基于PSoC3的多功能電子琴設(shè)計與實現(xiàn)

1、基于PSoC3的多功能電子琴設(shè)計與實現(xiàn)Design and implementation of multi-function electronic organ based on PSoC3彭其圣1，彭建盛2，徐 詠2PENG Qi-sheng1, PENG Jian-sheng2, XU Yong2（1. 中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074；2. 河池學(xué)院 物理與電子工程系，宜州 412400）摘 要： 用以PSoC3為主控核心，設(shè)計了一種新型的觸摸感應(yīng)按鍵和滑動條設(shè)計為主要特點的電子琴，提高了電子琴設(shè)計的靈活性和開發(fā)周期，調(diào)試結(jié)果表明, 該設(shè)計具有成本廉價、功耗低、開發(fā)周期短

2、和可以抵御惡劣的外界環(huán)境等特點，具有一定的實用性和推廣價值。關(guān)鍵詞： PSoC3；電子琴；觸摸感應(yīng)0 引言目前電子琴朝著種類繁多、體積小、演奏攜帶方便、價格低廉的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的電子琴由于其設(shè)計復(fù)雜，成本高昂，無法抵御惡劣外界環(huán)境需要經(jīng)常保養(yǎng)，而家用電子琴的音色和靈敏度又達不到專業(yè)電子琴的需求。因此，降低成本，方便攜帶，功能齊全，又能達到專業(yè)電子琴音質(zhì)的電子琴成為了擺在電子琴設(shè)計者面前的首要任務(wù)。要設(shè)計出一款廉價的、高質(zhì)的、娛樂性強和方便攜帶的受普通老百姓歡迎的電子琴，高質(zhì)廉價的處理器的選擇成為了關(guān)鍵，而PSoC3恰恰能完成這些要求1,2。本系統(tǒng)基于PSoC3實現(xiàn)的多功能、多音階電子琴設(shè)計。該

3、設(shè)計具有外圍電路簡單，系統(tǒng)原理清晰，易于調(diào)試與實現(xiàn)，成本廉價，功耗低，開發(fā)周期短，使用壽命長等特點3,4。1 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理系統(tǒng)選用了CY8C3866AXI 的PSoC3芯片，其實現(xiàn)了如Capsense Button and Silder、DAC 音頻輸出、演奏錄制/回放、調(diào)速/音量大部分功能等，音頻功放由LM386實現(xiàn)，Nokia5110 LCD負責(zé)顯示部分，LM2575負責(zé)整個系統(tǒng)供電等。基于PSoC3的多功能電子琴設(shè)計，要求既能達到價格低廉，播放和演奏高音質(zhì)，功能齊全，又能具有便攜時尚功能的電子琴。基于以上的要求我們采用了如圖1所示的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。系統(tǒng)的工作原理如下：

4、為方便PSoC3的內(nèi)置8位DAC 產(chǎn)生相應(yīng)音色的樂音波形和定時計數(shù)器Timer2控制樂音的節(jié)拍，首先，將各音色波形圖和常用音樂節(jié)拍數(shù)字化保存；其次，將需要播放和演奏的音樂的音符和節(jié)拍保存在數(shù)組中，根據(jù)數(shù)組的值算出定時計數(shù)器的初值并保存；通過觸摸感應(yīng)檢測和液晶顯示進行人機通信，實現(xiàn)對電子琴的多功能控制；當播放音樂時，定時計數(shù)器工作，控制DAC 產(chǎn)生樂音波形，樂音波形經(jīng)功放電路驅(qū)動揚聲器產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的樂音。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 PSoC3內(nèi)部資源配置PSoC3的CY8C38系列芯片具有多器件集成性，這樣既避免了復(fù)雜的連線，又減少了外圍器件收稿日期：2012-03-02規(guī)劃課題（2011C0104）；

5、基金項目： 湖北省教研究項目(2011182；廣西教改A 類項目(2010JGA065；廣西教育科學(xué)“十二五”中國密碼學(xué)會資助項目（CACR2012E23）作者簡介：彭其圣（1967），男，湖北潛江人，副教授，碩士研究生，研究方向為電路系統(tǒng)設(shè)計和計算機應(yīng)用?！?16】 第34卷 第10期 2012-10(上的使用，降低了設(shè)計成本，提高了可靠性與精確性，大大減小了電子琴的體積；而且該芯片內(nèi)還集成了觸摸感應(yīng)設(shè)計，可以自由的對按鍵和滑動條等進行設(shè)計，觸摸感應(yīng)設(shè)計增加了電子琴抵御外界干擾的特性，提高了控制靈敏度，并且在觸摸新潮下的觸摸設(shè)計更能得到大眾用戶群的喜愛。系統(tǒng)中PSoC3所配置的內(nèi)部硬件資源包

6、括2個定時計數(shù)器Timer ，1個8位的電壓型數(shù)模轉(zhuǎn)化器VDAC8、1個可變增益放大器PGA 、1個電壓跟隨器Opamp ，17個觸摸感應(yīng)按鍵,1組觸摸感應(yīng)滑動條和1個Nokia5110液晶顯示模塊5。具體配置如圖2所示。GND 12111098765443322112345671CON5J1Music J215241圖4 觸摸感應(yīng)鍵盤原理圖和5個電容式觸摸按鍵構(gòu)成觸摸感應(yīng)滑動條，使用兩個通道掃描觸摸感應(yīng)。本系統(tǒng)中,Capsense 模塊原理如圖3所示, 在8位分辨率、24MHz 采集速率、雙通道、高速掃描的Capsense 模式下, 如果Sensor 采集的感應(yīng)值大于195則認為有觸摸感應(yīng),

