单片机谱曲基于I2C总线多步进电机实验平台的开发|技术文档|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

基于I2C总线多步进电机实验平台的开发

摘要 ：描述了基于I2C总线多步进电机平台的设计，介绍了I2C总线通信协议的特点，给出了I2C总线在1片主MSP430G2553和8片从MSP430G2553之间数据传输程序流程图和整个平台的硬件结构框架，完成了基于I2C总线的单主多从通信，最终实现了对多路步进电机的控制。

0 引言

I2C总线是两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备，是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少、控制方式简单、器件封装形式小、通信速率较高等优点。本文介绍一种利用I2C总线协议，通过单主多从模式，利用1段音频信号控制8个单片机实现不同方向、速率的转动。

1 I2C总线技术

1.1 I2C总线接口

本文所用的芯片主要为TI公司的MSP430G2553芯片，其中的I2C模式是通过USCI_Bx模块来进行配置的，本文主要应用了USCI_B0模块[1]。在I2C模式中，USCI通过两线式I2C串行总线提供了MSP430与I2C兼容器件的连接。外部器件串行依附在I2C总线上，通过2-线I2C接口为USCI模块发送数据或从USCI接收数据。如图1所示，I2C总线由时钟线SCL和数据线SDA构成，在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA上的电平被拉低（即负跳变），为I2C的开始信号[2]。在时钟线SCL保持高电平期间，数据线SDA被释放，是I2C的终止信号。

如图2所示，进行数据传送时，在SCL呈现高电平期间，SDA上的电平必须保持稳定，只有在SCL为低电平期间，才允许SDA上的电平改变状态。

关于传输速度，I2C总线在标准模式最高为100 kb/s，高速模式最高为400 kb/s。

1.2 I2C总线数据传输

I2C总线传输数据必须遵循规定的数据传输格式[2]，主机给每个数据传输位产生一个时钟脉冲，I2C模式对数据位进行操作。在主机设置好I2C为发送模式后，USCI模块会检测总线是否可用，产生START条件。本文中将音频信号依据频率分为8段，并且每段对应不同的从机地址，如此便可依据不同频率将音频信号发送给不同的从机。I2C模式支持7位和10位寻址模式[3]，本文运用了7位寻址模式。如图3所示，在7位寻址模式中，第一个字节是7位从机地址和R/W位。接收器在每个字节结束后发送ACK位。

所有挂到I2C总线的外围器件各自都有一个唯一确定的地址[2]。任何时刻总线上只有一个主控器件对总线实行控制权，分时实现点对点的数据传送。I2C总线上所有外围器件都有规范的器件地址，器件地址由7位组成，它和1位方向位（R／W）构成了I2C总线器件的寻址字节SLA，格式如图4所示。

其中高4位（A6、A5、A4、A3）是I2C总线外围接口器件固有地址编码，器件出厂时已固化好。A0~A2是对从机分配的不同地址，本文中MSP430G2553的高4位为0100[1]，一共可以挂接8个单片机。而最低位R/W为数据方向位，当R/W为0时，主机发送数据，当R/W为1时，主机接收数据。本文中主机只用于发送数据，故R/W位一直为0。本文中的8个从机地址分别为：40H、42H、44H、46H、48H、4AH、4CH和4EH。

故总线上的数据传输过程[4]是：（1）主控制器发送开始信号S；（2）主控制器发送芯片寻址字节；（3）从器件发出应答信号ACK；（4）主控制器发送数据寻址字节；（5）发送者发送数据，接受者接收数据；（6）主控制器发送停止信号P终止数据传输。其流程图如图5所示。

2 I2C的系统硬件结构

图6是本文所研究平台的整体框图，在此系统中8个从机对应8种不同音符频段，分别控制8个电机的转速。系统的主要功能是通过PC由MATLAB对给定音频进行编码[5]，产生单片机可用的曲谱编码，然后通过串口将所产生的编码发送给主MSP430G2553，主机在寻址时先判断编码范围，然后通过I2C总线寻址相应的从机，并向被寻址的MSP430G2553发送相应的音频编码。从机将所接收到的音频编码作为定时器的定时周期，利用定时器产生相应的脉冲信号，从而驱动电机转动。

为实现单主多从单片机MSP430G2553之间的通信，将主机I2C总线上的SCL（P1.6）和SDA（P1.7）分别与从机的SCL（P1.6）和SDA（P1.7）相连接，并且在VCC与SCL、SDA两个信号之间分别接上10 k?赘的上拉电阻，如图7所示。由此从机的P1.6就成了时钟接收端，P1.7为数据接收端。通过编程将主机发送的数据送入Buff，从机通过读Buff中的数据将其实时转换为频率改变的方波，并通过P1.5口将其发送给电机驱动器，从而实现控制步进电机的功能。

3 I2C单主多从通信

首先将USCI模块初始化，使主机/从机可以进行接收/发送操作，初始化过程如下[6]：将USCI中软件复位位UCSWRST置位来初始化所有的USCI寄存器，配置P1.6和P1.7分别为I2C的SCL端口和SDA端口，通过UCMST和UCMODEx选择I2C模式和主机或从机模式。然后通过置位UCSEEL_2来选择主机时钟为SMCLK （1 MHz），并将主时钟12分频为100 kHz作为主机中的SCL时钟[1]。上述模块初始化完成后，清除UCSWRST，释放USCI，使能发送中断。

