1、 物理與電子信息學(xué)院嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計成績評定表專業(yè)：電子信息工程 班級：電信1101班 學(xué)號： 姓名： 課題名稱基于LPC2000系列的電子琴設(shè)計設(shè)計任務(wù)與要求1用LPC2000系列ARM芯片設(shè)計電子琴，用proteus軟件仿真。2按下不同的按鍵，揚(yáng)聲器能夠發(fā)出不同的音調(diào)。3用控制揚(yáng)聲器可以實(shí)現(xiàn)音調(diào)的條件。設(shè)計報告成績評分標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計報告成績：電子作品成績評分標(biāo)準(zhǔn)：電子作品成績：課程設(shè)計成績 總成績： 指導(dǎo)教師：2014年6月15日嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計報告設(shè)計課題： 基于LPC2000系列的電子琴設(shè)計 專業(yè)班級： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計時間： 2014.6.17 嵌入

2、式簡易電子琴系統(tǒng)設(shè)計一、設(shè)計任務(wù)與要求 1用LPC2000系列ARM芯片設(shè)計電子琴，用proteus軟件仿真。 2按下不同的按鍵，揚(yáng)聲器能夠發(fā)出不同的音調(diào)。 3用控制揚(yáng)聲器可以實(shí)現(xiàn)音調(diào)的條件。2、 方案設(shè)計與論證1.方案一 揚(yáng)聲器PWM信號發(fā)生器 圖2-1 PWM控制通過PWM產(chǎn)生不同的頻率的信號去控制揚(yáng)聲器的發(fā)聲。2. 方案二電源 2*4矩形鍵盤聲音驅(qū)動模塊LPC運(yùn)行模塊圖2-2 按鍵控制 通過編程，利用按鍵去控制揚(yáng)聲器的發(fā)聲。 通過小組討論分析，結(jié)合設(shè)計電路性能指標(biāo)、器件的性價比，本設(shè)計電路選擇方案二。3、 硬件設(shè)計與介紹嵌入式的定義：從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟

3、件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。 從系統(tǒng)的角度定義：嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機(jī)系統(tǒng)。術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)中的一個完整的部分，稱為嵌入的系統(tǒng)。嵌入的系統(tǒng)中可以共存多個嵌入式系統(tǒng)。 3.1 213X系列最小系統(tǒng)板介紹： LPC2131/2132/2138 是基于一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的32/16ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，并帶有32kB、64kB、512 kB 的嵌入的高速Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時鐘

4、速率下運(yùn)行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16 位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。較小的封裝和極低的功耗使 LPC2131/2132/2138 可理想地用于小型系統(tǒng)中，如訪問控制和POS 機(jī)。寬范圍的串行通信接口和片內(nèi)8/16/32kB的SRAM使LPC2131/2132/2138 非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟modem、聲音辨別和低端成像，為它們提供巨大的緩沖區(qū)空間和強(qiáng)大的處理功能。多個32位定時器、1個或2 個10 位8 路ADC、10 位DAC、PWM 通道和47個GPIO 以及多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。主要特

5、性如下：（1）16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封裝。 （2）8/16/32kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和32/64/128/256/512kB的片內(nèi)Flash程序存儲器。128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率。 （3）通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程（ISP/IAP）。單個Flash扇區(qū)或整片擦除時間 為400ms。256字節(jié)行編程時間為1ms。 （4）EmbeddedICE RT和嵌入式跟蹤接口通過片內(nèi)RealMonitor軟件對代碼進(jìn)行實(shí)時調(diào)試和高速跟蹤。（5）1個（LPC2131/32）或2個（LPC2134/36/38）8路10位的A/D轉(zhuǎn)換

6、器，共提供16路模擬輸入，每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至2.44us。 （6）1個10位的D/A轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生不同的模擬輸出。（LPC2132/34/36/38） （7）2個32位定時器/外部事件計數(shù)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）和看門狗。 （8）低功耗實(shí)時時鐘具有獨(dú)立的電源和特定的32kHz時鐘輸入。 （9）多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個高速I2C總線（400kbit/s）、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP。（10）向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。 （11）小型的LQFP64封裝上包含多達(dá)47個通用I/O口（可承受5V電壓）。（

