基于8253电子音阶设计的实践教学研究

李 娜

宿州学院机械与电子工程学院，安徽宿州，234000

定时/计数器8253可对脉冲信号进行处理，是《微机原理与接口技术》课程中需要学生学以致用的芯片之一。教师一味地按照课本讲解芯片的内部结构、工作原理以及程序设计，学生不免感觉到枯燥乏味。若能将知识结合生产生活中的实际应用，则能激发学生学习的兴趣，更好地实现教学目标。8253应用广泛，可作为实时时钟、方波信号发生器、计数器、分频器等使用[1]。此外，8253输出的信号还可以驱动扬声器发声，在视觉和听觉的双重感受下，学生兴致浓厚，实践教学效果更好。本文采用8086CPU作为核心控制元件，利用8253生成不同频率的信号驱动扬声器发出不同音阶的声音，通过编程和按键演奏音乐，学生可以快速掌握8253的原理和应用。

1 设计原理

要使扬声器发出不同的音阶，就得输入不同频率的信号。通过给定时/计数器8253送入不同的初值，可以从输出端得到不同频率的波形，经过放大器LM386的放大作用，便可驱动扬声器发出不同的音阶。音阶声音的持续时间可以通过软件延时程序实现。PC机的1～7某一按键被系统检测到，系统驱动对应子程序使扬声器输出对应的音阶。该设计的原理框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 8253定时/计数器

Intel 8253是采用NMOS工艺制成的可编程定时/计数器，管脚图如图2所示[2]。8253的24个管脚分为三类，其中与外设相连的通道管脚是该芯片区别8255、8251芯片的重要特征。这一类管脚又分为三组，分别为通道0、通道1、通道2。每组通道有三条信号线:CLK、OUT、GATE。其中外部事件或定时脉冲由CLK输入，计数值减为0时从OUT输出，控制计数器工作的外部信号从GATE输入。

图1 原理框图

图2 8253管脚图

8253可以工作在三组通道中的任一个，且有6种工作方式、4种通道读写操作可供选择[3]。根据具体需要可对8253设置控制字，以确定其选择通道、工作方式、读写操作方式等。8253的控制字格式如图3所示[4]。

D7D6D5D4D3D2D1D0SC1SC0RL1RL0M2M1M0BCD

图3 8253控制字格式

本设计选择通道1、工作方式3、只读写低8位字节、采用二进制计数制，所以8253的方式控制字为：10010110B(96H)。8253初始化时，将56H送至8253的控制口地址。

表1 各音阶的频率及计数初值

计数初值的计算也是考察学生掌握8253编程的重要知识点。将计数初值送至通道2的CLK端，计数器则对其进行递减计数，进而生成一定频率的方波。该设计的电子音阶DO、RE、MI、FA、SOL、LA、SI对应的频率和计数初值见表1。

2.2 音频模块

定时计数器生成的方波从OUT端输出，驱动扬声器发出该频率对应的音调[5]。音频模块结构图如图4所示[6]。

图4 音频模块

2.3 硬件整体结构

硬件整体结构图如图5所示。8086作为核心控制器件，地址数据线AD0～AD7通过地址锁存器74LS373分离出地址线A0～A7。其中A0、A3、A4作为74LS138译码器的输入端，输出端Y2,Y4分别作为8255、8253的片选信号。8255为8086扩展出三组I/O口，其中PA口连接7个按键，代表音阶1(DO)～7(SI)。当8086检测到某一按键被按下，则8086送相应的初值给8253，由8253产生具有一定频率的信号送往扬声器，进而产生对应的音阶。

图5 硬件整体结构

3 系统软件设计

系统软件设计结构如图6所示。关键代码如下[7]：

(1)8253初始化

MOV AL,96H

MOV DX,TIM_CTL

OUT DX,AL

图6 系统程序流程图

(2)等待有键按下，散转进入各种循环

MOV AH,08H

INT 21H

BG0: MOV AH, AL

CMP AL, '1'

JZ DO

MOV AL,AH

CMP AL, '2'

JZ RE

……

(3)各音阶子程序

DOO: MOV DX,TIMER0

MOV AL,24H

OUT DX,AL

CALL DELAY

MOV DX,TIMER0

MOV AL,0

OUT DX,AL

CALL DELAY

CALL STOPV

JMP GOON

REE:……

(4)软件延时

DELAY PROC NEAR

PUSH AX

PUSH CX

MOV AX,800H

DELAY0: MOV CX,08FFFH

LOOP $

DEC AX

CMP AX,0

JNE DELAY0

POP CX

POP AX

RET

DELAY ENDP

4 结 语

基于8253的电子音阶设计，可以让学生从硬件和软件编程上快速掌握8253的基本原理和应用[8]。在实践教学中，学生对编程实现电子音阶兴趣浓厚，在学习理解DO子程序时，可以自行编写RE、……XI的子程序。该电子音阶设计实际上也是一种简易的电子琴设计。学生在自己设计的电子琴上弹奏简单的音乐，更能体会到学习《微机原理与接口技术》的实用性、乐趣性。该设计有助于学生探索该学科的有效学习方法，在培养学生动手能力的同时，也激发了学生的创新性。部分学生尝试将该设计拓展为含低音、中音、高音部分的电子音阶设计，也有同学编写简单歌曲对应的程序，并通过扬声器演奏出来。

参考文献：

[1]彭虎,周佩玲,傅忠谦.微机原理与接口技术[M].北京:电子工业出版社,2010:170-171

[2]成怡,宋丽梅,修春波.《微机原理及应用》的仿真教学模式研究[J].科技信息,2013(4):181

[3]周明德.微机原理与接口技术[M].北京:人民邮电出版社,2007:200-210

[4]刘迎澍,金文,陈曦,等.面向实践的“微机原理及应用”教学探索[J].实验室科学,2013,16(1):166-167

[5]卢清平,苏守宝.《微机原理与接口》课程的教学思考与实践[J].实验科学与技术,2012,10(2):94-96

[6]龙祖强,张登玉,许岳兵,等.微机原理与接口技术的实验教学现状与改革[J].软件导刊,2011,10(12):193-194

[7]贺杰,何高明,郭慧.微机原理与接口技术理论和实验教学改革的探索[J].梧州学院学报,2012,22(3):86-88

[8]郭福洲.《微机原理与接口技术》课程教学设计[J],电子世界,2012(2):74-75