简易电子琴设计

2024-11-26

简易电子琴设计（精选10篇）

简易电子琴设计篇1

摘要：随着基于CPLD的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入, EDA技术在电子信息、通信、计算机控制等领域的重要性日益突出。采用EDA作为开发工具, VHDL语言作为硬件描述语言, MAX+PLUS Ⅱ作为程序运行平台, 通过调试运行、波形仿真验证设计出一种简易的电子琴。

关键词：电子琴,VHDL,CPLD

引言:复杂可编程逻辑器件 (Complex Programma-ble Logic Device, CPLD) 可以在制造完成后由用户根据自己的需要定义其逻辑功能。具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点, 可实现较大规模的电路设计, 因此被广泛应用于产品的设计。以下介绍的就是基于CPLD的一种设计——简易电子琴的设计。

1 硬件描述语言-VHDL

VHDL是美国国防部20世纪80年代开发的一种硬件描述语言, 现在已成为IEEE的工业标准硬件描述语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构, 行为, 功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外, VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。具有强大的语言结构、多层次的描述功能、良好的移植性和快速的ASIC转换能力, 支持硬件的设计、综合、验证和测试。[1]综合以上考虑, 文中利用VHDL语言在CPLD器件上实现一种简易电子琴, 源程序在Max+Plus II软件中调试优化。

2 硬件结构及功能

2.1 设计要求和任务

本设计主要任务是实现通过按七个不同的琴键, 模拟电子琴发音DO、RE、MI……。本设计在硬件设计方面运用了ALTERA系列CPLD为核心芯片, 加之外围的控制及发音等模块电路, 设计硬件电路, 模仿电子琴设计。软件部分用到VHDL编写, 通过在MAX+PLUSII平台上进行编译、仿真及综合后, 下载实验箱进行模拟仿真。仿真完成后再和所设计的硬件系统联机调试。[2]本次设计中使用的CPLD芯片是Altera公司的MAX7000系列EPM7128SLC84-15。

设计的简易电子琴, 其主要功能如下:

a.系统为八音符电子琴, 它可通过按键输入来控制音响。

b.由手动演奏 (由键盘输入) 、自动演奏已存入的乐曲两种方式演奏。

c.能够自动演奏多首乐曲, 且每首乐曲可重复演奏

2.2 电子琴系统硬件构成

根据系统设计要求, 系统设计采用自顶向下的设计方法, 系统的整体组装设计原理图如图1所示, 它由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块三部分组成。

3 系统的软件设计实现

3.1 乐曲自动模块:

功能:产生8位发声控制输入信号;当进行自动演奏时, 由存储在此模块中的8位二进制数作为发声控制输入, 从而自动演奏乐曲。

主要程序为:

3.2 音调发生模块:

功能:产生音阶的分频预置值;当8位发声控制输入信号中的某一位为高电平时, 则对应某一音节的数值将输出, 该数值即为该音阶的分频预置值, 分频预置值控制数控分频模块进行分频, 由此可得到每个音阶对应的频率。

3.3 数控分频模块:

功能:对时基脉冲进行分频, 得到与1、2、3、4、5、6、7七个音符相对应的频率。

4 系统仿真

4.1 顶层设计

系统的整体组装设计原理图如图2所示。

4.2 波形仿真

该简易电子琴系统在Max+Hush中进行仿真, 仿真结果如图3所示。其中Clk为时钟源提供2MHz的连续时钟频率;BOARO是键盘输入端, 负责接受系统外的输入信号;管脚HIGH1控制着信号高低音节;NOTE[6..0]是音符显示信号, 根据此信号则可判别音符, 如果经过简单处理后可以输出到BCD七段译码器, 在数码管显示相应音符;SPEAKER为音频信号, 接到发生装置中。由图3可见实现了简易电子琴的设计.

结束语

本系统是利用Altera公司的CPLD芯片EPM7128SLC84-15在MAX+PLUSII软件平台上设计的电子琴。它的优点是CPLD具有用户可在线编程、时序可预测、速度高。如果读者有兴趣, 可以通过AHDL编程增加功能模块, 设计更加复杂的电子琴。

参考文献

[1]付慧生.复杂可编程逻辑器件与应用设计[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003.[1]付慧生.复杂可编程逻辑器件与应用设计[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003.

[2].徐志军, 徐光辉.CPLD/FPGA的开发与运用[M].北京:电子工业出版社, 2002.[2].徐志军, 徐光辉.CPLD/FPGA的开发与运用[M].北京:电子工业出版社, 2002.

[3].江思敏.VHDL数字电路及系统设计[M].北京:机械工业出版社, 2006.[3].江思敏.VHDL数字电路及系统设计[M].北京:机械工业出版社, 2006.

简易电子琴设计篇2

打造简易电子白板优化英语课堂教学

昆山国际学校窦剑峰

摘要：若能灵活高效地发挥电子白板的功能，就能极大地激发学生的参与热情，调动全部资源，使学生在完成任务活动中自然地习得语言，并且能够培养和发展学生的创新精神和实践能力。

关键词：简易电子白板任务设置课堂效率

随着教育技术的发展，交互式电子白板逐步进入了普通教室，它方便、直观、互动性强，深受广大师生的欢迎，硬件上的提升给教学注入了活力和高效。但是笔者所在的学校是私立学校，硬件设施已远远落后于其他公办学校，电子白板的投入更是无从谈起，这成了制约我校发展的瓶颈。穷则思变，笔者作为学校教育技术室主任，潜心研究低成本交互式电子白板，笔者翻阅了大量书籍，上网查阅了很多资料，最终查到美籍韩国人Johnny Lee 2007年在其网站上发布的一篇名为Low-Cost Multi-point Interactive Whiteboards Using the Wiimote的文章。笔者进行了近一个月的研究和摸索，最终简易版交互式电子白板在教室里实验成功。它的工作原理是：首先通过蓝牙，把笔记本与Wii手柄进行连接。通过 remote追踪红外线的功能，连接一只可以发出红外线的Led笔，再通过软件让Wii Remote作为红外线接收器与电脑相连接，最后利用Led笔进行四点定位，一个低成本的简易电子白板打造成功。有了简易电子白板装置，结合电子白板软件，一个媲美正版电子白板的教学系统就打造而成了。

《英语课程标准》明确指出：倡导采用任务型教学模式，让学生在教师的指导下，通过交流、合作、体验，逐步实现教学目标，使学生感受成功，并在学习的过程中获得情感体验并调整学习策略。笔者在使用简易电子白板进行教学的过程中，对运用电子白板促进英语课堂教学做了大量的尝试和探索，发现在任务的设置过程中若能灵活高效地发挥电子白板的功能，就能极大地激发学生的参与热情，调动全部资源，使学生在完成任务活动中自然地习得语言，并且能够培养和发展学生的创新精神和实践能力。

