计算机硬件课程设计电子琴设计.doc

计算机硬件课程设计电子琴设计

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2020年4月19日
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计算机硬件技术基础课程设计
电子琴设计

学 院 名 称： 自动化学院
学 院 名 称： 自动化学院
专业： 自动化专业 班级： ********
学号： **** 姓名： ****
学号： **** 姓名： ******
学号： **** 姓名： ******
学号： **** 姓名： ****
评分： 教师： ****

目 录
目 录 I
摘 要 II
1 电子琴设计原理 - 1 -
1.1音阶频率对应关系 - 1 -
1.2音阶对应频率所转换的十进制数 - 1 -
2 软件设计总体方案及流程图 - 2 -
2.1键盘扫描程序： - 2 -
2.2功能转移程序： - 2 -
2.3琴键处理程序： - 2 -
2.4自动播放歌曲程序： - 2 -
2.5 简要流程图 - 3 -
2.6 简要流程图（子程序） - 4 -
3 硬件电路介绍 - 5 -
3.1 8255A简介 - 5 -
3.2 8254简介 - 5 -
3.3 键盘简介 - 6 -
3.4 扬声器控制模块 - 7 -
3.5 系统电路图 - 7 -
3.6 实物电路图接线 - 8 -
3.7 按键操作说明 - 8 -
4 总 结 - 9 -
5 附 录 - 10 -
5.1心得体会 - 10 -
5.1.1 心得体会（）： - 10 -
5.1.2 心得体会（）： - 11 -
5.1.3 心得体会（）： - 12 -
5.1.4 心得体会（） - 13 -
5.2程 序 - 15 -

摘 要
计算机技术的飞速发展，加快了人类进入信息社会的步伐，改变了世界，改变了人们的工作、学习和生活，对社会发展产生了广发而深远的影响。计算机技术在其它领域中的应用，极大地促进了个学科的发展。有效掌握计算机技术保证了我们能够掌握最先进、最有效的研究开发手段，并影响我们所从事学科的发展。因此，计算机技术基础是我们工科大学生必须掌握的、最重要的基础之一。
电子琴是高科技在音乐领域的一个代表，它是古典文化与现代文明的一个浓缩体。它不但能够帮助我们的音乐教师进行传统音乐文化的教育教学工作，而且由于它又具备现代音乐，特别是电子音乐、电脑音乐的基本结构、特征，因而使我们的教师在进行现代音乐、电子音乐、电脑音乐的教学时，更直接、更简便。
我们此次计算机硬件技术课程设计便是利用计算机硬件技术基础课程中所学到的知识来设计一个具有若干功能的电子琴！

关键字：计算机硬件技术 电子琴

具体分工：

1 电子琴设计原理
一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就能够利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了。当然对于8254来说，产生不同的频率非常方便，我们能够利用8254的定时/计数器来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。该电子琴以8255、8254作为主控核心，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有7个弹奏按键、1个暂停键/预制播放键、1个终止键和扬声器。
1.1音阶频率对应关系

DO
RE
ME
FA
SO
LA
SI
低
261.626
293.665
329.629
349.228
391.995
440
493.885
中
523.251
587.330
659.255
698.456
783.991
880
987.767
高
1046.502
1174.659
1318.520
1396.913
1567.982
1760
1975.533
表1 音阶频率对应表
在本设计中，实验箱采用47KHZ的时钟频率，因此对应音阶频率所对应的十进制数为X=470000/Y，Y为不同音阶所对应的频率，最终转换如下表所示
1.2音阶对应频率所转换的十进制数

DO
RE
ME
FA
SO
LA
SI
低
180
160
142
134
120
107
95
中
90
80
71
67
60
53
48
高
45
40
36
34
30
27
24
表2 音阶对应十进制数表