7、 否則PSoC3認為沒有觸摸感應(yīng)。本設(shè)計觸摸感應(yīng)鍵盤原理圖如圖4所示。2.3 電子琴顯示模塊電子琴顯示模塊主要實現(xiàn)菜單顯示功能和操作提醒顯示功能，用戶需要通過該可視化顯示模塊來設(shè)置和發(fā)送所需要的播放、演奏、音色選取、錄音功能、當前音樂狀態(tài)等功能?？梢婏@示模塊如此之重要，為此該設(shè)計選用由NOKIA 公司生產(chǎn)的由84x48 的點陣組成的LPH7366 LCD，其體積很小，采用低電壓供電，功耗低且具有掉電模式等特點。由此模塊將PSoC3的實時信息傳達給用戶，連接PSoC3的原理圖如圖5所示。VCC1234567812345678R S T C E D C D I N C L KR2R31K 1KVC

8、C C3104DS1DS2DS3R4R51K 1KR110KC1104P2P3圖2 PSoC3內(nèi)部資源配置圖2.2 觸摸鍵盤與滑條設(shè)計PSoC3的觸摸感應(yīng)采用了一種Delta-Sigma 調(diào)制器(CSD的電容式感測方法6。使用PSoC3的觸摸感應(yīng)使設(shè)計人員在短短幾分鐘內(nèi)就能實現(xiàn)觸摸感應(yīng)按鍵和滑條的功能，而且無需編寫任何代碼。本設(shè)計由17個電容式觸摸按鍵構(gòu)成觸摸鍵盤R S T C E D C D I N C L KP1987654321C2104VCCVCCB LVCCB LR6R71K 1KDS6DS4DS5圖5 系統(tǒng)主界面圖3 Capsense模塊原理圖2.4 音頻功放模塊音頻功放模塊主要用

9、于將電子琴的音頻信號進行無失真的放大讓用戶聽到最高保真的聲音，所以該設(shè)計使用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM386音頻功率放大器。LM386工作的原理圖如圖6所示，將CY8C3866的樂音輸出信號經(jīng)電位 器分壓后送入功放模塊的正向輸入端進行放大后第34卷 第10期 2012-10(上 【117】由V out 輸出，通過1腳和8腳之間電容和電位器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)7。 VOUT 圖6 音頻功放原理圖單進入次級菜單后，首先進行Capsense 掃描，當掃描返回值為分別為13、14、15、16、17時，系統(tǒng)相應(yīng)的進入設(shè)置播放速度模式、設(shè)置播放音量模式、設(shè)置演奏錄制模式、播放演奏音樂模式和系統(tǒng)返回主菜單；當掃描

10、返回值是除以上的其他值時，系統(tǒng)進行刷新標志位檢測，當標志位有效時進行顯示刷新，否則系統(tǒng)進入待機模式，當執(zhí)行顯示刷新后系統(tǒng)也進入待機模式，在此模式下，系統(tǒng)仍然進行Capsense 掃描和刷新標志位檢測。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)程序設(shè)計是在賽普拉斯半導(dǎo)體公司的PSoC Creator集成開發(fā)環(huán)境中進行的。使用PSoC Creator ，是根據(jù)應(yīng)用需求進行設(shè)計，而不受目標器件的限制。PSoC Creator集成開發(fā)環(huán)境為每個模塊的應(yīng)用提供了許多API 和中斷服務(wù)程序ISR ,當編寫應(yīng)用程序時只需調(diào)用這些函數(shù), 即可實現(xiàn)該模塊的功能。3.1 主菜單程序設(shè)計從系統(tǒng)上電后，各模塊和變量進行初始化，初始化成功

11、后進入觸摸感應(yīng)掃描，當掃描返回值為13、14、15、16、17時，相應(yīng)的進入音樂演奏模式，音樂播放1、2、3模式，次級菜單，掃描返回值是除以上其他值時，系統(tǒng)進入定時和刷新標志位檢測，當檢測到有效標志位時執(zhí)行顯示刷新和模塊重置，當標志位無效或執(zhí)行顯示刷新和模塊重置后，系統(tǒng)進入待機模式，在此模式下，系統(tǒng)仍然進行Capsense 掃描和相關(guān)標志位檢測，如圖7所示。圖8 次級菜單程序框圖4 結(jié)束語通過實物測試，本設(shè)計已達到了預(yù)期的相關(guān)技術(shù)指標，既克服設(shè)計復(fù)雜、成本高昂、無法抵御惡劣外界環(huán)境需要經(jīng)常保養(yǎng)等困難，又提高音色和靈敏度。對比傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)，本設(shè)計進一步突出了外圍硬件電路簡單、操作方便、節(jié)能、

12、便攜、成本低廉、開發(fā)周期短、生命周期長和性能穩(wěn)定等特點，且體現(xiàn)了觸摸設(shè)計新穎時尚、靈敏度高、抗干擾能力強和系統(tǒng)演奏樂曲效果良好，具有較高的實用價值和開發(fā)前景，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。參考文獻:1 韓改寧. 基于AT89C52實現(xiàn)簡單音樂發(fā)生器J. 電腦知識與技術(shù), 2009(2: 354-355.2 舒紅波, 李蔚, 王治國. 用單片機實現(xiàn)各音色電子琴J.控制工程, 2004(S1: 117-118.3 徐開蕓, 劉蘭英, 金永良. PSoC在針織機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用J. 制造業(yè)自動化, 20120(10: 43-45.4 朱明程, 李曉濱. PSoC原理與應(yīng)用設(shè)計M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008.5 何賓. 可編程片上系統(tǒng)PSoC 設(shè)計指南M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 20