下面笔者结合教学实际谈谈如何灵活运用白板功能设置任务，从而优化英语课堂教学。

一、感知型任务活动。

感知型任务活动的目的就是让学生在活动中亲身感知所学的知识，在体验、实践、参与的学习过程中巩固和提高所学知识。《牛津初中英语》教材话题新，内容多，生词量大，在处理生词这个环节，笔者注意发挥电子白板的优势，用生动逼真的图片、准确清晰的语音给学生以视觉和听觉的刺激，从而将单词的抽象含义转化为直观易懂的图形信息反馈给学生，使枯燥的单词学习过程变得生动活跃、趣味盎然。例如笔者在教7A Unit 3的节日Dragon Boat Festival时，运用了电子白板的聚光灯功能，向学生展示了一副龙舟赛的图片，同时配以锣鼓喧天的声音，让他们的目光都聚集在这副图上，同时提出问题：What festival is it? Do you like this festival ? 这为本课的教学创设了一个很好的话题引入情景，让学生通过看图、讨论节日相关信息自然进入话题。通过讨论，激发了学生学习各种节日名称如Halloween, Thanksgiving Day等的欲望。正是电子白板的聚光灯功能创设了这种带着思考性的话题引入，可见它的绝妙之处。

二、游戏型任务活动。

古人云：知之者不如好之者，好之者不如乐之者。初中生天性好动，如果能寓教于乐，让他们在快乐中学习，必定事半功倍。因此，笔者充分挖掘了电子白板的游戏功能，创设情景，让学生在边学边玩中学习知识。如在教9A Unit 2 Colours and moods时，加入了涂色游戏，让学生根据自己喜爱的颜色点击白板上的颜色按钮分别给手机、文具盒、篮球男生和卧室等涂色。再让他们将所点击颜色与性格匹配起来，这种形式活泼多样，学生学习的欲望非常强烈，迫切想知道自己和同学的性格特征，学习的效果大大增强。

三、猜测型任务活动。

初中生具有很强的好奇心，在教学过程中，如果能够适时地安排一些猜测型的任务，不仅学生的语言运用能力可得到充分锻炼，还能激发他们的学习兴趣。例如：在教学9AUnit 5 Films的Vocabulary部分时，笔者准备了很多世界知名导演的照片，并运用神奇墨水制作了一个透视镜，通过移动透视镜，让学生猜测导演的名字和代表作，学生猜对时予以奖励，学生群情激奋，踊跃发言，在猜测的过程中不知不觉地熟悉了这些著名导演，为后面的学习2 打好了基础。

四、竞赛型任务活动。

初中学生都有不服输的精神，因此笔者经常根据教材设计一些学生感兴趣的话题，组织学生进行竞赛。在教7B Unit1的Main task部分时，笔者先让学生分组讨论自己理想的家，然后让每组选派一个学生到白板上绘出家的构造并进行描述，每一组的绘图用照相机拍好放在一起，让学生进行比较打分，学生积极发言，踊跃参与，纷纷发表自己的观点，经过评分最终决出了优胜者，获奖者信心满溢，学生学习的热情高涨，思辨的火花在班级绽放。

五、解决问题型任务活动。

笔者在教授9A Unit 6 Detective stories 时，翻阅了大量的侦探小说，并把一些优秀的小说存在了资源库里，上课的时候直接从资源库里调出来，方便而且高效，学生在第一时间获取了信息，激发了学习探索的兴趣。然后笔者与学生一起编写了如下一个侦探故事：

Who murdered Miss Green? This morning, Miss Green, a woman teacher, was found dead in her house.She was dressing night clothes.She was killed with poison at about 9 last night.The police asked people around her.The entrance guard said that two men had visited Miss Green last night.One is her boy friend William.The other is her student’s father Mr.Black.The two suspects both said that they had called Miss Green outside her house last night and she hadn’t answered them.Then they went away.六、情感型任务活动。

《牛津初中英语》每个单元的话题都贴近生活，寓有一定的思想教育意义。笔者在平时的教学过程中，也很重视这一点。如在教8B Unit 4 Reading前，我播放了两段视频。第一段视频是有关爱护环境的环保广告，学生在笑声当中懂得了环境保护的重要性。播放过程中，我随时停留画面，让学生互相讨论，用英语谈出自己的想法。第二段是有关环境被破坏后，动物濒临灭绝的视频，猎人的猎枪对准飞翔的鸟儿，高大的林木被砍伐而小鸟无家可归，我运用照相机，拍下了一些震撼的场面，跟学生一起讨论如何爱护我们的环境。最后通过电子 3 白板的超链接功能，为整个文章配上美丽的画面和舒缓的音乐，在音乐声中，学生理解了文章所蕴涵的深刻含义，热爱自然的情感在升华，环保意识也在潜移默化中增强了。

七、拓展型任务活动。

把课堂所学知识灵活运用，拓展思路，不断创新，是新时代初中生必备素质。因此，笔者经常强化学生对所学知识的延伸学习，有时会布置一些拓展的任务让学生来完成。比如在教完7B Unit 6诗歌单元后，笔者鼓励学生写英文诗，结果出乎我的意料，学生诗兴大发，写了很多的英文诗，他们有写对逝去亲人的怀念，有写对妈妈的无比愧疚，有写对老师的真诚感谢，有写对同学的真挚友情，有写青春期的那种躁动与困惑。如以下一首英文小诗Life：

Life Is a blank canvas Waiting to be painted Life Is a difficult problem Urging us to seek out answers Life Is a vast ocean Filled with great waves Life Belongs to us Created by ourselves 笔者收集好学生的英文诗歌，进行修改整理和分类，然后用Cool Edit软件录制成音频，配上舒缓的音乐，通过电子白板的链接，课上放给学生们欣赏，取得了非常好的效果。学生们非常喜欢自己创作的诗歌作品，学习英语的热情更加高涨了。

灵活简易陈列架设计篇3

关键词：趣味简易陈列架

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2015）03-0030-02

灵活简易陈列架，顾名思义就是体现在其造型灵活、组装简易。主要将动物形象引入产品中，让产品富有生命力，让使用者感觉动物精灵带来的温馨与舒适，拉近人与产品的距离。运用木质材料组装形式，可以进行造型间的有效转化，丰富了外观，也带来功能的多样化。

1 灵活简易陈列架的设计思路

通过进行市场走访，得到并掌握大量可利用的资料与数据，仔细把得到的数据进行分类整理后，获得了部分可信度较高的数据资料，了解到能够勾起年轻消费者购买的家用陈列架并不是简简单单的现有大众化产品。首先其在具有一定功能的情况下要有特色的外观造型，便捷的组装方式，而且符合人性化的设计。在市场上多数家用陈列架的外观造型都方方正正，比较死板，满足不了使用者情感上的需求。有的造型好，组装方式却非常单一，在使用中也无法满足使用者挑剔的眼光。

所以，设计力求突破现有陈列架方正高大、造型固定不变的普遍现象，消除人们对传统陈列家居“规规矩矩”、“只能功能”的看法，在外观形态，组装拆卸的便捷性以及衍生功能方面都做了合理的改进。

2 功能、结构设计

2.1 功能设计

2.1.1 灵活简易陈列架的多功能性综合运用人机工程原理、美学、心理学原理，让看似只有单一家居陈列架功能，衍生形态也可使用到茶几、摇摇椅、书架等，突出感性外观与理性构造的结合。