7、12）多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。 （13）通過片內(nèi)PLL（100us的設(shè)置時間）可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率。 （14）片內(nèi)集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為130MHz，與外部振蕩器的操作頻率范圍高達(dá) 50MHz。 （15）低功耗模式：空閑和掉電。 （16）可通過個別使能/禁止外部功能和外圍時鐘分頻來優(yōu)化功耗。（17）通過外部中斷或BOD將處理器從掉電模式中喚醒。（18）單電源，具有上電復(fù)位（POR）和掉電檢測（BOD）電路。 （19）CPU操作電壓范圍：3.0V3.6V(3.3V10)，I/O口可承受5V的電壓。3.2最小系統(tǒng)板結(jié)構(gòu) LPC2131/2132/213

8、8 包含一個支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7 局部總線、與中斷控制器接口的AMBA 高性能總線（AHB）和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI 外設(shè)總線（VPB，ARMAMBA 總線的兼容超集）。LPC2131/2132/2138 將ARM7TDMI-S 配置為小端（little-endian）字節(jié)順序。AHB 外設(shè)分配了2M 字節(jié)的地址范圍，它位于4G 字節(jié)ARM 存儲器空間的最頂端。每個AHB 外設(shè)都分配了16k 字節(jié)的地址空間。LPC2131/2132/2138 的外設(shè)功能（中斷控制器除外）都連接到VPB 總線。AHB到VPB 的橋?qū)PB 總線與AHB 總

9、線相連。VPB 外設(shè)也分配了2M 字節(jié)的地址范圍，從3.5GB 地址點(diǎn)開始。每個VPB 外設(shè)在VPB 地址空間內(nèi)都分配了16k 字節(jié)地址空間。片內(nèi)外設(shè)與器件管腳的連接由管腳連接模塊控制。該模塊必須由軟件進(jìn)行控制以符合外設(shè)功能與管腳在特定應(yīng)用中的需求。3.3 片內(nèi)FLASH程序儲存器LPC2131/2132/2138 分別含有32kB、64kB 和512kB 的FLASH 存儲器系統(tǒng)。該存儲器可用作代碼和數(shù)據(jù)的存儲。對FLASH 存儲器的編程可通過幾種方法來實(shí)現(xiàn)：通過內(nèi)置的串行JTAG 接口，通過在系統(tǒng)編程（ISP）和UART0，或通過在應(yīng)用編程（IAP）。使用在應(yīng)用編程的應(yīng)用程序也可以在應(yīng)用程

10、序運(yùn)行時對FLAH 進(jìn)行擦除和/或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件的升級都帶來了極大的靈活性。如果LPC2131/2132/2138 使用了片內(nèi)引導(dǎo)裝載程序（bootloader），32/64/512kB 的Flash 存儲器就可用來存放用戶代碼。LPC2131/2132/2138 的Flash 存儲器至少可擦除/編程10,000 次，保存數(shù)據(jù)的時間長達(dá)10 年。3.4 片內(nèi)靜態(tài)RAM片內(nèi)靜態(tài)RAM（SRAM）可用作代碼和/或數(shù)據(jù)的存儲，支持8 位、16 位和32 位的訪問。LPC2131/2132/2138 含有8/16/32kB 的靜態(tài)RAM。LPC2131/2132/2138 SRAM

11、是一個字節(jié)尋址的存儲器。對存儲器進(jìn)行字和半字訪問時將忽略地址對準(zhǔn)，訪問被尋址的自然對準(zhǔn)值（因此，對存儲器進(jìn)行字訪問時將忽略地址位0 和1，半字訪問時將忽略地址位0）。因此，有效的讀寫操作要求半字?jǐn)?shù)據(jù)訪問的地址線0 為0（地址以0、2、4、6、8、A、C 和E 結(jié)尾），字?jǐn)?shù)據(jù)訪問的地址線0 和1 都為0（地址以0、4、8 和C 結(jié)尾）。該原則同樣用于片外和片內(nèi)存儲器。SRAM 控制器包含一個回寫緩沖區(qū)，它用于防止CPU 在連續(xù)的寫操作時停止運(yùn)行?；貙懢彌_區(qū)總是保存著軟件發(fā)送到SRAM 的最后一個字節(jié)。該數(shù)據(jù)只有在軟件請求下一次寫操作時才寫入SRAM（數(shù)據(jù)只有在軟件執(zhí)行另外一次寫操作時被寫入SRA