2 软件设计总体方案及流程图
2.1键盘扫描程序：
检测是否有键按下，有键按下则记录按下键的键值，并跳转至功能转移程序；无键按下，则返回键盘扫描程序继续检测。
2.2功能转移程序：
对检测到得按键值进行判断，是琴键则跳转至琴键处理程序，是功能键则跳转至相应的功能程序，我们设计的功能程序有两种，即音色调节功能和自动播放乐曲功能。
2.3琴键处理程序：
根据检测到得按键值，查询音律表，给计时器赋值，使发出相应频率的声音。
2.4自动播放歌曲程序：
检测到按键按下的是自动播放歌曲功能键后执行该程序，电子琴会自动播放事先已经存放好的歌曲，歌曲播放完毕之后自动返回至键盘扫描程序，继续等待是否有键按下。

2.5 简要流程图

图1 简要流程图

2.6 简要流程图（子程序）

图2简要流程图（子程序）
3 硬件电路介绍
3.1 8255A简介
8255A是一种使用单一的+5V电源、40引脚双列直插式的大规模集成电路芯片，而且是一种通用可编程并行I/O接口芯片。8255内部有3个8位的输入、输出数据端口，即A口，B口和C口。它们均可经过编程设定为输入、输出，且都有数据锁存功能。C口可经过编程分为2个4位的输入/输出口，每个4位口均可单独设定为输入口或输出口，用于传送数据。且根据其控制字的不同，8255有三种不同的工作方式，方式0，方式1，方式2。在本次设计中8255采用方式0 ：基本输入输出方式。

图3 8255A的方式控制字
3.2 8254简介
8254是可编程定时器/计数器。每个8254芯片有3个独立的16位计数器通道，每个计数器有6种工作方式，都能够按二进制或十进制计数。8254的方式控制字有两个，一个用来设置计数器的初值，称为控制字。另一个用来设置读回命令，称为读回控制字。这两个控制字共用一个地址，由标识位来区分。控制字格式如下图

图4 8254的方式控制字
3.3 键盘简介
利用8255C口作为按键接入口，形成4×4组成16个按键矩阵，如下图所示

图5 键盘接线图

3.4 扬声器控制模块
该扬声器控制模块由扬声器、与门、放大器组成，与门将来自8255和8254 的信号相与后经放大器、滤波电容送到扬声器。

图6 扬声器模块电路图
3.5 系统电路图

图7 系统电路图
3.6 实物电路图接线
PC4-PC7接键盘列信号，PC0-PC3接键盘行

图8 电子琴实物接线图

3.7 按键操作说明
经过8255进行键盘扫描获取按键信息，根据所按的键1~7来对应不同的音调以及两个开关k1、k2来控制音阶，并定义初始为中音，而且当K1为1，K2为0的时候为低音，K2为1，K1为0的时候为高音，其它情况均视作中音。D键为播放/暂停键，E键终止。

4 总 结
为期2周的实习结束了，我们很好的完成了设计任务。期间，我们学到了很多宝贵的经验和相关的计算机硬件技术知识。在这次的计算机硬件技术基础课程设计中，汇编语言程序的编写以及原理图的设计占了很重要的部分。对于零散的单元，经过硬件电路搭建、编程、调试，才能形成一个完整的系统。我们必须深入到工程实践中，毕竟实践出真知。同时，在本次课程设计中，我们还必须将书本中的知识很好的应用到实践中去。
经过课程设计，在查阅资料的过程中，学习了基于8254、8255来进行实物设计，将所学真正地应用实践之中，这对于以后的学习和工作都有很大的益处。在设计的过程中，也遇到了一些困难，比如开始的时候，由于音频的计算不准确，导致弹奏的出来的声音很刺耳，在解决问题的过程中，对于音频有了深刻的认识，在后期，在增加功能模块时，由于程序存在的缺陷花费了大量的时间来调试程序和硬件电路。
现在课程设计要结束了，但它的影响却留存长久，它让我们自己动手，品尝成功的喜悦，激发了我们对实践的兴趣和热情，在很大程度上鼓舞了我们的学习决心，增强了我们的自信心，让我们以更大的勇气面对以后的学习和人生。
经过这次课程设计，我深刻的认识到了，理论知识和实践相结合是教学环节中相当重要的一个环节，只有这样才能提高我们的实际操作能力，而且从中培养我们独立思考、用于克服困难、团队协作的精神。