2.1.2 灵活简易陈列架组装的便携性灵活简易陈列架的设计尺寸适中；不仅方便搬运，还在组装部位采用标准的三合一螺钉连接方式，方便产品组装。

2.1.3 满足使用者的心理需求当发现它是一个摇摇木马陈列架的时候，它也是一个摇摇椅凳，轻微的晃动勾起儿时的回忆，忘却生活的不易，过自由自在的时刻；当发现只是一个木马陈列架且具有摇摇椅衍生功能体会的时候，它居然还可以通过灵活拆卸组装形成小鸟陈列架、长颈鹿陈列架。不断变化，不拘于固定的死板单一，不就是年轻人想要追求的吗！

2.2 结构设计

2.2.1 组装使用图（如图1）

陈列架通过组装可以灵活变换为三个外观仿生形态的陈列架，但是不管怎么组合里面的部件都包括十个小件，换言之，不管怎么变换其中任意造型都包含且只包含这十个部件。组装连接的地方都采用三合一螺钉。无需加部件也无需减部件，造型变换就是这么简单！

3 设计分析

3.1 材料分析

材料是工业设计的物质基础，作为一名工业设计师，在设计产品时不仅要考虑到产品的造型，还要考虑设计这个造型时材质运用其中的可行性与合理性。换言之，设计要考虑到材料运用产品是否价格合理、加工工艺可行、对环境影响小等方面的要求。——引自《产品造型设计材料与工艺》。结合市场调研资料，陈列架材质应满足以下几个方面的要求：一是材料价格适中，符合现有年轻人的一般消费水平；二是材料能带给人亲切、温暖、和谐的心理感觉；三是材料应用于产品中，其加工工艺相对简单化；四是材料自身表面光洁或者可以通过某种加工技术，在成本可控制的情况下，让其表面达到光洁的效果。

综上所述，最适合灵活简易陈列架设计的材料便是实木集成木板。这种材料是经过深加工处理过的实木小块或者实木条拼接而成的木板。它不仅保留了天然木材的材质感，给人以温暖的心理感觉，而且其材料成本远远低于实木板。同时，这种材质在加工工艺方面，可以加工成设计方案中有弧度的木板。在结合方式上，也可以使用传统的木材结合方式或者安螺钉的结合方式。表面在经过简单木材表面处理方式后，也可以很好地通过表面贴覆或者喷绘亮光油漆做出产品的光洁效果。当然，这种材料也有不好的地方，比如材料自身形成所用的胶，不过仅产品所用材料形成的胶对消费者影响是不大的。所以这是非常首选的材料。

3.2 色彩分析

工业产品的色彩效果在某种程度上对产品外观美感起到推波助澜的效果。目前市面上的陈列架色彩还是丰富多样，基本符合达到产品外观对色彩的需要，但是，在特色上却远远不够。

设计根据现有流行气息，打算采用深邃黑色与纯洁白色的混搭模式，黑白色彩搭配本来就是生活中的经典搭配，而且时下黑白家具产品十分符合年轻消费群体的消费心理。白的简洁、黑的炫目，年轻人需要张扬的就是个性。

3.3 整体造型分析

造型作为产品设计的三要素之一，其在产品设计中所占据的重要性不容忽视。好的外观造型可以带给消费者生理和心理满足。

灵活简易陈列架拒绝市面上的高大方正，形态固定不变，要从仿生的角度进行外观设计。还记得小时的摇摇木马吗！借鉴这个形态做陈列架的第一个外观形态设计，以此来追忆儿时无拘无束的生活；看天空飞翔的鸟儿了吗！借鉴这个形态做陈列架的第二个变换外观设计，以此来畅想紧张之外的自由自在；看《动物世界》里踱步的长颈鹿了吗！借鉴这个形态做陈列架的第三个变换外观设计，以此来想象拥挤空间之外的大草原。三个仿生形态通过设计中的组合方式进行随意变换。其根据人机科学原理，摇摇木马陈列架外观形态可以在陈列杂物的时候衍生摇摇椅功能；小鸟陈列架外观形态可以衍生茶几功能；长颈鹿陈列架可以衍生书架功能。

3.4 细节设计分析

细节设计的好坏往往起到画龙点睛的作用，在产品设计中关键就是看产品设计中对细节方面的处理。细节可以成就一件产品设计也可因为细节处理不到位或者根本就没考虑而毁掉一件产品设计。一个好的设计师，只有通过不断完善细节设计，才能让产品在创意外观下体现更丰富的美感。

活简易陈列架设计的细节设计主要体现在以下几个方面：（1）造型灵活。外观造型不是单纯的一个，而是可变换的三个仿生形态。（2）功能的衍生性。变换形态，在本身具有陈列架功能的情况下衍生出其他方面的可用功能。（3）组装简易。简单的螺帽与螺钉的拆卸就可完成造型的组装及变换组装。（4）弧度的考究。根据每个形态变化，结合《人机工程学》科学数据，进行形态功能实现的考究。

4 案效果图及三视图

4.1 整体效果图（如图2）

4.2 尺寸图（如图3）

一切设计只有满足人机工程学的要求，才能符合设计的科学性。——引自《人机工程学》，产品以木马造型为例标出其产品长宽高为：1500mm、400mm、800mm，其尺寸运用产品体现人机关系主要在以下几们芎面：一是“摇摇木马”具有座椅的功能，一般坐高在340～450mm之间，坐宽在370～420mm之间，为一般适合人坐的尺寸，而图中标明的马头弯曲弧度为112.62°也在适合人倚靠椅背的弧度中；二是“飞翔小鸟”具有茶几功能，一般适合人使用的茶几尺寸也集中在400～550mm之间，而按照图中尺寸，茶几高在450mm也是适合的；三是“悠闲长颈鹿”具有书架功能，书架高在1450mm，实际因为有弧度倾斜的原因，还达不到总高1450mm，这个尺寸运用在书架，对于正常人也是合理的。

4.3 三视图（如图4）

5 模型展示（如图5）

6 结论

而今，产品之间的竞争日趋激烈，谁能够更好地利用情感去抓住消费者，谁就可以创造广阔的市场。之所以选择家用陈列架作为设计对象，不仅因为陈列架可以陈列家庭中杂乱的物品，更是起到家居装饰的作用。在传统的陈列架中，人们只注重产品的陈列功能及其效果，但是，随着社会的进步，人们对家用陈列家居的需求也不断变化，陈列类家居产品也需要赋予情感化与趣味化，让情趣生活成为可能，这也更好地体现了如今设计产品倡导的“以人为本”理念。

简易电子琴设计篇4

电子琴因其操作简单, 且能模拟各种传统乐器的音色, 而深受消费者喜欢。目前市场上有很多种音乐模块, 可以直接产生各种乐曲, 多数集中在使用单片机、555定时器、逻辑组合电路、LDQ852集成块等[1,2,3,4], 这些设计方法各有优缺点, 例如使用单片机实现简单、成本低, 但是产生的音频过少, 很难满足标准电子琴的设计要求及市场需求。FPGA器件具有静态可重复编程和动态可在系统重构的特性, 同时其硬件功能可以通过软件编程来修改, 故具有很好的设计灵活性和通用性。同时基于FPGA的电子琴设计还具有体积小、系统可靠性高、开发周期短和研制成本低的优点[5,6,7]。所以本文在FPGA器件上设计一个简易触摸屏电子琴电路, 来实现触摸控制弹奏和自动播放乐曲的功能。