12、M）。如果發(fā)生芯片復(fù)位，實(shí)際的SRAM 內(nèi)容將不會反映最近一次的寫請求（即：在一次“熱”芯片復(fù)位后，SRAM 不會反映最后一次寫入的內(nèi)容）。任何在復(fù)位后檢查SRAM 內(nèi)容的程序都必須注意這一點(diǎn)。通過對一個單元執(zhí)行兩次相同的寫操作可保證復(fù)位后數(shù)據(jù)的寫入?；蛘?，也可通過在進(jìn)入空閑或掉電模式前執(zhí)行虛寫（dummy write）操作來保證最后的數(shù)據(jù)在復(fù)位后被真正寫入到SRAM。3.5 存儲器映射概念和操作方式LPC2131/2132/2138 的基本的概念是：每個存儲器組在存儲器映射中都有一個“物理上的”位置。它是一個地址范圍，該范圍內(nèi)可寫入程序代碼。每一個存儲器空間的容量都永久固定在同一個位置，這樣

13、就不需要將代碼設(shè)計成在不同地址范圍內(nèi)運(yùn)行。由于ARM7 處理器上的中斷向量位置（地址0x0000 00000x0000 001C，見表2），Boot Block 和SRAM空間的一小部分需要重新映射來實(shí)現(xiàn)在不同操作模式下對中斷的使用，見表1。中斷的重新映射通過存儲器映射控制特性來實(shí)現(xiàn)，詳見系統(tǒng)控制模塊一節(jié)。表1：LPC2131/2132/2138 存儲器映射模式 模式激活用途Boot裝載程序模式由任何復(fù)位硬件激活在任何復(fù)位后都會執(zhí)行 Boot 裝載程序。Boot Block 中斷向量映射到存儲器的底部以允許處理異常并在Boot 裝載過程中使用中斷。用戶Flash模式由Boot代碼軟件激活當(dāng)在存

14、儲器中識別了一個有效的用戶程序標(biāo)識并且Boot 裝載操作未被執(zhí)行時，由Boot 裝載程序啟動。中斷向量沒有重新映射，它位于Flash 存儲器的底部。用戶RAM模式由用戶程序軟件激活由用戶程序激活。中斷向量重新映射到靜態(tài) RAM 的底部。3.6 系統(tǒng)控制模塊系統(tǒng)控制模塊功能匯總：系統(tǒng)控制模塊包括幾個系統(tǒng)特性和控制寄存器，這些寄存器具有眾多與特定外設(shè)器件無關(guān)的功能。1、晶體振蕩器2、外部中斷輸入3、存儲器映射控制4、PLL5、功率控制6、復(fù)位7、VPB 分頻器8、喚醒定時器每種類型的功能都有其自身的寄存器，不需要的位則定義為保留位。為了滿足將來擴(kuò)展的需要，無關(guān)/的功能不共用相同的寄存器地址。表2：

15、系統(tǒng)控制模塊功能相關(guān)的管腳管腳名稱管腳方向管腳描述X1輸入晶振輸入-振蕩器和內(nèi)部時鐘發(fā)生器電路的輸入X2輸出晶振輸出-振蕩器放大器的輸出EINT0輸入外部中斷輸入0-低有效的通用中斷輸入。該管腳可用于將處理器從空閑或掉電模式中喚醒。P0.1和P0.16可用作EINT0 功能。EINT1輸入外部中斷輸入1-見上面的EINT0 描述。P0.3 和P0.14可用作EINT1 功能。復(fù)位后管腳 P0.14上立即出現(xiàn)的低電平被看作是一個啟動ISP 命令處理器的外部硬件請求EINT2輸入外部中斷輸入2-見上面的EINT0 描述。P0.7 和P0.15 可用作EINT2 功能。EINT3輸入外部中斷輸入3-

16、見上面的EINT0 描述。P0.9,P0.20和P0.30可用作EINT3 功能。RESET輸入外部復(fù)位輸入-該管腳上的低電平將芯片復(fù)位，使I/O 口和外設(shè)恢復(fù)其默認(rèn)狀態(tài)，并使處理器從地址0 開始執(zhí)行程序。 圖3.1 LPC2138管腳排列圖 3.7 行列式鍵盤工作原理ARM嵌入式系統(tǒng)使用常用的行列式鍵盤電路，此電路的優(yōu)點(diǎn)是比較節(jié)省I/0口線，并且接口簡單。它的工作模式如下圖所示。它的行線與按鍵的一個引腳相連，列線與按鍵的另一個引腳相連。平時列線被置成低電平，沒有按鍵被按下時，行線保持高電平，而有按鍵被按下時，行線被拉成低電平。如圖3.2。圖3.2 鍵盤掃描模式 3.8 鍵盤識別原理對于常規(guī)的

