【正文】 范 大學(xué) 天華學(xué)院電子工程系 ARM 綜合設(shè)計 5 3 硬件方案 系統(tǒng)硬件的構(gòu)成與原理 本次設(shè)計的 簡易電子琴系統(tǒng) 主要使用到的硬件有 LM3S2110微控制器、獨立按鍵、 44 矩陣鍵盤、 LED 燈 模塊 、蜂鳴器、 LCD 液晶顯示屏、電源等。該系統(tǒng)的原理框圖如圖 所示，利用 LM3S2110 微控制器驅(qū)動液晶顯示屏 、蜂鳴器和 LED 燈 模塊 ；使用 獨立 按鍵來 跳出、 停止 或開啟蜂鳴器播放音樂 ； 使用矩陣鍵盤來實現(xiàn)簡易電子琴的演奏功能 ；使用 LED 燈來顯示音 階 。 ARM 2110 開發(fā)板原理與應(yīng)用 ARM2110 開發(fā)板中包含一塊 LM3S2110 微控制器，另外主要可以使用的元器件有： 1 個 RST 鍵， 4 個獨立按鍵，通用輸入 /輸出端口（ GPIO）。該開發(fā)板的原理電路圖見附錄 一 。 LM3S2110 特性概述 LM3S2110 微控制器是針對工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計的，包括遠程監(jiān)控、電子販售機、測試和測量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機、工廠自動化、 HVAC和建筑控制、游戲設(shè)備、運動控制、醫(yī)療器械、以及火警安防。 除此之外，該 LM3S2110 微控制器的優(yōu)勢還在于能夠方便的運用多種ARM 的開發(fā)工具和片上系統(tǒng)（ SoC）的底層 IP 應(yīng)用方案，以及廣大的用戶群體。 另外，該微控制器使用了兼容 ARM 的 Thumb 指令集的 Thumb2 指令集來減少存儲容量的需求，并以此達到降低成本的目的。 LM3S2110 微控制器與 Stellaris 系列的所有成員是代碼兼容的，這為用戶提供了靈活性，能夠適應(yīng)各種精確的需求。與此同時，它還提供出色的計算性能和優(yōu)越的系統(tǒng)中斷響應(yīng)能力?？偟膩碚f，其特性包括： （ 1） 緊湊的內(nèi)核； （ 2） Thumb2 指令集，在通常與 8 位和 16 位設(shè)備相關(guān)的存儲容量中，特別是在微控制器級應(yīng)用的幾千字節(jié) 存儲量中，提供 ARM 內(nèi)核所期望的6 ＸＸＸ：簡易電子琴系統(tǒng) 高性能； （ 3） 高速的應(yīng)用通過 Harvard 結(jié)構(gòu)執(zhí)行，以獨立指令和數(shù)據(jù)總線為特征； （ 4） 優(yōu)越的中斷處理能力，通過執(zhí)行寄存器操作來實現(xiàn)，這些寄存器操作在處理硬件中斷時使用； （ 5） 存儲器保護單元（ MPU）為復(fù)雜的應(yīng)用提供特權(quán)操作模式； （ 6） 從 ARM7? 控制器系列中移植過來，以獲得更好的性能和電源效率； （ 7） 功能齊全的調(diào)試解決方案有：串行線 JTAG 調(diào)試端口（ SWJDP）； Flash 修補和斷點（ FPB）單元，用于實現(xiàn)斷點操作；數(shù)據(jù)觀察點和觸發(fā)（ DWT）單元，用于執(zhí)行 觀察點、觸發(fā)源和系統(tǒng)性能分析；儀表跟蹤宏單元（ ITM），用于支持 printf 型調(diào)試；跟蹤端口接口單元（ TPIU）用作跟蹤端口分析儀的橋接。 LM3S2110 的 GPIO 特性 GPIO 模塊由 8 個物理 GPIO 模塊組成，每個對應(yīng)一個獨立的 GPIO 端口（端口 A, 端口 B, 端口 C, 端口 D, 端口 E, 端口 F, 端口 G, 和端口 H）。 GPIO 模塊遵循 FiRM 規(guī)范，并且支持 1140 個可編程的輸入 /輸出管腳，具體取決于正在使用的外設(shè)。 GPIO 模塊具有以下的特性： （ 1） 可編程控制 GPIO 中斷：屏蔽 中斷發(fā)生；邊沿觸發(fā)（上升沿，下降沿，上升、下降沿）；（高或低）電平觸發(fā)。 （ 2） 輸入 /輸出可承受 5V 電壓。 （ 3） 在讀和寫操作中通過地址線進行位屏蔽。 （ 4） 可編程控制 GPIO 引腳配置。 本次設(shè)計使用的開發(fā)板上的微控制器 LM3S2110 上可使用的引腳有PA0～ PA6（ 7 個）、 PB0～ PB6（ 7 個）、 PC4～ PC7（ 4 個）、 PD0～ PD7（ 8個）、 PE0～ PE1（ 2 個）、 PF0～ PF2（ 3 個）、 PG0～ PG1（ 2 個）、 PH0～ PH1（ 2 個）。 