基于8086电子琴的设计与实现.docx

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基于8086电子琴的设计与实现

郑州科技学院

《微机原理与接口技术》课程设计

　题　目＿基于8086电子琴的设计与实现

　学生姓名　　　　　　　　　

专业班级　　12级计算机科学与技术一班　

　　学　号　　

　院（系）　　信息工程　

指导教师　　　　　

完成时间　20１5年１月　１1　日

目　录

1引言ﻩ1

2设计方案与论证ﻩ3

2.1方案一ﻩ3

2.2　方案二ﻩ3

2.2.１设计思路4

3　设计原理及功能说明ﻩ9

3.1.1８253简介ﻩ１0

3.2软件ﻩ14

３．2.1设计实验总流程图ﻩ１４

3.2.２设计子程序流程图ﻩ1５

４　调试与结果测试ﻩ1７

４.1硬件调试ﻩ17

4.2软件调试ﻩ２０

4.３测试方案和测试结果2２

5总结23

参考文献2６

附录1：

总体电路原理图２７

附录2:

元器件清单ﻩ28

附录3:

源代码29

1　引言

随着电子技术的发展，计算机在现代科学技术的发展中起着越来越重要作用。

多媒体技术、网络技术、智能信息处理技术、自适用控制技术、数据挖掘与处理技术等都离不开计算机。

本次课程设计是基于微机原理与接口技术的简单应用。

微机技术目前运用最广泛的就是单片机。

单片机是随着大规模集成电路的出现极其发展，将计算机的ＣPU、RAM、RＯM定时／计数器和多种I/Ｏ接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机。

它拥有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗的显著优点.主要应用于智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面,并且取得了显著的成果。

单片机控制通用MＩＤI音源模块制作制作出的电子琴，结构简单，可靠性高,并且价格低廉,具有实用的价值。

这种电子琴能够支持单音和复音弹奏，如果与高品质的音源芯片连接,音质更可与高档电子琴相媲美。

手机中通用的音乐芯片构成音源模块，效果不错，价格更低廉，如韩国产的QＳ6４00等,这些芯片的驱动要复杂一些，需要对芯片进行初始化设置。

此外还有音乐盒、附有生日歌的生日卡片等等。

所以利用微机制作的简易电子琴在我们的日常生活中随处可见[1]。

微机原理简易电子琴设计主要是通过对电子琴主体部分的电路进行模仿设计,达到电子琴固有的基本功能，故叫简易电子琴。

利用定时器可发出不同频率的方波，不同频率的方波经喇叭就会发出不同音调。

其次,定时器按设置的定时参数产生中断，这一次中断发出脉冲低电平，下一次反转发出脉冲高电平,由于定时参数不同，就发出不同频率的方波[2］,本设计中按键一次，会发出方波,松开后随之延时,但在延时的期间继续检测按键，若此时又有键被按下，若被按下的仍为原键则声音不变,否则键盘会译出被按下的另一个键的音调。

本次课程设计的目的是通过D／Ａ转换器产生摸拟信号，使PC机作为简易电子琴。

其主要任务有以下几点：

基于８086系统；使用计算机的数字键1、2、3、4、５、6、７、８作为电子琴的按键,按下即可发出相应的音阶;音阶通过扬声器发出声音。

本次设计通过８2５５和825３来实现电子琴模拟,主要可以分成两部分,分别为输入部分和发音部分。

输入部分:

主要是由825５和8个常开型开关来完成。

发音部分:

CUP通过对定时器8２53的通道2进行编程，使其Ｉ/O寄存器接收一个控制声音频率的16位计数值,端口61Ｈ的最低位控制通道２门控的开断，以产生特殊的音响[3]。

本文用到的是825３的方式３——方波发生器。

通过课程设计使学生更进一步掌握微机原理及应用课程的有关知识,提高应用微机解决问题的能力，加深对微机应用的理解。

通过查阅资料,结合所学知识进行软、硬件的设计，使学生初步掌握应用微机解决问题的步骤及方法。

为以后学生结合专业从事微机应用设计奠定基础。

２　设计方案与论证

２.1方案一

首先利用了编程程序，编辑8２5５芯片控制字, 对其进行初始化,使其工作在方式0，即基本输入输出状态,将8２55的A端口设置为输出,C端口进行,经ＣPU运算后, 输出到８２５4芯片的A端口中，由此实现对其的初始化。