对于主发送模块，初始化之后需要把从地址设置为7 bit，再将目标从地址写入寄存器UCB0I2CSA中。本系统将所给的音频信号按照频率分为8段，每段对应不同的从机地址，使主机通过判断与不同的从机地址相匹配。初始化完成后通过置位UCRT和UCTXSTT，使主机工作在发送模式并产生一个起始条件。当地址读入UCB0I2CSA中后，硬件会自动识别并找到与之相对应的从机，一旦地址匹配则UCSTTIFG置位，主机进入LPM0模式并且触发中断，将要发送的数据写入UCB0TXBUF中，当从机地址被应答时UCTXSTT位即刻清零。本文中将音频信号装入数组中，当所有数据发送完毕后产生一个STOP条件，并将UCB0TXIFG清零同时退出低功耗模式。图8为主机发送模式流程图。

对于从接收模块，由于要对主机中读取的数据进行处理，本文中选用定时器A将其数据转换为对应的脉冲波，从而达到控制电机的目的。因此需要先将定时器A初始化[7]，为了不影响主机中SMCLK，本文使定时器A工作在ACLK时钟下。随后将其USCI模块设置为I2C接收模式，并且无需设置USCI时钟。一旦从设备中UCB0RXBUF接收到的新数据被读走，从设备即发送一个应答信号给主设备，然后开始下一个数据的接收。定时器A将接收到的数据通过定时器中断产生频率改变的方波，并通过P1.5口输出，从而控制步进电机依据音频信号的不同频率来变速转动。图9为从机接收模式流程图。

4 结论

本文介绍的I2C总线单主多从通信系统占用I/O资源少，功耗低，传输速率高，能够以较高性能控制步进电机随音乐转动。从实验结果来看，主从单片机可以通过该总线系统进行非常可靠的通信，进而可在各个领域取得广泛应用。

参考文献

[1] MSP430x2xx Users′ guide[Z].2004.

[2] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 贾朱红，张晓冬.基于I2C总线的单主多从单片机之间的通信[J].微计算机信息，2009（8）：101-102.

[4] 邓忠华，李霞，陈浩.I2C总线技术在单片机串行扩展中的应用[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2005（2）：227-229，247.

[5] 孙金中，冯炳军.基于I2C总线控制的音频处理电路设计[J].现代电子技术，2009（18）：85-88.

[6] 吴小平，李莉，何鑫，等.I2C总线及其数据通信编程[J].微计算机信息，2000（2）：11-13.

[7] 陈光建，贾金玲.基于单片机的I2C总线系统设计[J].仪器仪表学报，2006（S3）：2465-2466，2472.

你可以不了解知网，但是要知道双排键！

双排键电子琴是时代科技的产物，随着科技的进步与发展，双排键电子琴新的演奏方法与演奏形式随之出现，新的形势要求音乐教育也要跟随时代的步伐，不断创新发展双排键电子琴音乐的新的教学方法和教学理念。

双排键电子琴的起源及目前发展状况

双排键电子琴最早起源于上个世纪30年代的美国，在1950年前后，经过第二次世界大战的洗礼，世界各国都在逐渐愈合战争的创伤，战后的复兴成为各国主要的任务，在这个时候日本的簧风琴和钢琴的生产才逐渐步入正轨，并同时推出第一台双排键电子琴；但受当时的经济与科技的发展程度的影响，双排键电子琴还不算成功，直到1959年电子琴、管风琴才开始销售，但销售的数量很少。直到1980年前后，伴随着经济高速发展,大型乐器（钢琴、双排键电子琴）的需求增大，曾创下日本年销售双排键电子琴20万台的纪录，随之进入电子键盘乐器的时代。2000年前后大型键盘乐器的需求明显减少，键盘乐器从整体上看，全部转移到电子键盘乐器上。

作为双排键电子琴的发源地之一，日本一直走在双排键电子琴领域的最前沿，1986年开始，日本的YAMAHA就在附近的几个地区设立日本电子乐器教育研究会，高等教育机构也增加了电子琴管风琴专业。发展到现在YAMAHA涉古电子管风琴城每年举行超过300场的歌曲、钢琴协奏曲等公开的演出、音乐会，曾经的电子琴管风琴已经让人刮目相看了，产生大量的专门为其创作的整套音乐作品，同时一些音乐团体和音乐大学的活动互为影响、互为促进，为双排键电子琴未来的不断发展确定了新的方向。

