基于嵌入式開發板Mini6410的電子琴設計

王 杰， 高俊濤， 嚴周穎, 孫悅妍, 楊廣權

(廣州大學 機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

電子琴是現代電子科技與音樂結合的產物，是一種新型的鍵盤樂器。電子琴設計的方法有很多，由于嵌入式開發板具有強大的控制功能和靈活的編程實現特性，在電子琴設計中應用比較廣泛[1]。基于此，本設計采用嵌入式開發板FriendlyArm Mini6410為核心控制元件，通過Qtopia軟件編寫了電子琴面板模擬界面和控制代碼，通過觸摸式按鍵實現了電子琴演奏和播放功能。

1 設計原理

一首音樂是由許多不同的音階組成的，而每個音階對應著不同的頻率，通過不同的頻率組合，可得到不同的音樂。對于嵌入式來說，產生不同的頻率非常簡單[2-3]，可以利用嵌入式開發板上的定時/計數器T0來產生這樣方波頻率信號，從而使蜂鳴器發出聲音。因此，如果可以獲得一首歌曲的音符的頻率、升降調、每個音符的演奏長度、連音和頓音的時間長度，可利用Mini6410的定時/計數器Timer來產生這樣方波頻率信號，從而在開發板上彈奏或播放出這首歌，實現電子琴的功能[4-5]。

2 設計方案

在Mini6410開發板上的芯片S3C6410X中有5個定時器，這些定時器產生內部中斷。其中，Timer0和Timer1具有PWM功能，而Timer2,3,4沒有此功能。PWM具有兩種操作模式：自動裝載模式，一次觸發模式。為實現PWM功能，芯片提供了16個功能寄存器。這些功能寄存器都連接APB總線。

由于本設計利用蜂鳴器產生聲音，所以采用Timer0定時器產生PWM信號。首先編寫PWM驅動程序pwm.c腳本文件，并生產pwm.o和pwm.ko文件，把pwm.ko文件通過ftp方式發送到Windows的超級終端，再通過超級終端把PWM驅動程序燒寫進Linux內核[6-8]，再編寫QT應用程序，根據程序功能的需要調入PWM驅動程序，蜂鳴器發出聲音，實現系統的音樂播放功能。

2.1 系統圖

本電子琴包含了虛擬鍵盤輸入，s3c6410芯片處理輸入指令并產生相應的PWM波至蜂鳴器，使蜂鳴器發出聲音，并且伴隨著LED燈的閃爍[9]。圖1為電子琴設計的系統圖。

圖1 系統結構圖

2.2 硬件設計

2.2.1Mini6410介紹

Mini6410SDK是采用Mini6410核心板的一款參考設計底板[10]，它具有三個LCD接口、4線電阻觸摸屏接口、100M標準網絡接口、標準DB9五線串口、Mini USB 2.0接口、USB Host 1.1、3.5 mm音頻輸入輸出口、標準TV-OUT接口、SD卡座、Mini PCIe接口、電容屏接口等；另外還引出4路TTL串口，另1路TV-OUT、SDIO2接口(可接SD WiFi)接口等；在板的還有蜂鳴器、I2C-EEPROM、備份電池、AD可調電阻、8個中斷式按鍵等。

Mini6410采用2.0 mm間距的雙排插針，總共引出4組：P1，P2，CON1，CON2。其中P1和P2各為60 Pin；CON1和CON2各為30Pin，總共引出180 Pin。Mini6410在板引出10 Pin Jtag接口，如其布局說明見表1。

表1 Mini6410引腳

2.2.2蜂鳴器

Mini6410開發板的蜂鳴器Buzzer 是通過 PWM 控制的，蜂鳴器驅動電路原理圖如圖2所示，其中PWM0端信號為開發板上的計數器timer產生的方波頻率信號，可通過引腳GPF14測量，該引腳可通過軟件設置為 PWM 輸出，也可以作為普通的GPIO使用。

圖2 PWM電路

2.2.3發光二級管

Mini6410開發板具有4個用戶可編程LED，它們位于核心板上，直接與CPU的GPIO相連接，實現在演奏時有節奏閃爍的功能，增加電子琴的娛樂性。LED電路和IO口如圖3所示。

圖3 LEDIO口

2.3 軟件編程設計

軟件編程設計采用Qtopia進行演奏和播放功能的軟件設計。

2.3.1界面設計

利用Qtopia設計了電子琴面板模擬界面。如圖4所示。其中1～7分別對應音符“do、re、mi、fa、so、la、ti”頻率的聲音[11-12]并且在按下時LED會有節奏閃爍；當點擊按鍵“同一首歌”, 會播放預置的曲子，按停止鍵時蜂鳴器停止發聲，按開始鍵蜂鳴器繼續發聲。拖動滑動變頻條，蜂鳴器的頻率也會隨之改變。

圖4 模擬界面

2.3.2音樂演奏

音樂演奏功能通過按鍵1-7及1+，以及滑動條來實現。以按鍵1為例，按下時，將觸發相應的代碼：

void PwmWidget::on_noe_clicked() //設定1鍵為“do”