1 简易触摸电子琴的系统设计

基于FPGA的简易触摸电子琴的原理结构如图1所示, 整个系统主要包括片外系统时钟模块、片内PLL时钟模块、计数分频模块、音乐节拍产生电路模块、键值扫描模块、音符译码电路模块、数控分频电路模块、自动播放与手动输入模式选择模块、液晶触摸屏显示驱动模块、扬声器驱动模块等。

整个系统的工作过程大致如下:DE0-Nano FPGA开发板提供50 MHz的系统时钟经锁相环分频后得到33 MHz的时钟信号, 而33 MHz的时钟信号经计数器分频得到一个4 Hz的时钟信号给音乐节拍产生电路, 作为产生1拍的时长。当LCD触摸屏接通电源后, 触摸屏上会显示不同的功能按键, 其中通过选择自动播放和手动弹奏输入模式转换按键, 最终实现自动播放乐曲和手动弹奏控制音乐输出的功能。图1所示的简易触摸电子琴的核心模块分别是音乐节拍产生电路模块、音符译码电路模块、LCD驱动模块。下面就针对这三个关键模块给出详尽的设计描述。

2 音乐节拍产生电路模块

该模块利用FPGA的片内ROM存放乐曲简谱真值表, 由一个二进制计数器作为乐曲数据存储器ROM的地址发生器。该计数器的计数频率为4 Hz, 即每一计数值的停留时间为0.25 s, 当音乐节拍产生器中计数器按4 Hz的时钟频率做加法计数时, 即随地址值递增时, 乐曲数据存储器ROM中的音符数据, 将从ROM中的输出端传送到音符译码电路, 所存储的乐曲就开始连续自然地演奏起来。二进制计数器的位数将根据所存放乐曲简谱基本节拍数来决定。4 Hz频率信号作为输出音符的快慢信号, 即每一计数值的停留时间为0.25 s计1拍, 四四拍的四分音符的持续时间为1 s, 频率越高, 时钟的输出节拍速度就快, 演奏的速度就越快, 反之演奏的速度就变慢。音乐节拍发生器模块的电路图包含在图2中。

3 音符译码电路模块

音符译码电路即音调发生器, 它实际上是一个音符频率查表电路, 音符译码电路模块放置了21个音乐简谱对应的频率表, 如表1所示, 根据该表

为数控分频模块提供所发音符频率的初始值, 音符译码电路模块的作用就是产生获得音阶的分频预置值, 程序中设置了21个音符所对应的音符频率的初始值, 这21个值的输出由对应于音符译码电路的输入索引值确定, 该值中音符在数控分频模块入口的停留时间由音乐节拍发生器中的音符数据决定, 该数据重复的次数为该音符的节拍数。每个音符的停留时间由音乐节拍发生器的时钟频率决定, 在此为4 Hz信号。

音阶的频率可以通过高频时钟进行分配得到, 采用时钟的频率越高, 分频系数越大, 分频后的音阶频率就越准确, 但是由于分频系数大使得要使用的计数单元增加, 需要耗费更多的逻辑单元, 而且为了减少发音的误差, 本次设计直接以系统给定的50 MHz的等占空比脉冲信号作为系统的基准频率。数控分频器设计为20位的二进制加法计数器。其中分频预置值的计算公式如下:分频预置值=220-基准频率/音符频率, 本次设计中每个音符的频率是已知的, 基准频率是50 MHz, 这样就可以依次算出每个音符对应的分频预置值, 又因为用小数表示比较麻烦, 所以在本次设计中分频预制值均取整数, 允许微小的偏差存在。音符译码电路模块的RTL级视图如图2所示。

4 LCD驱动模块

设计LCD显示驱动模块, 关键在于需要根据液晶屏的控制时序和用户指令集, 采用硬件描述语言设计有限状态机来实现LCD显示驱动模块的初始化、写入数据和命令操作;LCD显示驱动模块的状态转换如图3所示[8,9]。在图3所示的状态转换图中, 当系统上电后, 首先完成持续大约0.05 s的自动复位, 然后才进入LCD模块的图形显示初始化过程。在状态机中设置有初始化命令、起始行地址和屏显示数据三条转换路径来适应LCD屏的不同工作阶段, 同时也在关键转换路径上设置有可以配置的延时循环。这样既可以方便LCD模块的工作调试, 又可以使LCD模块一直工作在写屏模式 (RW=0) , 驱动LCD模块的动态实时显示。

5 简易触摸电子琴的设计验证

使用DE0-Nano FPGA开发板 (Altera CycloneⅣEP4CE22F17C6N) 和友晶科技公司生产的4.3寸液晶触摸显示屏 (LTM) 组成简易触摸电子琴的硬件测试平台;设计项目经过QuartusⅡ10.1开发工具编译和芯片下载配置后得到的实际验证效果图如图4所示。经实际电路测试验证, 达到了设计要求。

6 结语

本文所设计的以友晶科技公司生产的4.3寸液晶触摸显示屏 (LTM) 为触摸显示控制终端的低成本简易触摸电子琴。在FPGA开发板上的验证结果表明, 完全实现了触摸控制弹奏和自动播放乐曲的功能。同时将乐曲硬件演奏电路的核心部分集成在FPGA芯片上, 不但大大简化了外围电路, 有效地提高了设计的灵活性, 而且具有体积小、功耗低、可靠性高的特点, 极大的降低了设计成本, 缩短了设计周期, 由此可见FPGA技术在设计电子产品方面体现出极大的优越性。

参考文献

[1]曹曼.基于FPGA的电子琴设计[J].信息科技, 2012 (5) :180-181.

[2]陈华容.基于FPGA的电子琴设计[J].器件与电路, 2006 (2) :26-29.

[3]孙万麟.基于AT89C51单片机的电子琴设计[J].电脑知识与技术, 2010 (2) :5626-5627.

[4]周琛晖.基于AT89S51单片机的电子琴设计[J].电脑知识与技术, 2009 (27) :7679-7681.

[5]张卿.基于FPGA的音乐演奏电路及电子琴的设计[J].现代经济信息, 2009 (8) :143-148.

[6]付梦婷, 付永庆.基于CPLD的88键电子琴的设计与实现[J].电子器件, 2013 (5) :737-741.

[7]李雪梅.基于FPGA的电子琴动态录音与回放系统的设计[J].现代电子技术, 2009, 32 (3) :130-133.

[8]王庆春, 何晓燕.基于FPGA的便携式逻辑分析仪的设计[J].电子测量技术, 2012 (10) :80-83.