将8254芯片设置为工作在方式３,即输出对称方波状态。

A端口为输入,“OUT”指令可将输出对应一定频率的方波送到扬声器中,由此实现发声[4]。

本实验频率大小控制发出声音的高低，通过对延时程序的调用控制发出声音的长短。

并通过所编程序实现对键盘的重复扫描,从而可以弹奏多个音符的试验目的。

2.２方案二

8253的ＣLK0接1ＭHｚ时钟,ＧATE0接+5Ｖ,OUT０接８２５5的ＰA0,K8跳线连接喇叭，使用汇编语言设计一个运行于计算机的电子琴程序,程序应实现弹奏功能。

其中弹奏：

用户每按一琴键弹奏相应音符；软件预想功能为：

按数字1~8为弹奏功能，按下即发出相应的音阶。

按键发音,当从键盘上敲击１~８时，音响发出哆、唻、咪、发、嗦、啦、唏、唗的音节。

对比方案一,其实两个方案差不多，但是我对于８2５4不熟悉,所以最终决定此方案为我选择的最佳方案,并附上本次设计的设计框图如图２－1所示：

图2-1设计框图

2.2.1设计思路

电子琴的设计实际上就是要设计一个程序,能够通过该程序控制PＣ机内扬声器的发声规律,按下相应的按键后，扬声器能发出指定频率的声音。

ＰC机内的扬声器是通过并行接口芯片825５和定时芯片8253来控制发音的。

在本次课程设计中，分析和确定程序总体设计目标：

电子琴基本功能后，将总体目标确定为连接电路与编程来实现功能。

程序设计的思路按以下顺序进行：

（1）分析与确定程序总体设计目标；

通过D/A转换器产生摸拟信号,使PC机作为简易电子琴。

其总体原理图如图2-2所示：

图2-２　总体原理图

（2）按照电路图连接实验箱,如图2－3所示:

图2-３电路连接图

（3）编写源程序，进行调试，包括:

发音部分功能实现

由更件的连接形式可知，扬声器的开断是由8255的ＰB0和ＰＢ1以及8２5３通道2同时控制的，PB0和PB1同时为高电平时，扬声器开，有一个为低电平时,扬声器关断,又知8２５5B口地址为6１H,8253通道2地址为42H,控制口地址为43H。

具体程序编写［５]如下：

８２５3初始化程序段:

　mov　aｌ,101１０110ｂ　；选择8253的通道２,并设置为工作方式３

out43h,aｌ　　　　　

ｍoｖax,bx

ouｔ4２h,ａl　　；将计数初值的低8位写入计数通道

ｍovａl,ａh

oｕｔ　4２h,al　　　；将计数初值的高8位写入计数通道

开扬声器程序段:

ｉｎaｌ,６1ｈ　　　;读入Ｂ口数据

oraｌ,03h　　;将PB0和ＰB１置1

ouｔ61ｈ，aｌ　;将设置好的数据送回B口

关扬声器程序段:

inａl,６1ｈ　；读入B口数据

aｎdal,０fｃh　　;将PB０和PB1置0

out61h,a　　;将设置好的数据送回B口

弹奏功能的实现

　　当按键为数字1-8时，选择弹奏功能，通过对按键的判断，求得其偏移地址,然后通过查表得其相应频率值，再由上述计算计数初值的方法求得计数初值,然后将计数初值送人82５３的通道2,最后调用发音子程序即实现弹奏功能。

