论文总字数：29342字

摘 要

近年来随着人民生活水平的不断提高，越来越多的人选择在闲暇时间学习乐器来丰富自己的业余生活。在数字化时代的今天，电子琴作为当下常见的音乐学习演奏器材，能够很好的模拟声学钢琴的音色，然而一般的塑料琴键电子琴却具有易磨损和体积较大不便移动的不足。本文旨在设计出一种小体积易携带演奏乐音纯正且不易磨损可玩性高的触摸屏电子琴，从而可以在日常生活中方便的学习电子琴演奏，达到易玩易学、寓教于乐的目的。本设计方法主要利用PSoC4作为主控芯片，利用电阻式触摸屏实现人机交互，最终通过录放音芯片实现音频的输出，实现了触摸屏幕上对应琴键完成钢琴演奏输出的功能，同时额外配置了录放音系统，可以实现最长1分钟的录放音。在本文提出的设计中，重点分析了处理高效、配置灵活、能耗较低的PSoC4片上可编程系统作为主控芯片的强大优势，作为用户接口实现人机交互的触摸屏的高效性，以及附加的录放音功能的实用性。本文设计的系统实现采用软硬结合联调联试的方式，正文部分从内容上细分为硬件配置和软件设计两部分。硬件部分详细论证了各模块的实现原理、器件选型和参数配置，软件部分仔细分析了系统功能的实现逻辑、控制思路及算法流程。整个系统的设计以Cypress公司最新推出的PSoC4片上可编程系统为中心，通过触摸屏接收用户指令，经PSoC4处理后使用高精度的PWM控制器输出对应频率的方波，最后在扬声器端输出音频。得益于PSoC4的高速处理能力和优异的能耗控制，使得本文设计的系统在用户随身携带的前提下，只需动动指尖就能实现音色纯正的电子琴演奏和录放音输出。实物测试结果表明该系统乐音频率精度误差小于万分之七，具有较高的应用价值。

关键词：PSoC4 PWM 电子琴 触摸屏 录放音

Design and Implementation of PSoC4-Based Multipurpose Electronic Organ System with Touch Screen

Abstract

With the continuous improvement of people’s living standards this years, more and more people choose to study instrument to enrich their lives in their spare time. In the digital era, electronic organ which is one of the most popular music equipment for people to learn for playing, is able to simulate piano very well, but the plastic keys electronic organ use usually are not very concrete and inconvenient for moving. The design provides a small volume, easy to carry and convenient to use touch-screen electronic organ which is easy for learning electronic piano, to achieve the purpose of entertaining. The design chooses PSoC4 as the process unit, the touch screen to realize man-machine interaction, the output is achieved by recording speaker by press the virtual keys on touch screen. At the same time the system can record for one minute. This design analyzes the advantages of PSoC4, touch screen and record function. This system includes hardware and software. The hardware part demonstrates the implementation of the principle, device selection and configuration parameters, the software part analyzes the control logic and algorithm of system function. The design is based on PSoC4, with touch screen receiving the user instructions, the PWM controller output the certain frequency of square wave or read out from the recording chip, the final wave is output by audio speaker. The physical test results show the tone frequency accuracy of the system is better than seven ten thousandths which means that the design has high value in our daily lives.

Key Words: PSoC4; PWM; Electronic Organ; Touch Screen; Record

目 录

摘 要 I

Abstract Ⅱ

第一章 引言 1

1.1设计简介 1

1.2设计内容 2

1.3论文结构 3

第二章 方案论证 4

2.1 主控芯片选择 4

2.2 触屏模块选择 5

2.3 录放音芯片选择 6

第三章 硬件设计 8

3.1 系统原理框图设计 8

3.2 系统主要元器件介绍 8

3.2.1 CY8C4245主控芯片 8

3.2.2 ILI9325显示控制芯片 11

3.2.3 XPT2046触摸控制芯片 12

3.2.3 ISD1760录放音芯片 13

3.3 系统模块电路设计 14

3.3.1 PSoC4内部资源配置 14

3.3.2 PSOC4与触摸屏模块连接电路设计 17

3.3.3 PSOC4与录放音模块连接电路设计 18

3.4 硬件设计小结 19

第四章 软件设计 20

4.1 主程序算法流程分析 20

4.2 子程序算法流程分析 21

4.2.1 模块初始化子程序设计 21

4.2.2 键位显示子程序设计 22

4.2.3 屏幕触摸状态子程序设计 24

4.2.4 坐标读取子程序设计 24

4.3 软件设计小结 30

第五章 系统调试 31

5.1 程序生成与系统调试 31

5.2 系统制作与实物测试 33

总结 35

参考文献 36

附录 37

致谢 41

第一章 引 言

1.1 设计简介

电子琴作为一种时下常见的音乐学习与演奏器材，可以较好的模仿声学钢琴的音色，最重要的一点是其价格低廉的特性，使得在非专业场合得到了很好的利用。而常见的电子琴由于受成本限制往往使用工程塑料制成的物理按键，在按键损坏后就无法继续使用。所以在设计时就需要针对电子琴的高维护成本做出改进。随着以智能手机为代表的智能终端的飞速发展，触摸技术近年来得到了大规模推广与使用。将触摸技术引入能大大降低由大量弹奏造成的物理按键故障的几率，及时完全故障更换一块小型触摸集成芯片的价格也远比修复物理按键带来的人工成本低的多。不仅如此，触摸技术又能增强电子琴系统的可玩性，使得原本枯燥无味的音乐学习变得更富有乐趣。

单片机作为最常见的MCU在工业控制领域得到了最大程度的应用，然而常见的Intel公司提出的8051内核单片机只有8位位宽，而且自身频率低，机器周期长，造成处理速度较慢，直接导致在处理多次定时器中断过程中形成累积误差。这部分误差在工业控制领域往往可以忽略，而在电子琴设计时却必须考虑在内，因为频率的误差大小直接影响输出乐音频率的准确性，在输出级增加功放及扬声器单元后乐音往往不再纯正。同时其供电部分需要5V DC持续供电，系统的功耗较大。近些年诞生的ARM Cortex架构微处理器能够较好的解决以上问题，而且在此基础上诞生的以arduino为核心的众多开源项目提供了大量的范例，为我们解决单片机的精度问题提供了较好的解决方案。

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