简易信号发生器设计篇5

一、设计目的和要求

（一）、设计目的通过设计简易信号发生器，完成系统设计、编码、调试及维护工作的实践，了解单片机应用系统的一般设计思路，熟悉和掌握硬件系统和软件设计的一般方法。

（二）、设计要求

1.设定功能：能通过按键设定信号类型、频率

2.显示功能：通过数码管或液晶显示当前波形类型和频率。

3.计数功能：能设定自动输出多少个周期该波形后停止输出，直到再次按下触发按钮

二、设计内容及步骤

1.系统分析，完成系统分析报告

2.根据的系统结构图、课程实验，查阅资料，确定系统各个模块的译码电路和地址范围以及其它硬件型号，详细画出系统硬件原理图。

3.程序流程图，编制程序。

4.调试修改显示子模块、键盘扫描子模块、定时器中断子模块和主程序

5.编写课程设计报告

内容包括：题目、摘要、目录、正文、结论、致谢、参考文献等。学生在完成上述全部工作之后，应将全部内容以先后顺序写成设计报告一份，阐述整个设计内容，要求重点突出、特色鲜明、语言简练、文字通畅，字迹工整。报告要求在专用报告书上书写。

6.完成课程设计报告，设计报告字数不得少于3000 字撰写要求如下： ·设计任务

·问题定义、理论分析

·理论设计（程序功能结构、算法说明和程序框图）

·上机调试（实验环境、实验说明和程序清单）

·结果分析

·心得体会

三、进度安排

按教学计划规定，单片机原理及应用课程设计总学时为一周，其进度及时间大致分配如下：

简易直流电子负载的设计分析篇6

关键词：直流电子负载,电路模块设计,软件设计,MSP430

在电路中, 负载是指用来吸收电源供应器输出的电能量的装置, 它将电源供应器输出的电能量吸收并转化为其他形式的能量储存或消耗掉。负载的种类较多, 但根据其在电路中表现的特性可分为阻性负载、容性负载、感性负载和混合性负载。在实验室, 通常采用电阻、电容、电感等或它们的串并联组合, 作为负载模拟真实的负载情况。而直流电子负载用途较为广泛, 可用于检测直流电源的电源稳定性、负载稳定性、输出电压调整和瞬态特性等参数。电子负载的种类是多种多样的, 选择适合的电子负载是电源类研发或者生产中一个重要的方面, 针对设计要求, 综合考虑多方面因素, 我们设计了一个符合应用要求的直流电子负载。

1 设计要求

本设计要制作一台恒流 (CC) 工作模式的简易直流电子负载。其工作原理示意如图1所示。

其基本要求为: (1) 恒流 (CC) 工作模式的电流设置范围为100m A~1000m A, 设置分辨率为10m A, 设置精度为±1%。还要求CC工作模式具有开路设置, 相当于设置的电流值为零。 (2) 在恒流 (CC) 工作模式下, 当电子负载两端电压变化10V时, 要求输出电流变化的绝对值小于变化前电流值的1%。具有过压保护功能, 过压阈值电压为18V±0.2V。 (3) 能实时测量并数字显示电子负载两端的电压, 电压测量精度为± (0.02%+0.02%FS) , 分辨力为1m V。 (4) 能实时测量并数字显示流过电子负载的电流, 电流测量精度为± (0.1%+0.1%FS) , 分辨力为1m A。 (5) 具有直流稳压电源负载调整率自动测量功能, 测量范围为0.1%~19.9%, 测量精度为±1%。为方便, 本题要求被测直流稳压电源的输出电压在10V以内。

2 设计方案

本系统主要由主控器系统、采样系统、恒流控制系统等组成, 下面主要论证主控器和A/D转换器的选择。

2.1 主控器选择

有类似文章介绍用80C51单片机, 因其价格便宜, 应用范围广, 备受使用者欢迎。但由于仿真器占用单片机串口及定时器, 用于PC通讯, 故不支持串口及定时器的仿真功能, 同时也不能进行在线仿真。而MSP430与51单片机相比其优势在于MSP430为16位单片机, I/O口明显增多, 且功耗低、同时具有16个外部中断。若采用纯硬件方式控制设计电路, 电压、电流预设置通过调节电位器实现, 电流、电压取样反馈值送入比较电路, 实现恒压、恒流和恒阻的功能, 电路相对比较复杂, 且可实现的功能有限, 在短时间内制作会比较粗糙, 工作量较大, 所以最终采用MSP430单片机。

2.2 A/D、D/A转换器选择

采用MSP430单片机内置A/D转换器, 该转换器虽然只有12位, 精度虽然不如ADS1115模数转换器等16位转换器, 但使用方便, 功耗低, 且能满足精度要求, 故采用此方案。

3 系统硬件设计

3.1 整体电路框 (见图2)

3.2 采样电路设计

采样电路中以通用运算放大器OP07为主芯片, 设计工作量小, 电路简单, 调试方便, 性能稳定, 完全满足设计要求。其电路如图2所示。在设计中, 被测电源中的场效应管 (IRF151) 的选择十分重要, 它必须有足够小的RDS, 动态压降还要求尽量小, 还要有足够高的工作频率。另外, 它的温度系数是否较低、是否有内部保护、输入电阻是否高、是否有较高的源极、漏极击穿电压等, 这些都是设计者要考虑的要点。具体电路如图3所示。

3.4 过压保护电路设计

过压保护是防止被测电源电压过高时损坏直流电子负载进而设计的模块, 电路如图4所示。

4 系统软件设计

系统软件设计采用C语言, 对MSP430单片机进行编程实现各项功能。程序在Windows环境下采用IAR Embedded Workbench软件编写, 可以实现检测电源性能、电路过压保护、屏幕显示等功能。主程序主要起到一个决策功能, 决定某一时刻各子模块该如何运转。电源检测各种功能的实现主要通过调用A/D, D/A, 电路过压保护等多个功能子程序完成。限于篇幅, 在这里只介绍主程序流程如图5所示。

5 系统测试

在电路各个模块完整的制作完成后, 首先检查硬件电路是否连接有错误, 虚焊等。若无误, 则在不加测试电源的情况下, 对各个模块的主要部件进行测试, 如单片机对D/A的控制是否正常, 运算放大器是否按照制定的放大倍数或要求进行工作, 康铜丝的采样点电压接入运放后是否能够按照要求进行放大, 采样模块的A/D是否能够正常的进行工作, 显示模块是否能够正常显示等。当通过上面的测试后, 接入电源。但是在接入之前, 首先需要对单片机进行工作模式的设定。当电源在初次接入时, 电压值应该设定的很小, 不妨从2V开始调节, 与此同时, 还要考虑串联限流电阻, 为了确保电路的安全, 初次接入时应先选取2欧电阻进行测试。在测试过程中, 尽量保证电源电压与D/A输出模拟电压相近, 避免两者偏差过大。若在测试过程中出现异常, 务必首先切断电源开关。

6 设计总结

在直流电子负载系统的整个制作过程中, 笔者遇到了很多软、硬件上的困难。首先是恒流的控制的精度性问题, 电流采样的精确性等。这个问题带来了很大的困扰也花费了大量的时间。主要表现为MOSFET烧了不少, 恒流调节电路工作不稳定等等。最后通过老师的指导以及设计团队成员的团结合作, 终于将问题一一解决。在这个过程中, 笔者体会到了完成整个设计与制作的困难和艰辛, 也感受到了指导老师给予我们的关怀和团队之间共同的坚持与努力。

虽然本系统基本可以达到设计的要求, 但在其他一些方面, 还存在着提升的空间, 如在系统中增加语音提示输入、输出超限报警等功能, 有待继续完善。

参考文献

[1.谢自美.电子线路设计·调试[M].3版.武汉:华中科技大学出版社, 2006.