5 附 录
5.1心得体会
5.1.1 心得体会（****）：
开学第一周就进入到计算机硬件的课程设计之中，由于我平时喜爱音乐，因此这次计算机硬件课程设计我们组做的是“电子琴”这个项目，而且由我担任组长。刚拿到这个课题的时候，感觉还是比较简单，因为这个项目只需要经过按键而且配合8255，8254放出对应的频率而且驱动扬声器即可。因此大致的思路还是比较清晰，可是，当我们实际着手开始干这个项目的时候，还是需要注意很多细节的。
由于我和组上另外一个同学负责编程，除了要设计基本功能以外，必须要考虑到扩展功能的设计，满足基本功能的前提下，要为扩展功能留下足够的空间，举个例子，我们这个电子琴的设计要用到4X4的键盘，对于键盘的行信号和列信号的处理，就有一个值得注意的地方，最开始我写程序的时候，我将列信号接入第5片8255的A口，将行信号接入第5片8255的C口，按照理论上来说，这样写没有什么问题，可是这里有一个小问题，光是我的键盘，我就占用了2个口，如果需要扩展的话，可能我的口就不够用。因此程序优化，是我们这几天考虑的一个非常重要的问题。
另外，由于我们电子琴设计到3组音高，即低音，中音和高音，因此设计的时候需要设计一个切换开关，刚开始设计的时候我们是用的ABC按键作为低音，中音和高音的切换开关。即A按键为低音键，B按键做为中音键，C按键做为高音键，按下对应的按键然后再按1234567 就能发出不同音高的音。可是实际的电子琴中，低音和高音要做到无缝对接，也就是说同样是一个1.要在低音，中音，高音之间自由切换。考虑到这一点，我们又对程序做了进一步的优化。
其实，这次的课程设计对我最大的一个考验，就是要学会用如何利用捷径，这个电子琴如果不用表，或者一些循环功能的话，一字一眼的写，也能做，可是可能代码段要写几百行，可是我们用了查表和一些适当的循环后，100来行就能够完成了。而且可读性和可更改性也大大增强。另外，经过这个课程设计，我还有一点体会，就是做软件和硬件综合这种情况，一定要从实际出发，这个功能实用不实用，是否是人性化的。这一定非常重要，只有注重细节，尽把各种情况都考虑到，才能做出比较完善的产品。

5.1.2 心得体会（****）：
我们小组这次硬件课设的题目是做一个有声电子琴，利用的是硬件实验室的实验机器来完成该次课设，在这次课程设计中我主要参与的是部分程序的编辑，程序的优化，以及调试工作。
根据这次所给的实验设备，我们大致的确定了整个有声电子琴的发声原理，经过8255进行键盘扫描获取按键信息，根据所按的键1~7来对应不同的音调以及两个开关k1、k2来控制音阶，将对应的计数初值送给8254这样在对应的时钟频率下，8254就会输出我们所想要的频率的信号，将这个信号传给外接的小喇叭的电路板上与门的一个输入口，再给一个发声使能信号到与门另一个输入口，将与门的输出经过放大电路送给小喇叭实现发声。
根据有声电子琴的工作原理，便能够对8255的接口进行分配，其中C口进行键盘扫描B口送发声使能信号，A口读音阶变换的信号。这样1~7这七个按键每个按键将会对应高中低三个不同的音阶，意味对应三个不同的计数初值，为了使程序段显得精简，因此在程序的最开始建立了三个表对应着不同的三个不同音阶的各个音的计数初值，用查表的方式来获取相应的计数初值。
在调试的基本功能的过程中，主要出现的问题是由于实验软件不支持数据段的定义，因此存放计数初值的三个表需要在程序段里中建立；还有就是为了使得在按着某一个发声键的同时还能改变音阶，就放弃了原本经过A、B、C三个按钮来切换音阶的方案，改用K1和K2两个开关来完成，并定义初始为中音，而且当K1为1，K2为0的时候为低音，K2为1，K1为0的时候为高音，其它情况均视作中音。
在完成基础功能之后我们便考虑加入拓展功能，即播放一段已经保存了的曲调，为了使得程序段简单明了适用范围广，首先我们必须得将曲子中的各种信息进行量化。对此主要分为两个部分，一个是发声的时间信息，一个是所发声音的音调也就是频率信息也能够说是对应的计数初值，我们用16位来表示一个音符的信息，其中高八位的用来存放时间信息，具体为调用延时程序的次数，当其为00时表示曲子已经播放结束；低八位用来存放对应的计数初值，当高八位不为00，低八位为00时代表着休止符。我们用SI来指向这个表，用以读取表内的信息，当暂停的时候SI的值保持不变，当停止的时候SI会被重置。
总体来说这次的课程设计内容并不困难，当然在这次的课程设计中我也巩固了之前所学的硬件知识，巩固了用汇编语言编程的能力，将理论运用到实际中，一定程度培养了我的动手能力和发现问题解决问题的能力。