{

ioctl(fd, PWM_IOCTL_SET_FREQ, 523);

}

從而發出對應頻率的音符“do”。結合滑動條來調整音調，就可以演奏任何音調的歌曲。

滑動條所對應的代碼為：

void PwmWidget::changefreq() //設定一個滑動變頻條

{

ioctl(fd, PWM_IOCTL_SET_FREQ, 10*m_ui.chfreq->value());

初始化時，滑動條位于正中間，此時按下1對應C調的多，523hz；升調演奏時，先按下1+，再按1。也可通過拉動滑動條或上下按鈕來調整音調升降。

2.3.3音樂播放

在程序段定義變量處，事先定義了所需點歌的頻率表，例如，“同一首歌”的頻率表事先放在unsigned char Music_Girl[]數組中。

當點擊“同一首歌”按鈕時，音樂點歌按鈕程序啟動，PWM波形在延時10ms后開始輸出，音樂開始播放。程序如下所示：

void PwmWidget::on_tongyishouge_clicked()

{

timer->start(10);//延時啟動10ms

}

音樂開始后，即開始輸出PWM波形之后，開始根據頻率表計算音符、高低音、頓音、不發音等演奏長度等，并循環運行。程序如下所示[13]，由于“同一首歌”頻率表里有212個原始頻率，當歌曲演奏完成標志flg=0時，調用PWM驅動中的ioctl()和getfreq()，程序按音符索引lenup所指的頻率設置輸出的PWM波形的頻率，并調用getyinchang()函數計算出對應的蜂鳴時間和停頓時間輸出PWM波形，音樂開始演奏。當lenup小于212時，按順序輸出對應的頻率，順序播放音樂；當lenup自加到數組Music_Girl[]的尾部時，音樂完整播放完畢，為了重新播放音樂，把音符索引lenup復位到0，并標識音樂播放完畢標志flg賦值1；則程序退出if(flg==0)的程序段，但在隨后的else里對標志flg賦值為0，并關掉Pwm信號輸出，使其重新回到if(flg==0)的程序段中執行，音樂得以連續播放。

從Music_Girl[]中獲得原始頻率后，根據調號及升降八度來生成新的頻率表，并計算出高低音、升降調和對應音符的頻率等參數。

unsigned int NewFreTab[12]; //新的頻率表

for(m=0;m<12;m++) // 根據調號及升降八度來生成新的頻率表

SL=i%10; //計算出音符

SM=i/10%10; //計算出高低音

SH=i/100; //計算出是否升半

CurrentFre = NewFreTab[SignTab[SL-1]+SH]; //查出對應音符的頻率

if (SM==1) CurrentFre >>= 2; //低音

if (SM==3) CurrentFre <<= 2; //高音

根據上面算出的音符的頻率和升降調，計算每個音符的演奏長度、連音和頓音的時間長度，進而改變PWM波形的輸出，使得蜂鳴器最終跟隨給定的頻率表來播放音樂。

2.3.4led部分

按下鍵“1”時，對應ARM板[14-15]上的LED1燈被點亮，延時2 s熄滅；當按下鍵“2”時，對應ARM板上的LED2燈被點亮，延時2 s熄滅；當按下鍵“3”時，對應ARM板上的LED3燈被點亮，延時2 s熄滅；當按下鍵“4”時，對應ARM板上的LED4燈被點亮，延時2 s熄滅；當按下鍵“5”時，對應ARM板上的4個LED燈全部被點亮，延時0.5 s全部熄滅，即全部閃爍一次；當按下鍵“6”時，對應ARM板上的4個LED燈全部被點亮，延時2 s；當按下鍵“7”時，對應ARM板上的4個LED燈全部被熄滅，延時2 s。

按鍵“1”，LED1被點亮，延時2秒熄滅，按鍵2,3,4與按鍵1原理類似，所以按鍵“1”為例，代碼如下：

void PwmWidget::on_one_clicked()

{

fd=-1;//if not add it,led will fail

led(1,1);

usleep(2000*1000);

led(1,0);

ioctl(fd, 0);

}

按下按鍵“5”時LED1、2、3、4全被點亮，延時0.5 s全部熄滅。按鍵“5，6，7，8”以按鍵“5”為例，其代碼如下：

void PwmWidget::on_five_clicked()

{

fd=-1;//if not add it,led will fail

int j=0;

for(j=1;j<=4;j++)

{

led(j,1);

usleep(500*1000);

}

for(j=4;j>=1;j--)

{

led(j,0);

usleep(500*1000);

}

ioctl(fd, 0);

}

3 結 語

本設計基于Mini6310開發板使用Qtopia軟件對演奏界面和演奏代碼進行編程，完成了一個電子琴功能，實現了通過按鍵控制PWM波形來演奏及播放歌曲，并能伴隨LED燈有節奏的閃爍。此設計所涉及的系統功能易于拓展和升級，在QT界面中加入下拉框，加入一些各式名曲，并在程序體中多存儲這些歌曲的頻率表，這樣通過選擇不同的曲目，就能播放不同的音樂。

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