[2]曹磊.MSP430单片机c程序设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.

一种简易直流电子负载的设计篇7

电子负载即电子负荷,是代替电灯、电动机、加热器等常规负载的一种具体电路,用以对电源的特性进行测试。从电子负载获得的电量的形式上,我们可以把电子负载分为直流和交流两类,也可以分为恒压源模式和恒流源模式。本文介绍的是一种利用低导通电阻的场效应管,配合高性能微控制器、集成专用芯片等构成的一种恒流式直流电子负载,在一定程度上测试了电源的恒流负载能力。

1总体方案设计

设计要求:

设计和制作一台恒流工作模式的简易直流电子负载。

功能介绍:

(1)被测电源的可测试范围为0-10V,0-1A;

(2)由人工设定给控制板一个既定的负载电流,负载工作时其电流会保持恒定;

(3)电源不可在负载未设定参数下直接工作,先设定好允许的工作电流,可有效;

(4)保护被测电源的电子负载;

(5)具有负载同被测电源可断开功能,通过单片机控制;

(6)具有过压保护功能,电压超过18V时自动断开。

下图1为系统总体方案框图:

1.1主系统控制模块方案

采用MSP430单片机作为核心控制单元,此单片机功能强,兼容性好,性价比高;具有体积小,集成度高,易扩展,可靠性高,功耗小以及具有较强的数据处理和运算能力,系统运算速度快。此方案能实现智能化的特点,提高测量精度,同时能利用软件对测量误差进行反馈补偿。

1.2 A/D转换模块

采用超小型、低功耗、16位A/D转换器,具有一个板上可编程增益放大器,该PGA可提供从电源电压到低至 ±256m V的输入范围,因而能够以高分辨率来测量信号。

2单元模块设计

2.1 A/D转换器接口模块

(1)性能特点

ADS1115IDGSR是一种16位高精度模数转换器, 数据通过一个I2C兼容型串行接口进行传输:可以选择4个I2C从地址。具有可编程增益放大器从而以高分辨率来测量大、小信号。另外,ADS1115还具有一个输入多路复用器,可提供2个差分输入或4个单端输入。

(2)ADS1115与MSP430接口设计,如图2所示 :

2.2采样模块的设计

在设计中,考虑到场效应管控制的特点,康铜丝选择串联与被测电源与场效应管之间。由于采样电压很小且又是浮地测量,所以用OP77对采样信号进行差动放大。放大后的信号最终被送入16位A/D转换器ADS1115IDGSR。

参数确定 :

根据欧姆定律测定当给定电流为1000m A时,采集电压为148.93m V

由于A/D转换量程最大值为2.5V

设定放大后电压为2V左右。

经调试确定OP77的反馈电阻为13.4kΩ

2.3系统总体电路

下图3为系统整体框图:

为了达到题目设计要求,特别是发挥部分的要求,本方案选用了16位的A/D、 12位D/A芯片, 经过分析,其分辨率完全能够满足要求。在采样电阻的选择上,充分考虑到了大电流对电阻的损坏,因此这里选用了康铜丝。同样,连接在大电流回路中的场效应管也要考虑到其耗散功率。场效应管所产生的大热量必然使得取样要求很高的康铜丝应该散热隔离。

3单片机软件设计

3.1软件设计

(1)液晶显示子程序: 设定输出值及实际端电压电流。

(2)键盘处理子程序:输出值的设定。

(3)数据处理子程序:根据设定值换算出调整值,写入D/A的值,根据A/D采样的数据换算出实际端电压电流值。

(4)将调整值送入D/A。

(5)进行A/D采样。

3.2主程序的流程图

4系统功能、指标参数分析

测试结果显示系统达到了预期效果, 系统显示数据稳定,精度较高(误差小于1%),符合题目要求。本设计通单片机精确控制,系统达到1m A的电流分辨率,工作电流范围0 ~ 1A ;完全达到了题目的各项要求。除此之外,系统具有过压保护功能,过压阈值电压为18V±0.2V,测量电压超过阈值时,电路自动断开。散热系统采用散热板,即使系统长期工作,仍然保持性能稳定。

5设计总结

本文是基于MSP430单片机的电子负载,能够通过负责的恒流性测试电源的恒流输出电压范围和纹波系数。整个作品的低功耗也是作品质量的一个不可忽视的技术指标,这里主要是要广泛查阅芯片手册,选择低功耗、低噪声、低漂移的运放芯片和单片机。由于本设计中综合考虑了上述因素,完全可以满足用户对电源测试的要求。

摘要：本文介绍了一种采用高性能、低功耗单片机MSP430为控制核心,配合PWM专用芯片SG3524AN和高精度、高速A/D转换器ADS1115IDGSR,设计了一种恒流工作方式的直流电子负载,达到了对待测电源的恒流性能检验。

简易电子琴设计篇8

关键词：蜂鸣器,驱动电路,电子琴电路设计

0 引言

声音的产生是一种音频效果, 振动的频率高, 则为高音, 频率低, 则为低音, 人耳比较容易辨认的声音频率大概是0～20 kHz。在数字电路中, 以脉冲信号驱动蜂鸣器, 已产生声音, 在同样频率下, 人类的耳朵是很难区别正弦信号或脉冲信号所产生的音效。

1 音调的产生

1.1 发声电路

蜂鸣器的驱动电路通常有以下两种电路 (如图1、2所示) 。图1中, P1.0口输出1 (高电平) 时, 可以通过达林顿管提供较大的驱动电流, 以驱动蜂鸣器。图2中, 当P1.0口输出1时, 内部的MOSFET不导通, 晶体管的BE之间不会有输入电流, 所以蜂鸣器上也不会有输出电流, 蜂鸣器就不会激磁。当P1.0口输出为0时, 蜂鸣器就会激磁。

1.2 音调

在音乐中, 通常是以Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si分别代表某一频率的声音。表1示出了音调—频率关系。

2 简易电子琴设计

制作一个7键的简易电子琴, 按下按钮K1时, 发出Do的声音, 按下按钮K2, 发出Re的声音, 以此类推。电路图设计如图3所示。当K1未被按下时, 单片机的P2.0口由VCC电源带电阻将其口拉成高电平;当K1被按下, P2.0口直接接地, 该接口变为低电平。同理K2～K7。

K1～K7这7个按键分别按下, 单片机的P3.7口发出不同的频率方波, 从而产出不同的声音。不同频率的方波, 可以通过编写延时函数的方法来得到, 也可以通过定时中断的方法使P3.7口输出不同的方波。

根据表1中的频率, 通过编程使简易电子琴发出美妙的音乐。对于延时函数中的参数m和x, 取m=1, x的取值和按键之间的关系如表2所示。

除了使用延时函数产生音调和节拍, 还可以采用定时器中断产生节拍。用定时器中断产生音调和节拍比用延时函数来的更准确, 而且程序还能处理其他事情;而用延时函数产生音调时程序不能处理其他事情, 所以作者建议使用定时器中断来产生音调和节拍。

