1、微機原理與接口技術課程設計 題 目_基于8086電子琴的設計與實現 學生姓名 專業班級 12級計算機科學與技術一班 學 號 院 （系） 信息工程 指導教師 完成時間 2015 年 1 月 11 日 目 錄1 引言12 設計方案與論證332.2 方案二3483 設計原理及功能說明993.1.1 8253簡介103.1.2 8255簡介123.2 軟件143.2.1 設計實驗總流程圖143.2.2 設計子程序流程圖154 調試與結果測試174.1 硬件調試174.2 軟件調試204.3測試方案和測試結果225 總結23參考文獻26附錄1：總體電路原理圖27附錄2：元器件清單28附錄3：源代碼291

2、 引言隨著電子技術的發展，計算機在現代科學技術的發展中起著越來越重要作用。多媒體技術、網絡技術、智能信息處理技術、自適用控制技術、數據挖掘與處理技術等都離不開計算機。本次課程設計是基于微機原理與接口技術的簡單應用。微機技術目前運用最廣泛的就是單片機。單片機是隨著大規模集成電路的出現極其發展，將計算機的CPU、RAM、ROM定時/計數器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片級的計算機，因此單片機早期的含義稱為單片微型計算機。它擁有優異的性價比、集成度高、體積小、可靠性高、控制功能強、低電壓、低功耗的顯著優點.主要應用于智能儀器儀表、工業檢測控制、機電一體化等方面,并且取得了顯著的成果。單片

3、機控制通用MIDI音源模塊制作制作出的電子琴，結構簡單，可靠性高，并且價格低廉，具有實用的價值。這種電子琴能夠支持單音和復音彈奏，如果與高品質的音源芯片連接，音質更可與高檔電子琴相媲美。手機中通用的音樂芯片構成音源模塊，效果不錯，價格更低廉，如韓國產的QS6400 等，這些芯片的驅動要復雜一些，需要對芯片進行初始化設置。此外還有音樂盒、附有生日歌的生日卡片等等。所以利用微機制作的簡易電子琴在我們的日常生活中隨處可見1。微機原理簡易電子琴設計主要是通過對電子琴主體部分的電路進行模仿設計，達到電子琴固有的基本功能，故叫簡易電子琴。利用定時器可發出不同頻率的方波，不同頻率的方波經喇叭就會發出不同音調

4、。其次，定時器按設置的定時參數產生中斷，這一次中斷發出脈沖低電平，下一次反轉發出脈沖高電平，由于定時參數不同，就發出不同頻率的方波2，本設計中按鍵一次，會發出方波，松開后隨之延時，但在延時的期間繼續檢測按鍵，若此時又有鍵被按下，若被按下的仍為原鍵則聲音不變，否則鍵盤會譯出被按下的另一個鍵的音調。本次課程設計的目的是通過D/A轉換器產生摸擬信號，使PC機作為簡易電子琴。其主要任務有以下幾點：基于8086系統；使用計算機的數字鍵1、2、3、4、5、6、7、8作為電子琴的按鍵，按下即可發出相應的音階；音階通過揚聲器發出聲音。本次設計通過8255和8253來實現電子琴模擬，主要可以分成兩部分，分別為輸

5、入部分和發音部分。輸入部分：主要是由8255和8個常開型開關來完成。發音部分：CUP通過對定時器8253的通道2進行編程，使其I/O寄存器接收一個控制聲音頻率的16位計數值，端口61H的最低位控制通道2門控的開斷，以產生特殊的音響3。本文用到的是8253的方式3方波發生器。通過課程設計使學生更進一步掌握微機原理及應用課程的有關知識，提高應用微機解決問題的能力，加深對微機應用的理解。通過查閱資料，結合所學知識進行軟、硬件的設計，使學生初步掌握應用微機解決問題的步驟及方法。為以后學生結合專業從事微機應用設計奠定基礎。2 設計方案與論證首先利用了編程程序，編輯8255芯片控制字, 對其進行

