)錯誤。由此可見，在對程序的不斷完善過程中，遇到的問題，需要通過大量的測試將其解決。

對于程序的回放功能，筆者將頻率與節(jié)拍分開進行存儲，設(shè)立一個頻率表和一個延時表，通過程序?qū)@兩個表中一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行讀取，來實現(xiàn)蜂鳴器的演奏。

4.3聯(lián)機調(diào)試

實驗過程對8255A芯片只是使用了A口和C口，B口空閑，因此在調(diào)試的過程中，筆者利用G6區(qū)的LED燈，連接至8255A的B口，將B口設(shè)為輸出，通過添加相應(yīng)的程序模塊，實現(xiàn)了對于每個開關(guān)都有相應(yīng)的LED燈對其指示的功能，在演奏模式下，當(dāng)按下一個開關(guān)時，其對應(yīng)的LED燈即亮起；在回放模式下，程序讀到何種頻率，其對應(yīng)開關(guān)的LED指示燈即亮起。當(dāng)進行其它的操作時，也會有相應(yīng)的指示信號亮起。同時，在聯(lián)機調(diào)試的過程中，筆者也最大程度地完善程序的人機交互界面，使其更易使用。

4.4調(diào)試結(jié)果及問題的提出

當(dāng)程序開始運行時，會在屏幕上先顯示2秒的歡迎界面，所有LED燈會閃爍一次，然后進入菜單選擇界面，由用戶通過鍵盤輸入選項。當(dāng)用戶輸入錯誤，則會提示用戶輸入出錯并回到菜單選擇界面。當(dāng)用戶選擇正確時，所有的LED燈也會閃爍一次。當(dāng)用戶選擇演奏模式時，屏幕出現(xiàn)提示信息。當(dāng)用戶按下1～7號開關(guān)時，蜂鳴器會發(fā)出對應(yīng)頻率的聲音，并亮起對應(yīng)的LED燈。當(dāng)用戶按下0號開關(guān)，可以返回選擇菜單。當(dāng)用戶選擇回放功能時，屏幕出現(xiàn)提示信息，系統(tǒng)自動播放樂曲，并根據(jù)當(dāng)前演奏的音符亮起對應(yīng)LED燈，此時按1～7號開關(guān)無反應(yīng)，按0號開關(guān)終止回放并回到菜單。當(dāng)用戶選擇退出時，所有LED燈會閃爍一次，屏幕會顯示2秒的再見界面，程序終止。

程序設(shè)計的仍然比較簡單，只能實現(xiàn)7個音符的演奏和回放以及重放功能，若有可能，可以擴展至更廣的音域。

程序提供的功能也很單一，還可以添加記錄演奏功能，并可以對記錄下的樂譜進行回放。

如果可能，可以將蜂鳴器更改為喇叭，這樣的話程序在實現(xiàn)電子琴的功能時能夠提供更為優(yōu)秀的音質(zhì)表現(xiàn)以及更多功能實現(xiàn)的可能。

5 結(jié)束語

本文通過對STAR ES598PCI單板機的G6區(qū)的1～7號鍵操作，使用單板機上的8255A芯片進行音調(diào)的選擇，由8253芯片控制產(chǎn)生不同頻率的方波，輸出到蜂鳴器，使其對應(yīng)于不同的開關(guān)由低到高發(fā)出1～7的音階，從而實現(xiàn)簡易電子琴的演奏功能。同時，也可以通過事先設(shè)置好的“樂譜”回放一段音樂，實現(xiàn)簡易電子琴的回放功能和重放功能。通過簡單的人機交互，實現(xiàn)電子琴的全部功能，達到良好的使用效果。

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