表2中示出了不同音调的延时函数的参数, 整个程序的流程图如图4所示, 7个按钮分别采用7个子程序, 主程序在等待按键的按下, 当前某个按键按下后, 转去执行相应按键所对应的子程序。为节省单片机资源, 本文采用定时中断产生节拍。该电子琴的程序如下所示。

3 结语

试论简易LED电子广告牌的设计篇9

011全球知名市场研究权威尼尔森公司将户外LED显示屏称之为继电视、电脑、手机之后的“第四屏”。LED电子广告牌作为一种新颖的电子动态图文点阵显示屏, 是一种置于大众中可自功连续工作的信息发布媒体, 是一种可烘托气氛、装点环境的精彩点缀, 是一种在消费最前沿吸引万千眼球的广告利器。无论个体经商户到大品牌的厂商都能利用LED电子滚动显示屏来吸引客户、介绍产品、彰显品脾和装饰环境, 为商家创造更大的财富。

2 LED电子广告牌的特点

ED显示屏具有色彩鲜艳、亮度高、寿命长、工作稳定可靠等优点, 在许多行业都得到了广泛的应用, 如在车站、码头、商场、银行等公共场所将LED?显示屏用于信息发布。目前LED显示屏的种类越来越多, 从使用场合及亮度考虑可分为室内和室外屏, 从扫描方式可分为动态扫描显示屏和静态扫描显示屏。LED发光显示器是单片机应用产品中常用的一种物美价廉的输出设备, 其主要优点是在于降低成本。提高可靠性和易于实现。而简易的LED电子广告板的设计主要是通过运用单片机控制系统去实现对汉字的显示, 以及汉字的上下滚动和左右移动, 完成对三维立体的设计显示。在我国改革开放之后, 随着国民经济的增长, 对公众场合发布信息的需求强烈, LED显示屏的出现适应了这一市场需求, LED显示技术得到了高速发展, LED显示屏幕可以显示变化的数字、文字、图形图像, 不仅可以用于室内环境, 还可以用于室外环境, 具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。日光灯与传统日光灯比较有如下优点:

(1) 环保, 无污染。传统的日光灯中含有大量的水银蒸汽, 如果破碎水银蒸汽会挥发到大气中。LED日光灯不使用水银, 且不含铅汞, 对环境起到保护作用。LED日光灯公认为二十一世纪的绿色照明。

(2) 高效转换, 减少发热。传统灯具会产生大量热能, 而LED灯具则是把电能全都转换为光能, 不会造成能源的浪费。而且对文件, 衣物也不会产生褪色现象。

(3) 清静舒适, 没有噪音。LED灯具不会产生噪音, 对于使用精密电子仪器的场所为上上之选。适用于图书馆, 办公室之类的场所。

(4) 光线柔和, 保护眼睛。传统的日光灯使用的是交流电, 所以每秒钟会产生100-120次的频闪。LED灯具是把交流电直接转换为直流电, 不会产生闪烁现象。

(5) 无紫外线, 不吸引蚊虫。LED灯具不会产生紫外线, 因此不会象传统的灯具那样, 有很多蚊虫围绕在灯源旁边。室内会变得更加干净卫生整洁。

(6) 电压可调。传统的日光灯是通过镇流器释放的高电压来点亮的, 当电压降低时则无法点亮。而LED灯具在一定范围的电压之内都能点亮, 还能调整光亮度。

(7) 节省能源, 寿命更长。LED日光灯的耗电量不到传统日光灯的三分之一, 寿命也是传统日光灯的10倍, 可以长期使用而无需更换, 减少人工及相关费用, 更适合于难以更换的场所。

(8) 坚固牢靠, 长久使用。LED灯体本身使用的是环氧树脂而非传统的玻璃, 更坚固牢靠, 即使砸到地板上LED也不会轻易损坏, 可以放心使用。另外更便于运输。

LED点阵电子显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术与一体的大型显示屏系统。本系统所采用的是16*16点阵LED图文显示屏, (1) 显示汉字和各种常见字符等信息, 可广泛应用于各种场所。具有结构简单、安装方便、字型美观、图案清析。采用高性能单片机控制, 性能稳定, 可靠性高, 具有掉电保护功能, 并且可以完全脱机运行。 (2) 大屏幕显示系统一般是由多个LED点阵组成的小模块以搭积木的方式组合而成的, 每一个小模块都有自己的独立的控制系统, 组合在一起后只要引入一个总控制器控制各模块的命令和数据即可, 这种方法既简单而且具有易展、易维修的特点。

LED就是light emitting diode (发光二极管) 的英文缩写.LED显示屏是种通过控制半导体发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。

3 LED电子广告牌应用

“激情盛会, 和谐亚洲”, 令人期待的第16届亚洲运动会于2010年11月12日至27日在中国广州举办。在广州海心沙岛亚运会开闭幕式主场, 坐落着四艘气势磅礴的“亚运之舟”, 分别由上下两块LED风帆组成一艘船, 共八块风帆并列组成了开闭幕式演出的背景。每块LED风帆屏宽30米, 安装高度86米, 显示面积达8000平米, 为当今界显示面积最大的led显示屏。

有PH10、PH12、PH16、PH20、PH25、PH31.5, 可以播放各种视频, 可显示图象和文字, 影像画面清晰、各种计算机信息、图形、图画及二、三维动画等, 存储数据信息容量大, 并具有同步显示功能。可应用于大型广场、金融、税务、工商、邮电、体育、户外广告、厂矿企业、大型体育场馆、交通运输、教育系统、车站、码头、机场、商场百货大楼、医院、宾馆大厦、银行、演唱会现场、证券市场、建筑市场、酒店会议室、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。

4 LED电子广告牌安装

户外LED显示屏有着背景明亮、气候复杂 (潮湿、多尘) 、空间开阔等特点, 因此对LED有着较高的要求。蓝通户外全彩显示屏, 充分考虑各种环境要求:

(1) 超高亮度:采用2R1G1B的设计方案和超高亮度的管芯, 即使在晴朗的白天, 也可以清楚地看清屏幕上的画面。

(2) 防水设计:采用特殊的箱体结构, 表面采用专业胶封装, 背面设计有防水槽及防水胶圈, 防水水平达到IP65的标准 (相当于抗水枪冲击的程度) 。

(3) 防尘设计:突破性地将传统风扇散热升级为散热板散热, 实现了箱体的全密闭设计, 从而做到彻底防尘, 大大延长屏幕寿命。

(4) 宽可视角度:为适应户外开阔的空间, 康佳户外LED采用宽视角设计, 将视角提高到110度, 大大提高了可视的范围。

参考文献

[1]靳桅, 邬芝权, 肖波.基于单片机IAP技术的LED显示屏控制系统[J].单片机与嵌入式系统应用, 2007 (5) :45-48.