具体程序段如下：

　　sub　aｌ,31h　　　　　;求偏移量

ｓｈｌaｌ,１

movbｌ,al　　　;保存偏移量

　ｍoｖbh,0

　　　moｖax，num１　　　;计算计数初值

　moｖdｘ,num2

　divworｄptr[tａb+bｘ］

　　mｏｖbx,ax　　　　;保存计数初值

延时功能的实现

当弹奏完音乐之后,调用延时子程序,音乐延时播放。

具体程序段［6]如下:

deｌayprocneａｒ　　　;延时子程序

ccc：

ﻩmovｂx,offsｅttime

ﻩmovdx,io8２53b　　　;置8253通道0为方式0工作

ﻩmovａl,１0h

ouｔdｘ,al

ﻩmoｖdx,iｏ825５b　　　　　;设82５5A口输入

mｏv　aｌ,9bh

ouｔ　ｄx,aｌ

ﻩmov　ａl,ｎum　　　;取相应的时间常数

ﻩxlat

movｄx,iｏ８253a

outdｘ,al　　;向825３通道0输出

kkk:

ﻩmｏv　dx,ｉo8255ａ

inａl，dｘ　　　;从8255A口读一字节

ｔｅsｔal,０1　;判PＡ0口是否为1

ｊzkkk　　;若不为１，则转KKＫ

ﻩret　　　　　;子程序返回

deｌayendp

2.2.2各个音节频率的设定

（１）对于一个特定的D/A转换接口电路CPU执行一条输出指令将数据送入D/Ａ即可在其输出端得到一定的电压输出。

给D/A转换器输入按正弦规律变化的数据,在其输出端即可产生正弦波。

对于音乐，每个音阶都有确定的频率,如表2-1所示：

表2-1各音阶标称频率表

音阶

1

2

3

４

５

6

７

8

频率（单位：

Ｈz）

２６1.1

293．7

329.６

349.2

39２.0

４40.0

4９3．9

5２9.7

对应num取值（ｕs）

1２

0

63

59

以　1～8接82５5　的Ａ　口做为电子琴的键盘分别输入哆、唻、咪、发、嗦、啦、唏、唗的音,以８２５5的　B口作为输出。

用8２53定时器产生频率控制扬声器发声。

以　8255接八个开关1~8,做电子琴按键输入。

以8２５3　控制扬声器，发出相应的音阶。

要求：

1—发哆的音261.1Hｚ

２—发　唻的音２９３．7Hz

３—发咪的音32９．6Hz

４—发　发的音3４9.2Hz　

5—发嗦的音392.0Hz

６—发　啦的音　４40.０Ｈz

7—发　唏的音４93．9Hz

8—发唗的音　529.7Hz

（2）产生一个正弦波的数据可取32个（小于亦可），不同频率的区别，可通过调节向Ｄ／Ａ转换器输出数据的时间间隔，例如:

发"１"频率为261.1HＺ,周期为１/２６１.1=3.８３ms,输出数据的时间间隔为３．８3mｓ/32=０.1２mｓ。

定时时间可以由8２53配合825５来实现。

按下某键后发音时间的长短可以由发出的正弦波的个数多少来控制。

3设计原理及功能说明

３．1硬件

通过８２55和8253来实现电子琴模拟,主要可以分成两部分,分别为输入部分和发音部分。

输入部分:

主要是由8255和8个常开型开关来完成。

发音部分：

CＵP通过对定时器的通道２进行编程，使其I／Ｏ寄存器接收一个控制声音频率的１6位计数值，端口61Ｈ的最低位控制通道2门控的开断，以产生特殊的音响。

当通道2用于发声时，采用的是方式３,在方式3下，输出线为“1”和为“0”的时间各占计数时间的一半,因而产生一系列间隔均匀的脉冲。

从定时器输出的方波信号,经功率放大和滤波后驱动扬声器。

送到扬声器的信号还受到了从并行接口芯片8255（端口地址为61H）来的双重控制,端口61H的最低位控制通道2的门控开断,以产生特殊的音频信号端口６1Ｈ的PB1位和定时器的输出信号同时作为与门的输入，PB０和PB１位可由程序决定为0还是为1。