5.1.3 心得体会（****）：
我们组在这一次的的课程设计中选择的课题是有声电子琴设计。开始拿到这个任务的时候脑子里是比较茫然的，因为不知道该从什么地方入手，不但要经过芯片和代码让喇叭发声，还要能完整播放出一首歌曲，这个挑战确实不小。
理清思路后，我们自己根据所选课题查资料，了解电子琴的发音原理，发现一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就能够利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了。当然对于8254来说，产生不同的频率非常方便，我们能够利用8254的定时/计数器来产生这样方波频率信号。整理出程序设计的大概思路。然后，根据思路，写程序。因为原来对中断那部分掌握的不是很好，经过这次设计，大家仔细阅读了教科书，巩固了中断的内容并对其又有了新的认识。
对简易电子琴的课程设计，不但将理论很好地应用到实际当中去，而且还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，做自己力所能及的，别人却没想到的事。不断地战胜别人，超越前人。同时，更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻易言弃。设计过程，也好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，可能这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了，胜利的钟声也就一定会为我们而敲响。 
在这次设计过程中，我们发现做事情需要综合运用知识的，要体会到学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。理论结合实际，思想依靠操作。我们学习的理论知识需要加以运用到实际才算学成。 
 经过这次课程设计，我们巩固和加强了计算机硬件技术基础理论知识，了解了电子产品的研发过程，掌握了电路的调试方法及故障排除方法。在整个设计过程中，我非常感谢我的老师，我的同伴，还有陌生的网友，她们给了我许多指导性的意见。最后，感谢学校能给我们提供这样的机会，让我们把理论与实际结合，加强了动手能力。本次课程设计必将成为自己以后学习道路上的宝贵的实践经验。

5.1.4 心得体会（****）
这次计算机硬件技术课程设计我们小组所选的题目是“电子琴”，小组成员由我、****和****组成，****和****作为主力，****和****作为辅助，大家齐心协力最终提前高效地完成了课程设计。
计算机技术的飞速发展，加快了人类进入信息社会的步伐，改变了世界，改变了人们的工作、学习和生活，对社会发展产生了广发而深远的影响。计算机技术在其它领域中的应用，极大地促进了个学科的发展。有效掌握计算机技术保证了我们能够掌握最先进、最有效的研究开发手段，并影响我们所从事学科的发展。因此，计算机技术基础是我们工科大学生必须掌握的、最重要的基础之一。
我们都知道，当物体振动时，能够发出声音。振动的频率不同，声音的音调就不同。在电子琴里，虽然没有振动的弦、簧、管等物体，可是能够经过相关的硬件和程序便能够产生相应的音阶。此次，我们的电子琴设置了三组音阶，每组七个，两个转换开关，分别在低、中、高三组音阶里面进行切换。同时增加了功能，内置了歌曲，能够进行自动播放和暂停等功能。
回顾此次计算机硬件课程设计，我感触很多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在将近两个星期的日子里，大家付出了很多，可是大家都相互学习到了很多东西。同时不但巩固了以前所学到的东西，还学习到了很多书本上没有的东西。经过这次课程设计，使我懂得了理论与实践相结合的重要性，理论是实践的基础，实践是理论的应用，只有两者的完美结合，才能将所学真正地应用于社会生活，并为社会服务，从而不断提高自己的实际动手能力和思维创新能力。在设计过程中，也遇到了不少困难，可是大家都很努力地查资料，学习，和其它同交流，并最终解决问题。
在这次课程设计中，确实我做的工作比较少，的确，我对这计算机硬件技术掌握地不是很好，我很感激我的组员没有抛弃我，虽然有些东西我不懂，她们还是很耐心给我讲解，能帮助她们做的就是收集资料和撰写报告。在这两周的实习期间，也增进了我们的交流，增进了我们的友谊，我们是一个整体，能够相互学习，相互支持，在此，我对我的队员表示感谢，另外也感谢那些给我们帮助的同学和老师。