獨立按鍵 上海師范 大學(xué) 天華學(xué)院電子工程系 ARM 綜合設(shè)計 7 ARM2110 開發(fā)板中有 4 個獨立按鍵，其原理電路 圖如圖 所示。這四個獨立按鍵 ——KEY1 ～ KEY4 各自的一端依次連接在微控制器LM3S2110 上的 PH PB PB PB4 四個引腳上。 3 . 3 VR 2 31 0 KK E Y 4P B 4R 2 41 0 KK E Y 3P B 5R 2 51 0 KK E Y 2P B 6R 2 61 0 KK E Y 1P H 1 圖 4 個獨立按鍵電路圖 根據(jù)圖 可以看出，當這四個引腳中的某個引腳得到低電平時，代表其相連的按鍵被按下，如：引腳 PB4 得到低電平就代表 KEY4 被按下。 矩陣鍵盤 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖 所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在 交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如 P1 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識別也要復(fù)雜一些，上圖中， 行 線通過電阻接正電源，并將 列 線所接的單片機的 I/O 口作為輸出端，而 行 線所接的 I/O 口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。 列 線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣， 通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 8 ＸＸＸ：簡易電子琴系統(tǒng) 圖 44 矩陣鍵盤電路圖 蜂鳴器 蜂鳴器的原理電路圖如圖 所示，控制蜂鳴器的端口為 PB1 引腳，當 PB1 引腳輸入低電平時，蜂鳴器會鳴叫。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于 MCU 的 I/O 口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動，如圖 所示， 其 中的三極管 Q1（ 8050）就是用來放大電流以驅(qū)動蜂鳴器的。 5 VB 1B U Z Z E RQ 18 0 5 0R 2 81 0 KR 2 72 . 2 KP H 0 圖 蜂鳴器電路圖 上海師范 大學(xué) 天華學(xué)院電子工程系 ARM 綜合設(shè)計 9 在嵌入式應(yīng)用的設(shè)計上，很多方案都會用到蜂鳴器，大部分 都是使用蜂鳴器來做提示或報警，比如按鍵按下、開始工作、工作結(jié)束或是故障等等。一般驅(qū)動蜂鳴器的方式有兩種：一種是 PWM 輸出口直接驅(qū)動，另一種是利用 I/O 定時翻轉(zhuǎn)電平產(chǎn)生驅(qū)動波形對蜂鳴器進行驅(qū)動。 本設(shè)計中就是使用了 PWM 輸出口直接驅(qū)動的方式來驅(qū)動蜂鳴器，以此來實現(xiàn)電子琴的發(fā)音功能。 PWM 輸出口直接驅(qū)動是利用 PWM 輸出口本身可以輸出一定的方波來直接驅(qū)動蜂鳴器。只要打開 PWM 輸出， PWM 輸出 口就能輸出該頻率的方波，這個時候利用這個波形就可以驅(qū)動蜂鳴器了 。 LED 燈應(yīng)用方式 LED 即發(fā)光二極 管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。 LED 的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是 N 型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個 “PN 結(jié) ”。當電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成PN 結(jié)材料決定的。 R 1 9P F 14 .7 KL E D 1R 2 0P F 24 .7 KL E D 2R 2 1P B 04 .7 KL E D 3R 2 9P B 24 .7 KL E D 5R 3 0P B 34 .7 KL E D 6R 2 2P B 14 .7 KL E D 43 .3 VR 3 1P E 04 .7 KL E D 7R 3 2P E 44 .7 KL E D 8 圖 LED 燈電路圖 10 ＸＸＸ：簡易電子琴系統(tǒng) 本設(shè)計實驗中，有 8 個 LED 小燈，其原理電路圖如圖 所示。