微机原理与接口技术（电子琴设计报告）

微机原理与接口技术

课程设计

基于8086系统的电子琴设计报告

05级电子信息工程2班

杨锡乐 学号：0504030223 参与成员：田友详、李丽华

一、设计任务及要求

1. 以8255接八个开关K1~K8，做电子琴按键输入。 2. 以8253控制扬声器，拨动不同的开关，发出相应的音阶。 要求： K1—静音

K2—发si的音493Hz K3—发la的音440Hz K4—发sol的音392Hz K5—发fa的音349Hz K6—发mi的音329Hz K7—发re的音293Hz K8—发do的音261Hz

二、方案比较和认证

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。常开型开关如右图。8个常开型开关K1~K8与8255的A口PA0~PA7相接，不触动开关时，为高电平输入，当按下开关时，就接地，为低电平输入。例如当K1键按下时，从8255中A口输入的数为11111110B，十六进制为0FEH。每一个开关按下时，都对应一个ASCII码，如下表所示：

开 关 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8

对应数据 0FEH 0FDH 0FBH 0F7H 0EFH 0DFH 0BFH 7FH

对应频率 静音 493 Hz 440 Hz 392 Hz 349 Hz 329 Hz 293 Hz 261 Hz

输入部分的硬件实现比较简单，所以说主要还是在发音部分。在设计中驱动扬声器地声的主要有两种方式，分别是以位触发和定时器控制。下面就这两种不同的方式确定两个不同的设计方案。

方案1：

发声采用位触发方式。电路原理图如下所示。程序直接控制PPI（8255可编程序外围接口芯片）的输出控制寄存器（I/O端口为61H）的第一位，使该位按所需的频率进行1和0的交替变化，从而产生一串脉冲控制波形，这些脉冲经过放大后驱动扬声器发出声音。

可以利用软件延时来控制所产生的脉冲波形的长度和脉宽，就可以实现产生不同频率和不同音长的声音。软件实现的程序如下： IN AL，61H MOV AH，AL

AND AL，0FCH ；关断定时器通道2的门控 SOUND：XOR AL，2 ；触发61H端口第1位 OUT 61H，AL

MOV CX，DX ；（DX）=控制脉冲的计数值 WAIT： LOOP WAIT ；延时循环 DEC BX ；（BX）=脉冲持续的时间 JNZ SOUND MOV AL，AH

OUT 61H，AL ；恢复61H端口

在本方案中，通过程序的方法来控制PB1，使其在1和0之间按一定的频率变，从而产生一串脉冲。控制

脉冲宽度的计数值的算法如下：

计数值=2801*100/音频

如果音频为f，则脉冲周期1/f一个半波的时间为1/2f秒，而1/2f秒的延时可简单地通过LOOP指令的循环来取得，由于2801次LOOP指令循环执行所需时间是10MS，所以一秒钟时间约执行2801*100次LOOP指令。控制脉冲宽度的计数值的实现程序如下： MOV AX，2801

MOV BX，50 ；频率不同该值就不同 MUL BX

DIV DI ；（DI）= f

MOV DX，AX ；（DX）=1/2f

算出了脉冲宽度，再通过高低电平的不断变换，就可实现不同频率的脉冲方波。把此方波经滤波放大即可驱动扬声器发声了。

方案2：

利用定时器发声。这里是通过硬件即8253定时器产生声音。

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。当定时器接收的计数值为533H时，能产生896Hz的声音，因此产生其他频率的计数值就可由下式计算： 计数值=533H×896÷ f=1234DCH÷ f

在送出频率计数值之前，还要给方式寄存器送一个方式值，该数决定对哪一个通道编程，采用什么模式，送入通道的计数值是一字节还是两字节，是二进制码还是BCD码。其位组合的格式如下：

当通道2用于发声时，采用的是模式3，在模式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。 产生指定频率声音的程序段如下： MOV AL，0B6H

OUT 43H，AL ；43H为8253的控制字端口 MOV DX，12H MOV AX，34DCH DIV DI ；（DI）=频率

OUT 42H，AL ；42H为8253的通道2端口 MOV AL，AH MOV 42H，AL

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。我们知道执行2801次LOOP指令约需要10MS的时间。因此用10MS的倍数值来控制扬声器开关的时间间隔，就可控制发声的音长短了。实现程序如下： IN AL，61H MOV AH，AL OR AL，3

OUT 61H，AL ；开扬声器

L： MOV CX，2801 DY：LOOP DY DEC BX JNZ L MOV AL，AH

OUT 61H，AL ；关扬声器 下图是利用定时器发音的电路图：

8255 PA1

Q0 8255 PA0 门控 控制喇叭 8253 计数器 与门 扬声器驱动 扬声器 定时器发音的电路图 方案比较：

在上述两个方案中，输入部分都是一样的。区别在于以不同的方式来驱动扬声器发声。经对比可知，两种方案都各有优缺点。在方案1中，其优点是电路简单，所用的器件芯片少，主要芯片只有需一片8255，产生方波是通过软件来实现的，易于修改和维护。然而它也存在一定的缺点，就是系统不断地通过软件来产生方波，系统资源被占用，无法再做其它事。与方案1相比，方案2增加了一个8253芯片和一个与门，虽然电路比方案1复杂，但通过定时器产生方波，实现起来比较简单，而且也不会出现系统资源被全部占用的情况。