5.2程 序
.486
CTRL_8254 EQU 30CH ;8254宏定义
CUNT0 EQU 300H
CUNT1 EQU 304H
CTRL_8255 EQU 32CH ;8255宏定义
PORTA EQU 320H
PORTB EQU 324H
PORTC EQU 328H

CODE SEGMENT USE16
ASSUME CS:CODE
ORG H
BEG: JMP START
TABLE1 DB 180,160,142,134,120,107,95
TABLE2 DB 90,80,71,67,60,53,48
TABLE3 DB 45,40,36,34,30,27,24 ;建立"低""中""高"三组音阶
数据段
TABLE4 DW 016BH,015FH,035AH,015FH,025AH,0247H,065FH,
018EH,018EH,036BH,0178H,026BH,025AH,0678H,
028EH,
DW 0386H,018EH,0286H,025AH,048EH,0100H,015AH,
015AH,015AH,035FH,017FH,027FH,025FH,045FH,
0100H,
DW 016BH,015FH,035AH,015FH,025AH,0247H,065FH,
018EH,018EH,036BH,0178H,026BH,025AH,0678H,
01A0H,
DW 018EH,0286H,015AH,025FH,035AH,0250H,0147H,
055AH,015AH,015FH,026BH,025FH,0271H,066BH,
0000H ;“预置歌曲《天空之城》所用音符表”
START: ;初始化8255和8254
LEA BX,TABLE2
LEA SI,TABLE4
MOV DX,CTRL_8255
MOV AL,91H ;PC4-PC7接键盘列信号，PC0-PC3
接键盘行信号
OUT DX,AL
MOV DX,CTRL_8254
MOV AL,56H
OUT DX,AL
KSCAN: MOV AH,0EFH ;键盘从Q0列开始扫描
NXTCOL: MOV AL,AH
MOV DX,PORTC
OUT DX,AL ;送出列信号
MOV DX,PORTC
IN AL,DX ;读入行信号
AND AL,0FH
CMP AL,0FH
JNZ FNDKEY ;有键按下
ROL AH,1 ;调整列信号
JC NXTCOL
JMP KSCAN ;没有按键按下，等待扫描
FNDKEY: MOV CL,AH
AND CL,0F0H ;以列信号为低4位，行信号为高4
位，形成按键特征值
OR CL,AL
CALL DLYS0
JMP PANJIAN