显然只有PB0和PB1都是１时,才能使扬声器发出声音。

控制音长的时间可以简单地通过反复执行指令来得到。

3．1．18２53简介

（1）基本介绍

8２53芯片是常用的可编程计数器,在微机中有着极其重要的作用。

常用于事件计数器,单稳态触发器，分频器,方波发生器，硬件触发的单脉冲发生器等。

计数器／定时器8２53包括3个独立的16位计数器通道，而每个计数器都有６种工作方式，可以按二进制或十进制（ＢCＤ码）进行计数。

本文用到的是８253的方式3——方波发生器来实现了简易电子琴的设计。

（２）工作原理

8253芯片中有３个计数通道,称为通道0,1,2，它们与外部电路相连的信号线有3根：

CLK,GAＴE，OUT,CLＫ是脉冲输入端,ＧATＥ是门控信号,OUT是输出信号,计数器工作在减1状态。

其内部结构图，方式控制字格式，如图3－1，图３-2所示。

其中当计数器工作在方式３时,输出信号为方波信号。

图3-１　8２５３内部结构图

D7

D６

D5

Ｄ４

D3

D2

D1

D0

图3－2825３控制字格式

PＣ机内82５３的通道0,通道1,通道2,控制口的端口地址分别为:

４0H,４1H,４2,43Ｈ。

因为扬声器是由通道2来控制的，故应选择通道２，工作方式选为方式3,输出的信号则为方波信号。

（3）8２５3的工作方式3——方波发生器

其特点是:

输出为周期性的方波。

若计数值为　N，则输出方波的周期是N个CＬK　脉冲的宽度；

写入控制字后，输出将变为高电平,当写入计数初值后,就开始计数，输　出仍为高电平；当计数到初值的一半时，输出变为低电平，直至计数到　0，输出又变为高电平,重新开始计数;　

若计数值为偶数,则输出对称方波；如果计数值为奇数,则前（N+１）/2个CＬK脉冲期间输出为高电平，后（N－1）／2个CLK脉冲期间输出为低电平；

ＧATE　信号能使计数过程重新开始,GATＥ=1允许计数,GATＥ=０禁止计数。

停止后OUT将立即变高电平，当GATＥ再次变高以后,计数器将自动装入计数初值,重新开始计数。

3．1.2　8255简介

（１）基本介绍

按功能可把8２５5分为三个逻辑电路部分。

即：

口电路、总线接口电路和控制逻辑电路。

82５5共有三个8位口，其中A口和Ｂ口是单纯的数据口，供数据I/O使用。

而C口则既可以作数据口，又可以作控制口使用，用于实现A口和Ｂ口的控制功能。

（２）工作原理

8255的内部结构图如图3－3所示,它有3个数据端口,分为两组，A组由Ａ口和C口高四位组成，Ｂ组由B口和C口低四位组成。

其方式控制字如图3-４所示。

图３-3　8255内部结构图

PＣ机内8255的A口,Ｂ口,Ｃ口和控制口的端口地址分别为：

60H，61H,６2H,６３H。

3.2软件

3.２.1设计实验总流程图

结合实验指导书的程序，实现简单的电子琴功能。

电子琴主程序流程图如图３-5所示：

图3-5电子琴主程序流程图

3.2.2设计子程序流程图

（1）发音子程序

本子程序实现放音功能。

首先从键盘读出一个字符,判断,如果是EＳC键,返回DOS,如果不是，判断,如果键码不是1~8,即仍然处于音阶输入准备状态，如果是,即求出音阶值保存,取６0次３2个正弦波数据,播放32个数据,组成一个正弦波。

播放6０次后,然后判断是否有按键，如果有就进入死循环,直到下次按键为止。

在弹奏时都需调用发音子程序，发音子程序的作用是控制扬声器的发音，其流程图如图３-6所示:

图３-6　发音子程序流程图

（2）弹奏子程序

当按键为1-8时，调用演奏子程序。

演奏子程序的流程图如下图3-7所示：

图3－7演奏子程序的流程图

（3）延时子程序

当弹奏完音乐之后，音乐延时播放。

延时子程序的流程图如下图３-8所示：

　　　　Y

　　　　　Ｎ

图3-8延时子程序的流程图

4调试与结果测试

４.1　硬件调试

⑴利用实验板上的825３计数/定时器和8２55并行接口，定时器８2５3利用工作方式3产生一定频率信号,通过可编程的并行外围接口芯片8２５5控制频率信号的断。

8255的B口设置为输出，8255的B口的低两位用来控制扬声器驱动，当输出端口的PB0位为“１”或为“0”时,将使控制驱动器的与门电路接通或关闭使８253所发出的音频信号能到达驱动器或被阻断。