6、初始化，使其工作在方式0，即基本輸入輸出狀態，將8255的A端口設置為輸出,C端口進行,經CPU運算后, 輸出到8254芯片的A端口中，由此實現對其的初始化。將8254芯片設置為工作在方式3，即輸出對稱方波狀態。A端口為輸入，“OUT”指令可將輸出對應一定頻率的方波送到揚聲器中，由此實現發聲4。本實驗頻率大小控制發出聲音的高低，通過對延時程序的調用控制發出聲音的長短。并通過所編程序實現對鍵盤的重復掃描，從而可以彈奏多個音符的試驗目的。2.2 方案二8253的CLK0接1MHz時鐘，GATE0接+5V，OUT0接8255的PA0，K8跳線連接喇叭，使用匯編語言設計一個運行于計算機的電子

7、琴程序，程序應實現彈奏功能。其中彈奏：用戶每按一琴鍵彈奏相應音符；軟件預想功能為:按數字18為彈奏功能，按下即發出相應的音階。按鍵發音，當從鍵盤上敲擊18時，音響發出哆、唻、咪、發、嗦、啦、唏、唗的音節。對比方案一，其實兩個方案差不多，但是我對于8254不熟悉，所以最終決定此方案為我選擇的最佳方案，并附上本次設計的設計框圖如圖2-1所示：系統總線8255芯片鍵盤8253芯片揚聲器發聲圖2-1 設計框圖電子琴的設計實際上就是要設計一個程序，能夠通過該程序控制PC機內揚聲器的發聲規律，按下相應的按鍵后，揚聲器能發出指定頻率的聲音。PC機內的揚聲器是通過并行接口芯片8255和定時芯片8253來控制發

8、音的。在本次課程設計中，分析和確定程序總體設計目標：電子琴基本功能后，將總體目標確定為連接電路與編程來實現功能。程序設計的思路按以下順序進行：（1） 分析與確定程序總體設計目標；通過D/A轉換器產生摸擬信號，使PC機作為簡易電子琴。其總體原理圖如圖2-2所示：圖2-2 總體原理圖（2）按照電路圖連接實驗箱，如圖2-3所示：圖2-3 電路連接圖（3）編寫源程序，進行調試，包括： 發音部分功能實現由更件的連接形式可知，揚聲器的開斷是由8255的PB0和PB1以及8253通道2同時控制的，PB0和PB1同時為高電平時，揚聲器開，有一個為低電平時，揚聲器關斷，又知8255 B口地址為61H,

9、8253通道2地址為42H,控制口地址為43H。具體程序編寫5如下： 8253初始化程序段： mov al,10110110b ；選擇8253的通道2，并設置為工作方式3out 43h,al mov ax,bxout 42h,al ；將計數初值的低8位寫入計數通道mov al,ahout 42h,al ；將計數初值的高8位寫入計數通道開揚聲器程序段：in al,61h ;讀入B口數據or al,03h ;將PB0 和PB1置1out 61h,al ;將設置好的數據送回B口關揚聲器程序段：in al,61h ;讀入B口數據 and al,0fch ;將PB0 和PB1置0out 61h,a ;將

10、設置好的數據送回B口彈奏功能的實現 當按鍵為數字1-8時，選擇彈奏功能，通過對按鍵的判斷，求得其偏移地址，然后通過查表得其相應頻率值，再由上述計算計數初值的方法求得計數初值，然后將計數初值送人8253的通道2，最后調用發音子程序即實現彈奏功能。具體程序段如下：sub al,31h ;求偏移量 shl al,1 mov bl,al ;保存偏移量 mov bh,0 mov ax,num1 ;計算計數初值 mov dx,num2 div word ptrtab+bx mov bx,ax ;保存計數初值延時功能的實現當彈奏完音樂之后，調用延時子程序，音樂延時播放。具體程序段6如下：delay proc

11、 near ;延時子程序ccc:mov bx,offset timemov dx,io8253b ;置8253通道0為方式0工作mov al,10hout dx,almov dx,io8255b ;設8255A口輸入mov al,9bhout dx,almov al,num ;取相應的時間常數xlatmov dx,io8253aout dx,al ;向8253通道0輸出kkk:mov dx,io8255ain al,dx ;從8255A口讀一字節test al,01 ;判PA0口是否為1jz kkk ;若不為1,則轉KKKret ;子程序返回delay endp(1)對于一個特定的D/A轉換接