DLYS0 PROC ;按键延时
PUSH CX
MOV CX, 8FH
DLYS0_AGN: NOP
LOOP DLYS0_AGN
POP CX
RET
DLYS0 ENDP

PANJIAN: CMP CL,0EDH ;看是否是数字键1按下
JZ FASHENG1
CMP CL,0EBH ;看是否是数字键2按下
JZ FASHENG2
CMP CL,0E7H ;看是否是数字键3按下
JZ FASHENG3
CMP CL,0DEH ;看是否是数字键4按下
JZ FASHENG4
CMP CL,0DDH ;看是否是数字键5按下
JZ FASHENG5
CMP CL,0DBH ;看是否是数字键6按下
JZ FASHENG6
CMP CL,0D7H ;看是否是数字键7按下
JZ FASHENG7
CMP CL,7DH ;D预置歌曲播放/暂停
JZ YUZHI
CMP CL,7BH ;E 终止歌曲
JZ CHONGZHI
JMP KSCAN
XIE_CUNT1: MOV DX,PORTA ;检查音阶A口的PA.0和PA.1接开关，PA.0为1的时候代表低音，
PA.1为1的时候代表高音其它情况
均视为中音
IN AL,DX
AND AL,0FH
CMP AL,01H
JZ DIYIN
CMP AL,02H
JZ GAOYIN
JMP ZHONGYIN
XIE_CUNT2: MOV DX,CUNT1 ;取对应的计数初值送给8254
MOV AL,AH
XLAT
OUT DX,AL
MOV DX,PORTB ;给8254与门送高电平
MOV AL,0FFH
OUT DX,AL
JMP KEYUP
FASHENG1: MOV AH,00H
JMP XIE_CUNT1
FASHENG2: MOV AH,01H
JMP XIE_CUNT1
FASHENG3: MOV AH,02H
JMP XIE_CUNT1
FASHENG4: MOV AH,03H
JMP XIE_CUNT1
FASHENG5: MOV AH,04H
JMP XIE_CUNT1
FASHENG6: MOV AH,05H
JMP XIE_CUNT1
FASHENG7: MOV AH,06H
JMP XIE_CUNT1
DIYIN: LEA BX,TABLE1
JMP XIE_CUNT2
ZHONGYIN: LEA BX,TABLE2
JMP XIE_CUNT2
GAOYIN: LEA BX,TABLE3
JMP XIE_CUNT2
KEYUP: MOV AL,0 ;检查按键是否弹起
MOV DX,PORTC
OUT DX,AL ;送出列信号
IN AL,DX ;读入行信号
AND AL,0FH
CMP AL,0FH
JNZ XIE_CUNT1 ;检查音阶是否改变
MOV DX,PORTB
MOV AL,00H
OUT DX,AL
JMP KSCAN
YUZHI: CALL KEYUPC ;判断按键是否弹起
CALL BOYIN ;调用播放音乐子程序
CALL KEYUPC ;判断按键是否弹起
JMP KSCAN
CHONGZHI: LEA SI,TABLE4
JMP KSCAN

KEYUPC PROC ;判断按键是否弹起子程序
PUSH AX
MOV DX,PORTC
MOV AL,00H
OUT DX,AL
KPAG: IN AL,DX
AND AL,0FH
CMP AL,0FH
JNZ KPAG
POP AX
RET
KEYUPC ENDP

BOYIN PROC ;播放音乐子程序
PUSH AX
PUSH CX
BOYIN_BG: MOV AX,[SI] ；将SI指向的值赋给AX，AH存放该
音响的时间信息，AL存放该音响的频
率信息
CMP AH,00H ;判断音乐是否播完（人为设定当AH
为00H时为音乐结束）
JZ BOYIN_WC
MOV CX,0
MOV CL,AH
CMP AL,00H ;判断该音是否为休止符（人为设定当
AL为00H且AH不为0时为休止符）
JZ XIUZHI
MOV DX,CUNT1 ;送计数初值
OUT DX,AL
MOV DX,PORTB
MOV AL,0FFH
OUT DX,AL
YANCHI: CALL DLYS1 ;声音延时
LOOP YANCHI
MOV DX,PORTB
MOV AL,00H
OUT DX,AL
INC SI ;SI后移两位
INC SI
CHECK: MOV DX,PORTC ;检查是否按下D（暂停）和E（停
止）两个键
MOV AL,7FH
OUT DX,AL
IN AL,DX
AND AL,0FH
CMP AL,0DH
JZ BOYIN_END
CMP AL,0BH
JZ TINGZHI
JMP BOYIN_BG
TINGZHI: L