基于PSoC 的觸摸屏電子琴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳巖　朱曉梅

摘要：該文介紹了一種基于可編程片上系統(tǒng)（PSoC）的觸摸屏電子琴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)利用單片機(jī)的定時器中斷實(shí)現(xiàn)的電子琴系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)使用低成本低功耗的PSoC4作為主控芯片，利用片內(nèi)提供的高精度PWM模塊進(jìn)行頻率控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化、低能耗化、高精度化，在此基礎(chǔ)上還具有易學(xué)易玩的特性，可替代普通電子琴完成演奏工作。經(jīng)過實(shí)物測試，該系統(tǒng)樂音純正且攜帶方便，頗具應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PSoC4；觸摸屏；電子琴；PWM；嵌入式

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）13-0213-02

Abstract：The design of electronic organ system with touch screen is presented in this paper， which is based on Programmable System on Chip （PSoC）.The system which is far different from the traditional method depending on timers interrupt the MCU provides， select the low-cost and low-power consuming PSoC4 as CPU.Benefiting from that the high precision PWM module PSoC4 integrated internally is used to control the frequency of electronic organ， the system is distinguished for its mini-type ， low-power and high-accuracy. In addition to the excellent feature above， the system is accessible to learn and enjoy easily and replace average electronic organ to accomplish meritorious performance. Hardware test shows the system is of great value due to the pure musical quality and portable convenience.

Key words： PSoC4； touch screen； keyboard； PWM； embedded

鋼琴一直以來被視為高雅藝術(shù)的代名詞，然而鋼琴昂貴的價(jià)格使得很多音樂初學(xué)者望而卻步。使用價(jià)格低廉的集成電路的普通電子琴雖然實(shí)現(xiàn)了彌補(bǔ)了聲學(xué)鋼琴價(jià)格昂貴的不足，但是一般電子琴的塑料琴鍵容易磨損，且體積較大不易攜帶。除此之外，傳統(tǒng)的電子琴系統(tǒng)大多利用單片機(jī)的定時器中斷實(shí)現(xiàn)對輸出波形的控制，多次中斷造成的累計(jì)誤差不可控制最終在輸出級形成一定程度的波形頻率誤差。近年來隨著觸屏智能手機(jī)的大規(guī)模推廣，觸摸逐漸成為了現(xiàn)代人生活中常用的輸入手段。本文提出了一種基于PSoC4平臺的觸摸屏電子琴系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了PSoC4平臺處理速度快、控制效果好、編程效率高、硬件能耗低的特性，采用了片內(nèi)自有的高精度PWM模塊對輸出波形進(jìn)行頻率控制，實(shí)現(xiàn)了低成本高音質(zhì)的觸摸演奏功能。與傳統(tǒng)電子琴按壓物理按鍵不同，觸摸屏電子琴只需用戶動動指尖輕輕按壓即可實(shí)現(xiàn)演奏，從而大大降低了電子琴損壞的可能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由PSoC4主控芯片模塊、觸摸顯示屏模塊、蜂鳴器模塊三個模塊以及各自的外圍電路組成，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)加電后并完成對應(yīng)模塊的初始化工作后，PSoC4控制顯示驅(qū)動在LCD顯示屏上顯示電子琴琴鍵作為用戶界面。當(dāng)檢測到用戶觸摸屏幕后，觸摸控制器開始工作，利用內(nèi)置的A/D完成觸摸位置坐標(biāo)采樣，并將采樣信息回傳給PSoC4。PSoC4處理采樣信息得到位置坐標(biāo)，并檢測坐標(biāo)所屬琴鍵區(qū)域，將琴鍵對應(yīng)音符的周期信息裝入PWM控制器，在指定GPIO口輸出占空比為50%的方波以驅(qū)動無源蜂鳴器，使得無源蜂鳴器發(fā)出對應(yīng)頻率的聲音信號并維持一段時間。一次觸摸演奏結(jié)束后，再循環(huán)檢測等待下一次屏幕被觸摸的信號。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1PSoC4內(nèi)部資源配置

PSoC即可編程片上系統(tǒng)（Programmable System on Chip），是由美國Cypress公司提供的一套高度整合的嵌入式解決方案。常見的SoC系統(tǒng)需要預(yù)先設(shè)計(jì)好電路，再由指定工廠進(jìn)行生產(chǎn)，但是定制費(fèi)用高、設(shè)計(jì)周期長且需要設(shè)計(jì)者具有豐富的電路知識。而PSoC由于其內(nèi)部整合了大量數(shù)字和模擬核，吸收了FPGA現(xiàn)場可編程門陣列和ispPAC在系統(tǒng)可編程模擬電路的優(yōu)點(diǎn)，只需配合專用的PSoC Creator集成開發(fā)環(huán)境可以由用戶根據(jù)需要迅速完成系統(tǒng)的定制，極大地提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期。

本系統(tǒng)選用的PSoC4是PSoC家族的最新成員，性能上介于PSoC3和PSoC5之間，具有比PSoC3更為先進(jìn)的32位ARM Cortex-M0架構(gòu)，又具有比PSoC5能耗更低、芯片體積更小的特性。本系統(tǒng)使用的CY8C4245芯片屬于PSoC4的入門級芯片，價(jià)格上更具優(yōu)勢。

本系統(tǒng)配置使用的PSoC4內(nèi)部資源包括：1組8位控制寄存器、1個PWM脈沖寬度調(diào)制器、1個邏輯低電平發(fā)生器、1個時鐘發(fā)生器以及17個數(shù)字信號輸出引腳和2個數(shù)字信號輸入引腳，具體配置情況如圖2所示。PWM控制器是本設(shè)計(jì)使用到的PSoC內(nèi)部中最為重要的模塊，PSoC4通過改變PWM控制器的周期可以輕松實(shí)現(xiàn)對方波波形頻率的調(diào)整。在進(jìn)行配置前需要根據(jù)計(jì)算選擇合適的時鐘輸入從而調(diào)整PWM控制器的周期范圍。