12、口電路CPU執行一條輸出指令將數據送入D/A即可在其輸出端得到一定的電壓輸出。給D/A轉換器輸入按正弦規律變化的數據,在其輸出端即可產生正弦波。對于音樂,每個音階都有確定的頻率，如表2-1所示： 表2-1 各音階標稱頻率表音階12345678頻率（單位：Hz）對應num取值（us)120106948979706359以 18 接 8255 的 A 口做為電子琴的鍵盤分別輸入哆、唻、咪、發、嗦、啦、唏、唗 的音，以 8255 的 B 口作為輸出。用 8253 定時器產生頻率控制揚聲器發聲。 以 8255 接八個開關18，做電子琴按鍵輸入。 以 8253 控制揚聲器，發出相應的音階。 要求：1發

13、哆的音 2發 唻的音 293.7Hz 3發咪的音 4發發的音 349.2Hz 5發嗦的音 392.0Hz 6發啦的音 7發唏的音 493.9Hz 8發唗的音(2)產生一個正弦波的數據可取32個（小于亦可），不同頻率的區別，可通過調節向D/A轉換器輸出數據的時間間隔,例如:發"1"頻率為,周期為，輸出數據的時間間隔為。定時時間可以由8253配合8255來實現。按下某鍵后發音時間的長短可以由發出的正弦波的個數多少來控制。3 設計原理及功能說明通過8255 和8253來實現電子琴模擬，主要可以分成兩部分，分別為輸入部分和發音部分。 輸入部分：主要是由8255 和8 個常開型開關來

14、完成。 發音部分：CUP 通過對定時器的通道2 進行編程，使其I/O寄存器接收一個控制聲音頻率的16位計數值，端口61H的最低位控制通道2門控的開斷，以產生特殊的音響。 當通道2用于發聲時，采用的是方式3，在方式3下，輸出線為“1”和為“0”的時間各占計數時間的一半，因而產生一系列間隔均勻的脈沖。從定時器輸出的方波信號，經功率放大和濾波后驅動揚聲器。送到揚聲器的信號還受到了從并行接口芯片8255（端口地址為61H）來的雙重控制，端口61H的最低位控制通道2的門控開斷，以產生特殊的音頻信號端口61H的PB1位和定時器的輸出信號同時作為與門的輸入，PB0和PB1位可由程序決定為0還是為1。顯然只有

15、PB0和PB1都是1時，才能使揚聲器發出聲音。控制音長的時間可以簡單地通過反復執行指令來得到。 3.1.1 8253簡介(1)基本介紹8253芯片是常用的可編程計數器，在微機中有著極其重要的作用。常用于事件計數器，單穩態觸發器，分頻器，方波發生器，硬件觸發的單脈沖發生器等。計數器/定時器8253包括3個獨立的16位計數器通道，而每個計數器都有6種工作方式，可以按二進制或十進制(BCD碼)進行計數。本文用到的是8253的方式3方波發生器來實現了簡易電子琴的設計。(2)工作原理8253芯片中有3個計數通道，稱為通道0,1,2，它們與外部電路相連的信號線有3根：CLK,GATE,OUT，CLK是脈沖

16、輸入端，GATE是門控信號，OUT是輸出信號，計數器工作在減1狀態。其內部結構圖，方式控制字格式，如圖3-1,圖3-2所示。其中當計數器工作在方式3時,輸出信號為方波信號。內部總線A1GATE0CLK0OUT0GATE1CLK1OUT1GATE2CLK2OUT2D0-D7計數器0計數器2計數器1控制寄存器A0數據總線緩沖器R/W邏輯電路圖3-1 8253內部結構圖D7D6D5D4D3D2D1D0計數器選擇00 計數器001計數器110 計數器211 不用00 計數器鎖存01 讀寫低8位10 讀寫高8位11 讀寫16位工作方式選擇000 方式0001 方式1×10 方式2×1