经分析，选择方案2进行设计。

三、系统原理与单元设计

总体设计

1．用PC机的键盘数字键对应电子琴的8个琴键。

2．8255和8253配合构成音频发生器。8255的PA0口控制扬声器的开关，8253控制

扬声器的发声频率。

3．音频信号经LM386放大后，驱动扬声器

经过分析对比上述的两种方案可知，选取方案2是比较合理的。下面就方案2来分析一下整个系统的工作原理。前面已经提到，整个电路分成输入和发音两大部分。主要的器件有一个并行接口8255，和一个8253定时器。输入部分的硬件原理图比较简单，如下图所示的为输入电路，其主要是由8个常开型开关和一个并行接口8255组成。由图中可看到，8个开关一端接地，另一端接到8255的A口输入，并且通过一个电阻接到+5V。因此，在开关不按下时，从8255A口输入的是高电平，当开关按下时，输入的则是低电平，这样通过低电平触发，既方便也对芯片起保护作用。如下表，当不同的开关按下时，从A口输入就对应一个8位的数据。

开 关 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8

输入数据 0FEH 0FDH 0FBH 0F7H 0EFH 0DFH 0BFH 7FH

开头控制电路

通过软件检测输入的数据，然后给8253送相应频率的计数值。检测的程序如下： IN AL,60H ；从8255A口输入一个数据 CMP AL,0FEH

JZ K1 ；K1—K8分别为不同程序断的标号 CMP AL,0FDH JZ K2 CMP AL,0FBH JZ K3 CMP AL,0F7H JZ K4 CMP AL,0EFH JZ K5 CMP AL,0DFH JZ K6 CMP AL,0BFH JZ K7 CMP AL,7FH JZ K8

4、对于发音部分，PC机上的大多数输入/输出（I/O）都是由主板上的8255（或8255A）可编程序外围接口芯片（PPI）管理的。PPI包括3个8位寄存器，两个用于输入功能，一个用于输出功能。输入寄存器分配的I/O端口号为60H和62H，输出寄存器分配的I/O端口号为61H。由PPI输出寄存器中的0、1两位来选择扬声器的驱动方式。如下图。

连接到扬声器上的是定时器2，GATE与端口61H的PB0相连，当PB0=1时，GATE2获得高电平，使定时器2可以在模式3（方波）下工作。定时器2的OUT2与端口61H的PB1通过一个与门与扬声器的驱动电路相连。当PB1=1时，允许OUT2的输出信号到达扬声器电路。因此，只有PB0和PB1同时为“1”时，才能驱动扬声器地声。通过以下指令实现： IN AL，61H OR AL，3 OUT 61H，AL

上面的指令用以打开扬声器，如要关闭扬声器时则为： AND AL，0FCH OUT 61H，AL

当从8255中采集到输入的数据时，需要确定相应的频率，所以在软件编程时要建立一个数据表： TABLE DW 493，440，392，349，329，293，261 把相应的频率送到一个寄存器上，通过公式： 计数值=533H×896÷ f=1234DCH÷ f

算出计数值，再把算得的计数值送给8253，就可产生所要频率的方波。在把计数值送8253前，必须先把8253进行初始化： MOV AL，0B6H OUT 43H，AL

使其选用通道2，工作在方式3下。

就整个电路而言，接好电路后，通过软件编程不断地采集从8255口中输入的信号，而8个开关都接在8255的A口上，只要有开关按下，就会采集到一个数据，根据这个数据与事先编好的表对应，得到一个计数值，把这个计数值送给8253的通道2，8253的通道2工作的方式3下，这样就可以产生满足频率要求的发声方波。这个方波经驱动放大就可以使扬声器发出相应的声音。

所以8255在这里完成两个任务，它不仅从A口中采集到数据，而且B口的PB1和PB0两个位要控制发声。8253的主要任务就是产生所要求发声的不同频率的方波。

5、本设计中所采用的方案2的硬件I/O接译码连线图如下：

在设计过程中，独立编址时，用地址线的低位A2、A3、A4和控制信号AEN进行组合产生 I/O接口电路的片选信号（CS），用地址线的低位A0、A1直接连到 I/O接口芯片实现端口的选择。在此采用的是译码器译码，电路图如下所示，经过74LS138译码后， 输出作为8253的片选信号（CS），即其端口地址

40H~43H。 输出作为8255的片选信号（CS），即其端口地址为60H~63H。

四、软件思想与流程图

软件部分对整个系统来说起着重要的作用，在本电子琴系统中，软件可以分为三部分，主程序部分，发音子程序部分和延时子程序部分。 主程序的流程图如下：

8253初始化 显示提示信息 等待键盘按键放入AL Y Y 回车键？ N 输入字符值转化为查表偏移量， 查表取频率，转换成计数值送2号计数器 接通扬声器，并延时一段时间 返回DOS

发声程序包括3个步骤：

（1）在8253中的42端口送一个控制字0B6H（10110110B），该控制字对定时器2进行初始化，使定时器2准备接收计数初值。

（2）在8253中的42H端口(Timer2)装入一个16位的计数值（533H×895/频率），以建立将要产生的声音频率。

（3）把输出端口61H的PB0、PB1两位置1，发出声音。

以下是发声子程序的流程图：

读取8253计数初值和音长 8253置初值 开启与门和8253GATE 延时 关闭与门和8253GATE 返回

我们知道LOOP指令执行2801次的时间为10ms，所以延时子程序则很简单，只需要反复执行LOOP指令就可实现，并且所得到的延时时间为10ms的倍数。

附图1：关键元件的封装

74LS00四与门芯片

二分频芯片74LS74

74LS138译码芯片

扬声器驱动芯片LM386

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