17、按鍵識別過程一般分為以下幾步：（1）用IF語句判斷按鍵是否按下。（2）調(diào)用延時函數(shù)延時去除按鍵抖動。（3）再用IF語句判斷是否真的按下。（4）是真的按下，則執(zhí)行按鍵處理程序。（5）用WHILE語句等待按鍵釋放。為了考慮提高CPU的效率和充分利用CPU的資源等因素，可將第2步和第5步的延時和等待過程用其他方式代替。 3.9鍵盤電路介紹為了實(shí)現(xiàn)電子琴的輸入，需要擴(kuò)展鍵盤以作為控制輸入。系統(tǒng)采用LPC2138的P0.8-P0.13端口引腳作為2X4矩陣鍵盤的擴(kuò)展接口，電路原理圖如圖3.3所示。 圖 3.3 鍵盤電路 在擴(kuò)展鍵盤時需要解決兩個問題，一是鍵盤的抖動，二是多鍵同時按下。鍵盤的去抖動可通過軟

18、件的適當(dāng)延時實(shí)現(xiàn)，即在讀入端口P0.8P0.11后，適當(dāng)延時一段時間，再讀入端口P0.12P0.13，兩次比較后確定按鍵是否真按得下。多鍵同時按下也可通過軟件設(shè)計屏蔽多按下的鍵，對于同一列的鍵同時按下，可以只取鍵值最小的鍵，屏蔽值大的鍵，或反之。對于不同列的鍵，可以將P0.12P0.13設(shè)置優(yōu)先級，如P0.12最高，P0.13最低，或反之。這樣，只取優(yōu)先級高的鍵，屏蔽優(yōu)先級低的鍵。在ARM中，必須將管腳置為GPIO口后才能將管腳作為I/O口的功能來使用，由于在I/O的初始化中已經(jīng)將用到的管腳設(shè)置為GPIO口，固可以將管腳作為I/O口的功能來使用。具體方法如下：先將P0.8-P0.11這4列端口

19、設(shè)置為輸入管腳并且置為低電平，然后將P0.12-P0.13這2行端口設(shè)置為輸出管腳并且置為高電平，通過判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵按下則可以首先確定2行端口的代碼，接著再將4列端口設(shè)置為輸出管腳并且置為高電平，將2行端口設(shè)置為輸入管腳并且置為低電平，以此來決定4列端口的代碼，然后再講4列端口代碼和2行端口代碼按照2行為高4位，4列為低4位的順序排成一個8位代碼。3.10 蜂鳴器驅(qū)動電路分析 蜂鳴器驅(qū)動電路分析如下： 蜂鳴器：發(fā)聲元件，在其兩端施加直流電壓（有源蜂鳴器）或者方波（無源蜂鳴器）就可以發(fā)聲，其主要參數(shù)是外形尺寸、發(fā)聲方向、工作電壓、工作頻率、工作電流、驅(qū)動方式（直流/方波）等。這些

20、都可以根據(jù)需要來選擇。 續(xù)流二極管：蜂鳴器本質(zhì)上是一個感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個續(xù)流二極管提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動三極管，并干擾整個電路系統(tǒng)的其它部分。 三極管驅(qū)動蜂鳴器電路：三極管Q1起開關(guān)作用，其基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲；而基極低電平則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。如圖3.4。 圖3.4實(shí)際選用驅(qū)動放大電路 3.11 整體電路圖 如圖3.5所示。 圖3.5 硬件設(shè)計電路整體圖4、 軟件設(shè)計 1.程序流程圖如圖4.1所示。 圖4.1程序流程圖 2.軟件設(shè)計程序代碼如下：/*File: Main.c*功能: 使用PWM6輸

21、出PWM信號,通過濾波電路實(shí)現(xiàn)DAC轉(zhuǎn)換.由按鍵控制PWM占空比,每按一次* 按鍵將會改變一次PWM的占空比，使蜂鳴器發(fā)出不同的音調(diào)。*/#include config.h#define KEY1 0x /*P0.14引腳連接KEY1*/#define KEY2 0x /*P0.10引腳連接KEY2*/#define KEY3 0x /*P0.11引腳連接KEY3*/#define KEY4 0x /*P0.12引腳連接KEY4*/#define KEY5 0x /*P0.13引腳連接KEY5*/#define KEY6 0x /*P0.15引腳連接KEY6*/#define KEY7 0x