简易电子琴设计篇10

随着嵌入式系统的发展,数码相框和电子书阅读器这种既新潮又方便携带的嵌入式系统应用产品发展速度很快。它不仅改变了传统相册和书籍单一展示方式,而且这种新潮的数码相册和电子书阅读器在更新内存大小和外观的速度也越来越快。本文介绍了一种基于STM32微控制器的简易数码相框与电子书阅读器设计,其中利用FAT32文件系统对存储在SD卡中的文件进行管理,控制器从SD卡中读出图片和文档信息。经过处理器的控制,最终实现在TFT液晶屏上显示。

1 硬件电路设计

该设计的硬件平台以32 b STM32系列的处理器STM32F103ZET6为核心,外围电路主要包括一个2.8英寸的TFT触摸屏模块、1个SD卡插座、1个16 Mb片外FLASH,硬件系统框图如图1所示。

控制器的选用:控制器选用意法半导体公司的STM32F103ZET6单片机[1]。它是基于ARM CORTEX-M3内核,时钟频率可达72 MHz,内置512 KB的闪存以及64 KB的SRAM,并且集成了丰富的片内外设,包括并行LCD(FSMC)、I2C、SPI等接口。在STM32芯片中内置了一个Systick定时器,它放在了NVIC中,主要的目的是为了给系统提供一个硬件上的中断(号称滴答中断)。本设计中主要使用Systick定时器来控制幻灯片切换时间。可以说STM32单片机完全超越了同价位的8 b或16 b单片机的性能而又不像一般32 b处理器那样昂贵,因此从性能和成本上考虑它都是理想的选择[2,3]。本设计采用了具有二个SPI通用接口和并行接口(FSMC)的2.8英寸TFT触摸屏模块作为显示和按键操作[3];存储模块使用的是SD卡和片外FLASH,SD卡用于存放bmp格式图片和txt格式文档,片外FLASH用于存放汉字字库,SD卡和FLASH都是使用SPI接口进行通信[4]。硬件电路原理图如图2所示。

2 软件系统设计

2.1 软件总体设计

开机进入用户选择模式,选择bmp图片浏览或是txt文档阅读。图片浏览支持幻灯片自动显示和手动显示2个方式,txt文档只能手动操作向上、向下翻页,手动操作根据触摸屏坐标的位置确定是往回翻页还是向下翻页。具体实现过程在Keil软件中编写C语言程序来实现[5]。程序总体设计流程图如图3所示。

2.2 FAT32文件系统

当文件放入SD卡中,它在SD卡中的存储方式,以及对存入文件的寻址与读取,都是由文件系统来完成的,文件系统就是用来负责管理和存储文件信息的软件机构[6]。具体地说,它负责为用户建立文件,存入、读出、修改、转储文件,控制文件的存取,当用户不再使用时撤销文件等。不同的操作系统有不同的文件系统,常用的文件系统有FAT16/FAT32/NTFS等类型。本设计中采用的是FAT32系统文件,下面对FAT32进行简要说明。

FAT32文件系统的结构主要由3部分组成:保留区、FAT区、数据区。其中保留区包含主引导区(MBR)和操作系统引导记录(DBR),主引导区位于磁盘的第一扇区,通过它可以找到引导记录的地址。DBR中记录了文件系统的一些重要信息,如每扇区字节数、每簇扇区数、FAT表个数、文件系统大小(扇区数)、根目录起始簇号等信息,这些信息对于在SD卡中存储和查找文件至关重要。位于保留区后的是FAT区,它是由2个完全相同的FAT表组成,FAT表有2个重要作用:描述簇的分配状态以及标明文件或目录的下一簇的簇号。数据区紧跟在FAT2之后,被划分成一个个的簇,是真正用于存放用户数据的区域。FAT32文件系统的磁盘数据组织格式如表1所示[7]。

在软件实现方面,文件系统部分主要由以下3个函数组成:初始化函数void InitFat()、查找指定文件个数函数unsigned int StatFileNum()、查找索引文件函数unsigned char SearchFile(unsigned long int entry,unsigned int index,char*type,unsigned char*buf,FILE*pfile)。初始化函数主要是读主引导扇区和引导扇区,获取该分区文件系统每簇扇区数、文件分配表的大小、保留扇区数以及数据区的起始地址等信息。查找文件个数函数是根据初始化函数中所得到的文件系统的信息,获得所要查找文件类型的个数[8]。查找索引文件函数是查找指定入口的指定类型的文件,查找时以index为索引,如index=5,即是要查找指定类型文件的第5个文件,函数可以写成如下形式:SearchFile(2,5,“bmp”,SectorBuf,&TmpFile);(2表示从第2簇开始查找,5表示查找第5个文件,“bmp”表示要查找的文件类型,SectorBuf是一个数组,临时存放查找的文件信息,TmpFile是一个结构体存放查找的文件具体信息)[9]。

2.3 FLASH芯片及字库驱动

本设计中电子书阅读器支持txt格式文档。由于汉字是以GB2312字符集格式存储在SD卡中的,因此需要控制器读取字符集,通过解码获得汉字编号,然后根据汉字在字库中的顺序找到这个汉字的点阵数据,送到TFT液晶上显示[10]。GB2312将所收录的字符分为94个区,编号为01区至94区;每个区收录94个字符,因此只要确定了某一个字符对应的区号和位号就唯一确定了这个字符。本设计中用取模软件将GB2312字符集取模成16×16点阵数据存在片外FLASH(AT45DB161D)中,其中AT45DB161D是串行接口的闪存芯片,它支持SPI模式通信,它被组织为4 096个页,每页512或528个字节。与并行FLASH存储器不同,它采用RapidS串行接口,从而大大减少了可用引脚数量,同时也提高了系统可靠性,降低了开关噪声,缩小了封装体积。不仅如此,AT45DB161D还可以应用于商业、工业等需要高密度、低引脚数、低电压与低功耗的应用场合[11]。读取字库流程图如图4所示。

3 系统调试与结果

系统的硬件设计和软件设计完成以后,需要进行综合测试和调试。通过测试和调试,不断优化程序代码,对程序和电路中的问题及时更正修改[12]。硬件调试的过程中主要是驱动SD卡,FLASH芯片以及TFT触摸屏,软件调试主要是在对触摸屏的抖动进行处理以及向前向后翻页处理,经过不断测试确保能够正常显示图片和电子书。实物效果图如图5(a)和5(b)所示。

4 结语

本设计结合硬件设计与软件设计2部分内容基本实现了数码相框与电子书阅读器的功能,主要实现了SD卡的连接操作,液晶屏显示测试等内容。对于一些市面上单一模式显示图片的数字相框,本设计还增加了FLASH字库编码模式,可以随意读取任何txt文件,使其在稳定性和可扩展性上都具有优势。本设计还有需要改进的地方,如增加JPEG格式或增加视频播放、改进幻灯片切换方式、增加播放幻灯显示图片的背景音乐以及添加其他功能等。

摘要：基于嵌入式系统的数码相框与电子书阅读器的开发已成为电子产品领域的一个热点,为了更好地满足人们对于多媒体娱乐的需求,提出了一种简易数码相框与电子书阅读器的设计。该设计采用速度更快,内存更大的STM32单片机作为主控制器,利用FAT32文件系统的管理,成功地实现了从SD卡中读取bmp图片文件和txt文档,并能在TFT液晶屏上显示的功能。该设计成本低,体积小,便于携带,具有很好的娱乐功能。

关键词：数码相框,电子书阅读器,STM32,bmp图片,txt文档

参考文献

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[9]韩英.一种基于BMP图片的显示方法[J].仪表技术,2011,17(2):61-62.

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