這 8個小燈 ——LED1～ LED8各自的負極連接了一個 微控制器 LM3S2110 上的 PA PA PA PG0、 PF PG PE0、 PE1這 8 個引腳上，當這 8 個引腳中的某個引腳得到低電平時，其相連的 LED小燈就會亮起。 1602 字符液晶屏 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號 等的 點陣 型液晶模塊它有若干個 5X7 或者 5X11 等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。 1602LCD 特征及應(yīng)用微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。 因為 1602 識別的是 ASCII 碼， 實驗 可以用 ASCII 碼直接賦值 。如 “1” 的 ASCII 碼值為 “49”，可以直接賦值 “49”到顯示數(shù)字 “1”的效果。 C SR SW RR DR S TD 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7G N DV C C 3 . 31 5P A 32G N D3P D 74P D 65P D 56P D 47P D 38P D 29P D 11 0P D 01 1P A 61 2P A 41 3P A 51 4P A 213 . 3 V （ a） （ b） 圖 (a)LCD 液晶屏排針接口 (b)實驗中用到的對應(yīng) ASCII 碼值 上海師范 大學(xué) 天華學(xué)院電子工程系 ARM 綜合設(shè)計 11 4 軟件方案 設(shè)計 原理框圖 根據(jù)本次設(shè)計的要求和設(shè)計方案，需要實現(xiàn)簡易電子琴系統(tǒng)必須在ARM 2110 芯片的基礎(chǔ)上加上電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、矩陣鍵盤等外設(shè)，通過 LM3S2110 微控制器寫入程序控制蜂鳴器、 LCD 顯示屏、 LED燈模塊根據(jù)音階發(fā)音或顯示。設(shè)計原理框圖如圖 所示 時 鐘 電 路電 源 電 路復(fù) 位 電 路Ａ Ｒ ＭＣ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ －Ｍ ３Ｌ Ｍ３Ｓ２ １ １ ０頻 率 選 擇 蜂 鳴 器矩 陣 鍵 盤L C D 顯 示 屏L E D燈 圖 簡易電子琴系統(tǒng)原理框圖 程序流程圖 根據(jù)本次設(shè)計的要求和設(shè)計方案， 最終實現(xiàn)了 簡易電子琴系統(tǒng) 如下功能： （ 1）獨立按鍵 KEY1 控制音樂播放的停止和播放音樂與矩陣按鍵演奏之間轉(zhuǎn)換的功能。 （ 2）獨立按鍵 KEY2 開啟音樂 1（一分錢） （ 3）獨立按鍵 KEY3 開啟音樂 2（理發(fā)師） （ 4）獨立按鍵 KEY4 開啟音樂 3（梁祝） （ 5）矩陣 鍵盤 實現(xiàn)電子琴演奏功能， 16 個按鍵依次 通過蜂鳴器 發(fā)出：M M M M M M M L H H H H HH L L7 等音階 ，并將音階對應(yīng)顯示在 LCD 顯示屏上。 12 ＸＸＸ：簡易電子琴系統(tǒng) （ 6）使用程序定義使得 LED 燈模塊根據(jù)不同音階亮不同燈的個數(shù)，實現(xiàn) LED 燈跳躍顯示功能。 （ 7）通過 ARM 2110 芯片復(fù)位鍵初始化程序， 重新 開始簡易電子琴系統(tǒng)。 程序流程圖如圖 所示。 開 始矩 陣 鍵 盤鍵 盤停 止 一 分 錢 理 發(fā) 師 梁 祝C a s e 1 5C a s e 1C a s e 0… …L E D 燈L C D 顯 示 屏L C D 顯 示 屏 L E D 燈顯 示 歌 名根 據(jù) 歌 曲 音 階 跳動 L E D 燈顯 示 音 階根 據(jù) 音 階 顯示 燈 的 個 數(shù)圖 程序流程圖 導(dǎo)線連接方案 實驗過程中需要連接 以下 導(dǎo)線： （ 1） 矩陣鍵盤由上至下、由左向右依次連接 ： VCC、 PA0、 PA PAPA懸空、 PC PC PC PC7。 （ 2） LCD 顯示屏由上至下依次連接 ： PD0~PD7，使能端連接 PB0，寫入端連接 PB2。 （ 3） LED 燈模塊依次連接： PA PA PA PG0、 PF PG PE0、PE1，電源連接 3V。 （ 4） 蜂鳴器模塊信號輸入管腳連接 PB1， GND 管腳連接 ARM2110 實驗 板 的地端。 上海師范 大學(xué) 天華學(xué)院電子工程系 ARM 綜合設(shè)計 13 調(diào)試過程 在調(diào)試 過程中 ，首先要做好硬件