17、1 方式3100 方式4101 方式5計數方式0 二進制1 BCD計數圖3-2 8253控制字格式PC機內8253的通道0,通道1,通道2，控制口的端口地址分別為：40H,41H,42,43H。因為揚聲器是由通道2來控制的，故應選擇通道2，工作方式選為方式3，輸出的信號則為方波信號。(3)8253的工作方式3方波發生器其特點是：輸出為周期性的方波。若計數值為 N，則輸出方波的周期是 N 個 CLK 脈沖的寬度；寫入控制字后，輸出將變為高電平，當寫入計數初值后，就開始計數，輸 出仍為高電平； 當計數到初值的一半時， 輸出變為低電平， 直至計數到 0， 輸出又變為高電平，重新開始計數；若計數值為偶

18、數，則輸出對稱方波；如果計數值為奇數，則前（N+1）/2 個 CLK 脈沖期間輸出為高電平，后（N-1）/2 個 CLK 脈沖期間輸出為低電 平；GATE 信號能使計數過程重新開始，GATE=1 允許計數，GATE=0 禁止計數。 停止后 OUT 將立即變高電平，當 GATE 再次變高以后，計數器將自動裝入 計數初值，重新開始計數。3.1.2 8255簡介(1)基本介紹按功能可把8255分為三個邏輯電路部分。即：口電路、總線接口電路和控制邏輯電路。8255共有三個8位口，其中A口和B口是單純的數據口，供數據I/O使用。而C口則既可以作數據口，又可以作控制口使用，用于實現A口和B口的控制功能。

19、(2)工作原理8255的內部結構圖如圖3-3所示,它有3個數據端口,分為兩組，A組由A口和C口高四位組成，B組由B口和C口低四位組成。其方式控制字如圖3-4所示。圖3-3 8255內部結構圖圖3-4 8255方式控制字方式控制字的特征位D0D7D6D5D4D3D2D1 1 A組工作方式0 0方式00 1方式11 ´方式2B組工作方式0方式01方式1A口輸入/輸出1輸入0輸出PC7PC4輸入/輸出1輸入0輸出B口輸入/輸出1輸入0輸出PC3PC0輸入/輸出1輸入0輸出PC機內8255的A口，B口，C口和控制口的端口地址分別為：60H,61H,62H,63H。3.2 軟件3.2.1 設計

20、實驗總流程圖結合實驗指導書的程序，實現簡單的電子琴功能。電子琴主程序流程圖如圖3-5所示：開始鍵盤讀入一個字符是ESC鍵嗎？YNN返回DOS是數字18鍵嗎？Y求出音階值保存賦相應頻率值延時圖3-5 電子琴主程序流程圖3.2.2 設計子程序流程圖(1)發音子程序本子程序實現放音功能。首先從鍵盤讀出一個字符，判斷，如果是ESC鍵，返回DOS,如果不是，判斷，如果鍵碼不是18，即仍然處于音階輸入準備狀態，如果是，即求出音階值保存，取60次32個正弦波數據，播放32個數據，組成一個正弦波。播放60次后，然后判斷是否有按鍵，如果有就進入死循環，直到下次按鍵為止。在彈奏時都需調用發音子程序，發音子程序的作

21、用是控制揚聲器的發音，其流程圖如圖3-6所示：8253初始化開揚聲器延時關揚聲器返回圖3-6 發音子程序流程圖(2)彈奏子程序當按鍵為1-8時，調用演奏子程序。演奏子程序的流程圖如下圖3-7所示：查表得相應頻率計算計數初值返回調用發音子程序圖3-7 演奏子程序的流程圖(3）延時子程序當彈奏完音樂之后，音樂延時播放。延時子程序的流程圖如下圖3-8所示：取出音階值求出8253定時時間常數（計數器初值）8253初始化為方式0設置8253A口輸入PA0為1嗎？嗎？Y子程序返回 N圖3-8 延時子程序的流程圖4 調試與結果測試4.1 硬件調試利用實驗板上的8253計數/定時器和8255并行接口，定時器8

