彭其圣，彭建盛，徐 詠

（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）

0 引言

目前電子琴朝著種類繁多、體積小、演奏攜帶方便、價(jià)格低廉的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的電子琴由于其設(shè)計(jì)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(dá)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(dá)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(jì)者面前的首要任務(wù)。要設(shè)計(jì)出一款廉價(jià)的、高質(zhì)的、娛樂性強(qiáng)和方便攜帶的受普通老百姓歡迎的電子琴，高質(zhì)廉價(jià)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(shí)現(xiàn)的多功能、多音階電子琴設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有外圍電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)原理清晰，易于調(diào)試與實(shí)現(xiàn)，成本廉價(jià)，功耗低，開發(fā)周期短，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[3,4]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

系統(tǒng)選用了CY8C3866AXI的PSoC3芯片，其實(shí)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(shí)現(xiàn)，Nokia5110 LCD負(fù)責(zé)顯示部分，LM2575負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)供電等。基于PSoC3的多功能電子琴設(shè)計(jì)，要求既能達(dá)到價(jià)格低廉，播放和演奏高音質(zhì)，功能齊全，又能具有便攜時(shí)尚功能的電子琴?；谝陨系囊笪覀儾捎昧巳鐖D1所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作原理如下：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(shí)計(jì)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(shí)計(jì)數(shù)器的初值并保存；通過觸摸感應(yīng)檢測(cè)和液晶顯示進(jìn)行人機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子琴的多功能控制；當(dāng)播放音樂時(shí)，定時(shí)計(jì)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(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的樂音。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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，又減少了外圍器件的使用，降低了設(shè)計(jì)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(jì)，可以自由的對(duì)按鍵和滑動(dòng)條等進(jìn)行設(shè)計(jì)，觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)更能得到大眾用戶群的喜愛。

系統(tǒng)中PSoC3所配置的內(nèi)部硬件資源包括2個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器Timer，1個(gè)8位的電壓型數(shù)模轉(zhuǎn)化器VDAC8、1個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鱌GA、1個(gè)電壓跟隨器Opamp，17個(gè)觸摸感應(yīng)按鍵,1組觸摸感應(yīng)滑動(dòng)條和1個(gè)Nokia5110液晶顯示模塊[5]。具體配置如圖2所示。

圖2 PSoC3內(nèi)部資源配置圖

2.2 觸摸鍵盤與滑條設(shè)計(jì)

圖3 Capsense模塊原理圖

圖4 觸摸感應(yīng)鍵盤原理圖

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(cè)方法[6]。使用PSoC3的觸摸感應(yīng)使設(shè)計(jì)人員在短短幾分鐘內(nèi)就能實(shí)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(jì)由17個(gè)電容式觸摸按鍵構(gòu)成觸摸鍵盤和5個(gè)電容式觸摸按鍵構(gòu)成觸摸感應(yīng)滑動(dòng)條，使用兩個(gè)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(rèn)為有觸摸感應(yīng), 否則PSoC3認(rèn)為沒有觸摸感應(yīng)。本設(shè)計(jì)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(shí)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(dāng)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(jì)選用由NOKIA公司生產(chǎn)的由84x48 的點(diǎn)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(diǎn)。由此模塊將PSoC3的實(shí)時(shí)信息傳達(dá)給用戶，連接PSoC3的原理圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主界面

2.4 音頻功放模塊

音頻功放模塊主要用于將電子琴的音頻信號(hào)進(jìn)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(jì)使用美國(guó)國(guó)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(hào)經(jīng)電位器分壓后送入功放模塊的正向輸入端進(jìn)行放大后由Vout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]。

圖6 音頻功放原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)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(jìn)行的。使用PSoC Creator，是根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不受目標(biāo)器件的限制。PSoC Creator集成開發(fā)環(huán)境為每個(gè)模塊的應(yīng)用提供了許多API和中斷服務(wù)程序ISR ,當(dāng)編寫應(yīng)用程序時(shí)只需調(diào)用這些函數(shù),即可實(shí)現(xiàn)該模塊的功能。

3.1 主菜單程序設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)上電后，各模塊和變量進(jìn)行初始化，初始化成功后進(jìn)入觸摸感應(yīng)掃描，當(dāng)掃描返回值為13、14、15、16、17時(shí)，相應(yīng)的進(jìn)入音樂演奏模式，音樂播放1、2、3模式，次級(jí)菜單，掃描返回值是除以上其他值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)和刷新標(biāo)志位檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到有效標(biāo)志位時(shí)執(zhí)行顯示刷新和模塊重置，當(dāng)標(biāo)志位無效或執(zhí)行顯示刷新和模塊重置后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，在此模式下，系統(tǒng)仍然進(jìn)行Capsense掃描和相關(guān)標(biāo)志位檢測(cè)，如圖7所示。

圖7 主菜單程序框圖

3.2 次級(jí)菜單程序設(shè)計(jì)

次級(jí)菜單主要是完成各模塊功能的設(shè)置，與主菜單的程序設(shè)計(jì)思路類似，如圖8所示。從主菜單進(jìn)入次級(jí)菜單后，首先進(jìn)行Capsense掃描，當(dāng)掃描返回值為分別為13、14、15、16、17時(shí)，系統(tǒng)相應(yīng)的進(jìn)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(dāng)掃描返回值是除以上的其他值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行刷新標(biāo)志位檢測(cè)，當(dāng)標(biāo)志位有效時(shí)進(jìn)行顯示刷新，否則系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，當(dāng)執(zhí)行顯示刷新后系統(tǒng)也進(jìn)入待機(jī)模式，在此模式下，系統(tǒng)仍然進(jìn)行Capsense掃描和刷新標(biāo)志位檢測(cè)。

圖8 次級(jí)菜單程序框圖

4 結(jié)束語

通過實(shí)物測(cè)試，本設(shè)計(jì)已達(dá)到了預(yù)期的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，既克服設(shè)計(jì)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(duì)比傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)進(jìn)一步突出了外圍硬件電路簡(jiǎn)單、操作方便、節(jié)能、便攜、成本低廉、開發(fā)周期短、生命周期長(zhǎng)和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，且體現(xiàn)了觸摸設(shè)計(jì)新穎時(shí)尚、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)和系統(tǒng)演奏樂曲效果良好，具有較高的實(shí)用價(jià)值和開發(fā)前景，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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