22、/*P0.16引腳連接KEY7*/#define KEY8 0x /*P0.17引腳連接KEY8*/*名稱: WaitKey()*功能: 等待一個有效按鍵,有去抖功能*/*void WaitKey(void) uint32 i; while(1) while(IOPIN&KEY1)!=0); /等待KEY1鍵按下 for(i=0;i50;i+); /延時去抖 if(IOPIN&KEY1)=0)break; while(IOPIN&KEY1)=0); /等待KEY1鍵放開*/void TargetInit(void);/*名稱: main()*功能: 使用PWM6輸出占空比可調(diào)的PWM波形*/i

23、nt main(void) uint32 pwmdata; /PWM占空比控制變量 int i; PINSEL0=0x; /設(shè)置PWM6連接到P0.9引腳 PINSEL1=0x; /其他引腳設(shè)置為GPIO TargetInit(); /PWM初始化 pwmdata=1382; while(1) PWMMR0=2765; /設(shè)置PWM周期 PWMMR6=pwmdata; /設(shè)置PWM占空比 PWMLER=0x41; /PWMMR0,PWMMR6鎖存,更新PWM占空比 / WaitKey(); /等待按鍵 if(KEY1=0) while(IOPIN&KEY1)!=0); /等待KEY1鍵按下 f

24、or(i=0;i50;i+); /延時去抖 if(IOPIN&KEY1)=0)break; while(IOPIN&KEY1)=0); /等待KEY1鍵放開 pwmdata=100; /改變PWM占空比控制變量 if(KEY2=0) while(IOPIN&KEY2)!=0); /等待KEY2鍵按下 for(i=0;i50;i+); /延時去抖 if(IOPIN&KEY2)=0)break; while(IOPIN&KEY2)=0); /等待KEY2鍵放開 pwmdata=300; /改變PWM占空比控制變量 if(KEY3=0) while(IOPIN&KEY3)!=0); /等待KEY3鍵

25、按下 for(i=0;i50;i+); /延時去抖 if(IOPIN&KEY3)=0)break; while(IOPIN&KEY3)=0); /等待KEY3鍵放開 pwmdata=500; /改變PWM占空比控制變量 if(KEY4=0) while(IOPIN&KEY4)!=0); /等待KEY4鍵按下 for(i=0;i50;i+); /延時去抖 if(IOPIN&KEY4)=0)break; while(IOPIN&KEY4)=0); /等待KEY4鍵放開 pwmdata=700; /改變PWM占空比控制變量 if(KEY5=0) while(IOPIN&KEY5)!=0); /等待K

26、EY5鍵按下 for(i=0;i50;i+); /延時去抖 if(IOPIN&KEY5)=0)break; while(IOPIN&KEY5)=0); /等待KEY5鍵放開 pwmdata=900; /改變PWM占空比控制變量 if(KEY6=0) while(IOPIN&KEY6)!=0); /等待KEY6鍵按下 for(i=0;i50;i+); /延時去抖 if(IOPIN&KEY6)=0)break; while(IOPIN&KEY6)=0); /等待KEY6鍵放開 pwmdata=1100; /改變PWM占空比控制變量 if(KEY7=0) while(IOPIN&KEY7)!=0);

27、 /等待KEY7鍵按下 for(i=0;i50;i+); /延時去抖 if(IOPIN&KEY7)=0)break; while(IOPIN&KEY7)=0); /等待KEY7鍵放開 pwmdata=1300; /改變PWM占空比控制變量 if(KEY8=0) while(IOPIN&KEY8)!=0); /等待KEY8鍵按下 for(i=0;i=2764)pwmdata=0; return(0);/PWM初始化函數(shù) void TargetInit(void)PWMPR=0x00; /不分頻PWMMCR=0x02; /設(shè)置PWMMR0匹配 PWMMR0=2765; /設(shè)置PWM周期PWMMR6=1382; /設(shè)置PWM占空比 PWMLER=0x41; /PWMMR0,PWMMR6鎖存 PWMPCR=0x4000; /允許PWM單邊輸出 PWMTCR=0x09; /PWM使能