22、253利用工作方式3產生一定頻率信號，通過可編程的并行外圍接口芯片8255控制頻率信號的斷。8255的B口設置為輸出，8255的B口的低兩位用來控制揚聲器驅動，當輸出端口的PB0位為“1”或為“0”時，將使控制驅動器的與門電路接通或關閉使8253所發出的音頻信號能到達驅動器或被阻斷。這樣通過控制PB0的變化，可使揚聲器接通和斷開，控制揚聲器是否能發出聲音。此外，通過控制PB0的通斷時間，就能發出不同的音長。8255的PB1位為“1”時，控制8253定時器產生驅動揚聲器發聲的音頻信號，該位為“0”則不發信號。8253有三個定時器，分為0號、1號和2號定時器，驅動揚聲器的是2號定時器，該定時器工作

23、在方式3，是一個頻率發生器，它負責向揚聲器發送指定頻率的脈沖信號。當8255的PB0和PB1都為1時，8253發出指定頻率的聲音信號的前提下，聲音信號過與門到達驅動器驅動揚聲器發聲。連接簡易電子琴系統的電路圖如圖4-1所示圖4-1 電子琴系統的電路圖將實驗箱與微型計算機保持串口通訊成功。將匯編程序代碼輸入微型計算機進行硬件調試。4.2 軟件調試把彈奏功能的程序代碼輸入微型計算機；代碼：data segmentioportequ 0d400h-0280hio8253aequ ioport+280hio8253bequ ioport+283hio8255aequ ioport+288hio8255

24、bequ ioport+28bhio0832aequ ioport+290hdata1 db 80h,96h,0aeh,0c5h,0d8h,0e9h,0f5h,0fdh db 0ffh,0fdh,0f5h,0e9h,0d8h,0c5h,0aeh,96h db 80h,66h,4eh,38h,25h,15h,09h,04h db 00h,04h,09h,15h,25h,38h,4eh,66h;正弦波數據time db 120,106,94,89,79,70,63,59;發不同音時8253的計數器初值msg db 'Press 1,2,3,4,5,6,7,8,ESC:',0dh,0

25、ah,'$'num db ?;num為8253計數器初值的序號data endscode segment assume cs:code,ds:datastart:mov ax,datamov ds,axmov dx,offset msgmov ah,9int 21h ;顯示提示信息sss:mov ah,7int 21h ;從鍵盤接收字符,不回顯cmp al,1bhje exit ;若為ESC鍵,則轉EXITcmp al,31hjl ssscmp al,38hjg sss ;若不在'1'-'8'之間轉ssssub al,31hmov num,al

26、;求出相應的時間常數的序號mov cx,60 ;取60次32個正弦波數據ddd:mov si,0lll:mov al,data1si;取正弦波數據mov dx,io0832aout dx,al;放音call delay ;調延時子程序inc sicmp si,32;是否取完32個數據jl lll;若沒有,則繼續loop ddd;總循環次數60是否完,沒有,則繼續jmp sssexit:mov ah,4chint 21hdelay proc near ;延時子程序ccc:mov bx,offset timemov dx,io8253b ;置8253通道0為方式0工作mov al,10hout d

27、x,almov dx,io8255b ;設8255A口輸入mov al,9bhout dx,almov al,num ;取相應的時間常數xlatmov dx,io8253aout dx,al ;向8253通道0輸出kkk:mov dx,io8255ain al,dx ;從8255A口讀一字節test al,01 ;判PA0口是否為1jz kkk ;若不為1,則轉KKKret;子程序返回delay endpcode endsend start與硬件相結合進行修改調試,運行程序后，顯示如下界面,等待輸入字符，如圖4-2所示：圖4-2 運行界面從鍵盤上敲擊18時，音響發出哆、唻、咪、發、嗦、啦、唏、

28、唗的音節，則調試成功。如表4-1所示：表4-1 測試表 測試方案 測試結果啟動程序，出現按鍵提示，按下18鍵機內/實驗儀發出相應的音階改變開關狀態，按18鍵對應發出相應的音階“彈琴”發出優美旋律按下ESC鍵退出程序5 總結在為期一周的微機原理課程設計中，我學會了制做項目的一般步驟。第一部是硬件設計主要是實現控制對象與被控制對象之間的聯系。第二步就是軟件設計，就是要完成各個可編程芯片與CPU之間的數據傳送和各個進程的邏輯順序。在本次設計中對硬件要求就要熟練掌握可編程器件8255A和8253的應用。對軟件設計就要熟練掌握匯編語言。由于時間限制的問題和硬件的局限性也只能將電子琴的功能簡易化。另外,我