2.2觸摸屏模塊

本系統(tǒng)使用分辨率為240*320的TFT-LCD液晶屏作為用戶界面顯示器。其內(nèi)部集成有系統(tǒng)所需的顯示驅(qū)動芯片和觸摸控制芯片。利用PSoC4的GPIO口與顯示驅(qū)動芯片建立通信，將系統(tǒng)所需的琴鍵界面信息由PSoC4的8位并行控制寄存器寫入液晶屏顯示驅(qū)動芯片的數(shù)據(jù)寄存器，再由顯示驅(qū)動芯片內(nèi)部自動寫入數(shù)據(jù)，最終在液晶屏上顯示出7個音調(diào)的白鍵以及5個半音調(diào)的黑鍵。用戶通過觸摸屏幕，經(jīng)觸摸控制器內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器將觸摸所得的電壓信號轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)信號，方便PSoC4微處理器執(zhí)行按鍵區(qū)域判斷。

2.3蜂鳴器模塊

為了降低成本，縮小系統(tǒng)尺寸，本系統(tǒng)使用小功率蜂鳴器作為樂音輸出單元。由于PSoC4的GPIO口電流較小，不足以驅(qū)動蜂鳴器工作，必須使用一個PNP三極管作為開關(guān)控制蜂鳴器的通斷。三極管基極通過一個大電阻與PSoC4的GPIO口相連，當(dāng)GPIO口輸出高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作。

2.4硬件電路搭建

完成系統(tǒng)總體框圖和相關(guān)模塊分析后，將觸摸屏模塊和蜂鳴器模塊與PSoC4模塊連接，完成系統(tǒng)硬件電路的搭建，最終設(shè)計(jì)的總體電路圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Cypress 公司針對PSoC的特點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)了PSoC Creator開發(fā)工具。在PSoC Creator集成開發(fā)環(huán)境中，片上資源均提供了對應(yīng)的API程序供選用，如需額外實(shí)現(xiàn)程序邏輯可以使用C語言編程，設(shè)計(jì)完成后可以進(jìn)行線上調(diào)試而且能隨時中斷程序的運(yùn)行。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用PSoC Creator3.0集成開發(fā)環(huán)境，相關(guān)程序利用C語言進(jìn)行編寫。

程序邏輯設(shè)計(jì)：利用顯示驅(qū)動顯示電子琴琴鍵，根據(jù)按下位置的坐標(biāo)匹配觸摸位置所在區(qū)域，將該區(qū)域?qū)?yīng)的音符的周期寫入PWM控制器，使其控制蜂鳴器發(fā)出對應(yīng)的樂音。在取得觸摸位置坐標(biāo)的過程中，為了盡可能地排除各類可能的干擾，需要進(jìn)行軟件帶通濾波和平均化處理。

具體實(shí)現(xiàn)流程：程序首先完成各硬件的初始化，之后顯示電子琴的12個琴鍵，待琴鍵顯示完成后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)中不斷查詢筆中斷引腳的狀態(tài)，檢測到有觸摸信號產(chǎn)生后，利用觸摸控制芯片完成A/D轉(zhuǎn)換，之后由SPI串行外圍設(shè)備接口將采樣值傳入PSoC4。進(jìn)行軟件帶通濾波及平均化處理，得到觸摸時刻的位置坐標(biāo)，再匹配該坐標(biāo)所屬按鍵區(qū)域。匹配成功后，利用寫周期函數(shù)向PWM控制器模塊裝入對應(yīng)琴鍵周期數(shù)據(jù)，通過輸出的方波控制無源蜂鳴器完成樂音演奏。一次演奏完成后，無條件跳轉(zhuǎn)等待下一次觸摸。對應(yīng)的程序算法流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析

系統(tǒng)PSoC4的片內(nèi)硬件資源部署以及相關(guān)軟件程序的下載和調(diào)試通過PSoC5 LP編程調(diào)試器完成。與以往的PSoC芯片必須使用MiniProg3編程器離線下載程序不同，PSoC4通過PSoC LP編程器可以實(shí)現(xiàn)PSoC Creator在線下載與調(diào)試。以PSoC5 LP為核心的編程調(diào)試器的一端通過SWD串行線調(diào)試接口與PSoC4通信，另一端通過MiniUSB接口與計(jì)算機(jī)建立聯(lián)系。只需在PSoC Creator中執(zhí)行Program命令完成程序下載與編譯，然后執(zhí)行Debug命令進(jìn)入調(diào)試模式，直到硬件軟件均符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯。

在低分貝的安靜環(huán)境中，將本系統(tǒng)輸出的樂音以無損格式錄音，通過計(jì)算機(jī)取得各樂音的實(shí)際頻率和誤差值，詳細(xì)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出由該系統(tǒng)生成的樂音頻率誤差極小，最大誤差不足萬分之一，在人耳容忍范圍內(nèi)，完全可以滿足實(shí)際使用的要求。在攝氏25度環(huán)境下連續(xù)彈奏30分鐘，系統(tǒng)無不穩(wěn)定現(xiàn)象，蜂鳴器溫度有上升，但仍在安全溫度內(nèi)，此時樂音頻率尚無明顯變化。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，解決了普通電子琴體積過大和容易損壞的特點(diǎn)，同時順應(yīng)了觸摸輸入的趨勢，采用了PSoC4平臺后更大大降低了系統(tǒng)的能耗，而且提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。通過實(shí)物測試證明該系統(tǒng)的確是準(zhǔn)確可靠的。

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