这样通过控制ＰB０的变化,可使扬声器接通和断开，控制扬声器是否能发出声音。

此外，通过控制PＢ0的通断时间，就能发出不同的音长。

8２55的PB1位为“1”时，控制８253定时器产生驱动扬声器发声的音频信号,该位为“0”则不发信号。

８２５3有三个定时器，分为0号、1号和２号定时器，驱动扬声器的是２号定时器,该定时器工作在方式３，是一个频率发生器,它负责向扬声器发送指定频率的脉冲信号。

当8２55的ＰB0和ＰＢ1都为１时，825３发出指定频率的声音信号的前提下,声音信号过与门到达驱动器驱动扬声器发声。

连接简易电子琴系统的电路图如图4-1所示

图４-1　电子琴系统的电路图

⑵将实验箱与微型计算机保持串口通讯成功。

⑶将汇编程序代码输入微型计算机进行硬件调试。

４.2　软件调试

⑴把弹奏功能的程序代码输入微型计算机;

代码：

daｔasegmｅｎt

ｉoporteqｕ0d400ｈ－0280h

io8253aﻩequiｏport+28０h

iｏ8２５3bﻩﻩeqｕ　iｏporｔ+283h

io82５５aﻩﻩｅｑｕiｏｐort+2８8h

io8255bﻩeｑuｉoport+28ｂｈ

io０8３2aﻩﻩequｉopoｒt+29０h

daｔa1db80h,96h，０aeｈ,０c5h，0d8h,0ｅ９ｈ,0f５h,０fdh

　db0ｆfh，0fｄｈ,0f5h，0ｅ9h,0d8ｈ，0c５h，0aｅh，９６h

　ｄb80h,66ｈ,4eｈ，38h,２5h,1５h,0９h,０4ｈ

　dｂ00h,0４h,09h,15h,25h,38ｈ,４eｈ,66ｈﻩ；正弦波数据

time　db12０,１06,９4，89，7９,70,63,5９;发不同音时8253的计数器初值

mｓg　　　dｂ＇Presｓ　1，2，3,4,5,6,7，8,ESＣ：

',０dｈ,0aｈ,'$'

nｕｍdb?

;num为８2５3计数器初值的序号

dａｔａends

ｃodeseｇｍeｎｔ

　　　asｓｕｍecｓ:

code，ｄｓ:

dａta

ｓｔarｔ:

movaｘ,ｄatａ

ﻩmoｖds,ax

movdx,oｆfsｅt　mｓg

ﻩmov　ah,9

ﻩint21h　　　　;显示提示信息

sｓs:

ﻩｍｏvａh,7

ﻩiｎt21h　　;从键盘接收字符，不回显

ﻩｃmpal,1bh

ｊｅexit　　　　;若为ESC键,则转EXＩT

cmpaｌ，31ｈ

ﻩjl　ｓｓｓ

cmpal,３8h

jg　ｓss　　　　;若不在'1'－＇8'之间转ｓss

suｂ　aｌ,３1ｈ

movnum，aｌ　　;求出相应的时间常数的序号

ﻩmｏｖcｘ,60　　　;取60次32个正弦波数据

ddd：

moｖ　si，0

lll:

mｏvaｌ,datａ1[ｓi]　;取正弦波数据

ｍovｄx,io0832a

ｏut　ｄx,aｌ　　；放音

ｃalldelay　　　;调延时子程序

incsｉ

ﻩcmpｓi，32　　　　　;是否取完３2个数据

ｊｌ　lll　　　　;若没有,则继续

ﻩloｏpddd　　　　；总循环次数60是否完,没有，则继续

ﻩjmpssｓ

exiｔ:

ﻩmov　ah,４ch

ﻩiｎt21h

ｄｅlay　procnear　　;延时子程序

ｃcc:

moｖ　bx,offsｅt　tｉme

ﻩmｏvdx，ｉo8253b　;置825３通道0为方式0工作

ﻩｍｏval,10h

out　dｘ,ａl

ｍoｖ　ｄx,io82５5b　　；设8２55A口输入

ﻩｍoval,9ｂh

outdx,al

moｖ　al,ｎum　　　;取相应的时间常数

ﻩxlat

ﻩmovdx,io8253a

ｏut　dx,al　　　　;向8253通道0输出

kkk:

mｏvｄx,io825５a

ﻩｉｎ　al,dx　　　　；从8２55A口读一字节

ﻩtesｔal,01　　　　；判PＡ０口是否为1

jｚ　　kkｋ　；若不为１，则转KKK

ﻩret　　　　　;子程序返回

dｅlaｙendp

codｅ　ｅｎｄｓ

endsｔarｔ

⑵与硬件相结合进行修改调试,运行程序后,显示如下界面，等待输入字符,如图4－2所示：

图４－2运行界面

从键盘上敲击1~8时，音响发出哆、唻、咪、发、嗦、啦、唏、唗的音节，则调试成功。

4.3测试方案和测试结果

如表4-1所示:

表4-1测试表

测试方案

　测试结果

启动程序，出现按键提示,按下1～8键

机内／实验仪发出相应的音阶

改变开关状态,按1～８键

对应发出相应的音阶

“弹琴”

发出优美旋律

按下ESC键

退出程序

5　总结

在为期一周的微机原理课程设计中，我学会了制做项目的一般步骤。

第一部是硬件设计主要是实现控制对象与被控制对象之间的联系。

第二步就是软件设计，就是要完成各个可编程芯片与CPU之间的数据传送和各个进程的逻辑顺序。

在本次设计中对硬件要求就要熟练掌握可编程器件8255A和8253的应用。

对软件设计就要熟练掌握汇编语言。

由于时间限制的问题和硬件的局限性也只能将电子琴的功能简易化。

另外,我从中学到了许多从课本上学不到的东西，锻炼了自己编程的能力，最后程序运行时能够实现目标，我感到很有成就感,从中也获得了很多乐趣,当然,最重要的是加深了我对课本理论知识的理解。

当刚看到这个课设题目时,我感到无从下手，因为我都不知道PＣ机的内部具体结构，从理论课上只是了解了CＰＵ的结构和工作原理,以及几个接口芯片的工作原理，还有汇编语言的一些基本指令。

但我没有被吓到,我冷静下来思考后，发现其本质就是控制PＣ机内扬声器的发音,通过查阅资料我了解了PC机内扬声器的电路连接形式，发现它是由接口芯片8255和８２53共同控制的，8255的PB0作为８2５3通道2的门信号，而825５的PB1和８253通道２的输出相与后的信号作为扬声器的驱动信号，了解了其内部接线方式后，思路也就有了,要想让扬声器发声,8255的PＢ０和PB１必须同时为高电平，其中之一为低电平时,扬声器就不能发声,而发声的音调则可通过改变８２53的计数初值来实现，接下来的任务就是通过编程来控制8255和8253，从而间接地控制扬声器的发声规律，而8２５５和8253这两个接口芯片在理论课上都已介绍过,对其工作原理和编程方法都有一定的了解,看到这些熟悉的内容时，我淡定了很多。

有了思路之后,我并没有急着写程序，因为我怀疑是不是每台PC机的扬声器接线方式都是这样的，所以我开始只编了一段控制扬声器发音的程序，来看看程序运行时扬声器到底发不发音，结果发声了，这让我很惊喜，也很有动力,更加激发了我的兴趣,接下来我就开始编写实现指定功能的程序了,首先是最简单的弹奏功能，通过对按键的判断来发出相应频率的声音,因为要判断按键,所以很自然地就想到了CMP指令，在计算计数初值时，因为要用到相应音符的频率，所以需要将按键转换为音符的频率,我开始想用书上常见的XＬAT换码指令［７],但ＡL存放的数最大为１28,很明显容量不够,于是我采用了基址＋变址的寻址方法，在编程的过程中，由于要程序实现多个功能，所以用子程序的结构会比较方便,需要完成某个功能时，只需调用相应子程序就可以了,这样会使得程序的结构清楚明了。

在