29、從中學到了許多從課本上學不到的東西,鍛煉了自己編程的能力,最后程序運行時能夠實現目標，我感到很有成就感，從中也獲得了很多樂趣，當然，最重要的是加深了我對課本理論知識的理解。當剛看到這個課設題目時，我感到無從下手，因為我都不知道PC機的內部具體結構，從理論課上只是了解了CPU的結構和工作原理，以及幾個接口芯片的工作原理，還有匯編語言的一些基本指令。但我沒有被嚇到，我冷靜下來思考后，發現其本質就是控制PC機內揚聲器的發音，通過查閱資料我了解了PC機內揚聲器的電路連接形式，發現它是由接口芯片8255和8253共同控制的，8255的PB0作為8253通道2的門信號，而8255的PB1和8253通道2的

30、輸出相與后的信號作為揚聲器的驅動信號，了解了其內部接線方式后，思路也就有了，要想讓揚聲器發聲，8255的PB0和PB1必須同時為高電平，其中之一為低電平時，揚聲器就不能發聲，而發聲的音調則可通過改變8253的計數初值來實現，接下來的任務就是通過編程來控制8255和8253，從而間接地控制揚聲器的發聲規律，而8255和8253這兩個接口芯片在理論課上都已介紹過，對其工作原理和編程方法都有一定的了解，看到這些熟悉的內容時，我淡定了很多。有了思路之后，我并沒有急著寫程序，因為我懷疑是不是每臺PC機的揚聲器接線方式都是這樣的，所以我開始只編了一段控制揚聲器發音的程序，來看看程序運行時揚聲器到底發不發音

31、，結果發聲了，這讓我很驚喜，也很有動力，更加激發了我的興趣，接下來我就開始編寫實現指定功能的程序了，首先是最簡單的彈奏功能，通過對按鍵的判斷來發出相應頻率的聲音，因為要判斷按鍵，所以很自然地就想到了CMP指令，在計算計數初值時，因為要用到相應音符的頻率，所以需要將按鍵轉換為音符的頻率，我開始想用書上常見的XLAT換碼指令7，但AL存放的數最大為128，很明顯容量不夠，于是我采用了基址+變址的尋址方法，在編程的過程中，由于要程序實現多個功能，所以用子程序的結構會比較方便，需要完成某個功能時，只需調用相應子程序就可以了，這樣會使得程序的結構清楚明了。在完成基本功能后，我還試著加上一些附加功能，比如

32、延時，變調，通過我的不斷嘗試，終于把延時功能實現了，但變調功能沒能像預期的那樣。總之，這次課程設計讓我學到了許多從課本上學不到的知識，加深了對理論知識的理解，激發了我對匯編語言的興趣。上理論課時，只是老師講，我們聽，那些指令讓我感到很枯燥，因為不知道它到底有什么作用，而這次課程設計剛好把這些指令應用到了實際中來，加深了對各種指令功能的理解，最后功能實現時，感到很有成就感，覺得匯編語言很神奇，激發了我對它的興趣。參考文獻1專著.M.北京.清華大學出版社，20043專著.李芷.微機原理與接口技術M.電子工業出版社,2002 4專著.宋杰等.微機原理與接口技術課程設計M.機械工業出版社,20055專

33、著.小捷. 匯編語言程序設計（第二版）M.西安電子科技大學出版社,20036專著.錢曉捷.匯編語言程序設計(第二版)M.電子工業出版社,20037專著.楊立,鄧振杰等.微型計算機原理與接口技術（第二版）M.中國鐵道出版社,2006 附錄1：總體電路原理圖附錄2：元器件清單(1)計時器8253(2)并行控制器8255A(3)實驗臺 附錄3：源代碼data segmentioportequ 0d400h-0280hio8253aequ ioport+280hio8253bequ ioport+283hio8255aequ ioport+288hio8255bequ ioport+28bhio0832