我国双排键电子琴的发展

上世纪80年代初，电子键盘乐器开始引入我国，随着改革开放，单排键电子琴在我国曾风靡一时，有人曾指出，“由于最廉价的电子琴与最廉价的钢琴之间较大价格落差，也由于单排键电子琴教学的表面高效，使得很多家长在为其孩子选择乐器时，更多的是从低廉和速成的角度去考虑问题，而不是乐器本身的特点。受到这种教学理念的主宰，教学向技能训练严重倾斜，而轻视培养学生对于音乐的理解和表现力。”可以说由于时机尚未成熟，虽然有了单排键电子琴热，但中国却没有电子键盘音乐。80年代中后期，从YAMAHA音乐振兴会和中央音乐学院、上海音乐学院、天津音乐学院共同创办的“YAMAHA高级立式电子琴师资培训班”开始，我国涌现出几十名双排键电子琴演奏国际资格的教师，促进了电子键盘事业的发展。1990年沈阳音乐学院创立了第一个双排键电子琴本科专业，中国双排键电子琴教育领域实现了学科专业起步，到今天全国四十余所专业院校和综合大学的艺术系都相继成立了双排键电子琴专业，中国进入了一个双排键电子琴事业高速发展的时代。

双排键电子琴专业的发展

因为双排键电子琴专业是随着经济的发展与进步而共同进步的，它的目标指向了将来的音乐和教育，所以随着社会的发展，双排键电子琴的发展也会同社会科学技术紧密联系在一起，具有时代的特性，并随时代发展而发展。

1.网络键盘

随着社会互联网的高速发展与进步，ADSL已经不再是一个高贵的名词，光纤也进入了千家万户。一个人如果还在一个没有互联网的世界那他就如同独居在沙漠中一样，E-mail的出现让传统的邮递业务受到了前所未有的冲击。虚拟空间让人们真正感受到了知识的爆炸，未来的互联网将渗透到每一个人的生活当中，并且成为获取信息的主要来源之一，那么未来的双排键电子琴也应该是一个能够连接网络并带有计算机功能的乐器，通过互联网不仅可以实现软件的更新与共享，更能将作品通过互联网公布出去，让大家互相学习、共同进步。告别闭门造车、孤军奋战的时代，甚至可以通过互联网让远在天南地北的两个人共同完成一首乐曲的演奏。随着科技的不断进步，音源采集更加的自然、逼真，同时它不仅能够模仿各种原生乐器的音色还能模仿一些假想的音色，它无限的音乐模仿能力也可以通过互联网快速的传播，同时也应该成为未来志向的乐器。

通过这些可以看出，未来的双排键电子琴已经不再是一件单独的乐器，它将成为一个真正的网络键盘。

2.混合式管弦乐队

所谓的混合式管弦乐队就是指双排键电子琴的声音与原声乐器的声音通过电子放大声音乐器的混合协作演出。在中国目前的高校中，由于学生专业的限制，有些高校学生的专业不能满足管弦乐队的现状，混合乐队的出现就有了很强的现实意义。虽然目前在国内，双排键电子琴参与的演出并不多，但是它已经在演出中表现出了非常强的融合性和逼真音响效果。让所有的观众为之震撼，同时能够节省很大的开支和人力，音乐的形式变化更加地宽广，变化丰富。而且用途广泛，现在在北京的婚礼现场到加拿大的教堂中都可以看到双排键电子琴的身影，它不仅能够为歌剧的演出和流行音乐的演出伴奏，还能为协奏曲完成伴奏任务，也同样能完成独奏任务。用途更加广泛成为双排键电子琴的又一个发展方向。

3.教育专业化、综合化

由于双排键电子琴中使用了从打击乐到钢琴、古钢琴等上百种鲜活的声音，所以不能用“计算机乐器”来形容双排键电子琴了。对于这样复杂的乐器在展开教学的时候，不仅仅要采用钢琴的演奏方法，还有范围更大、更多的内容需要专门学习。也就是说，管弦打击乐的奏法、键盘乐器的训练、作编曲、合唱指挥等这些全部由一个人来完成，并且还要有专业水准。但考虑到目前我国音乐院校的现状，双排键电子琴专业指导教师只能是双排键电子琴老师，再加上各种演奏技法的专家，只有通过各种技能的训练，才能以各种形式的指导达到最佳的状态。所以针对新型双排键电子琴的专门指导法进行研究，才有可能培养出与原生乐器时代不同的、拥有更广阔音乐能力的新一代音乐家。

4.双排键电子琴并不是原生乐器的终结者，而是它们有益的朋友

随着电子乐器的发展，有人会认为电子乐器的发展最终会取代所有的原生乐器，最后统一到电子乐器一统天下的局面。如果你也这样想那就是大错特错了，虽然双排键电子琴的音源可以模仿出很多原生乐器的声音，但有一个明确的动词需要我们注意，那就是“模仿”。虽然它的模仿可以达到以假乱真的程度，但是它并不能取代原生乐器。因为原生乐器的演奏技法特殊性、声音唯一性让它们在整个的乐器演奏中表现出了特殊的味道和内涵，这让以模仿它们的双排键电子琴无法超越。但是双排键电子琴的操作简便、声音丰富也为原生乐器创造了丰富的效果，为更好地体会原生乐器的味道创造了条件。

双排键电子琴的发展对教育领域的影响

1.培养方式的变化

按照传统观念，双排键电子琴属于器乐的范畴，因此我国各音乐院校都按器乐或乐器音乐表演专业给双排键电子琴专业定位，并且因多种形式上的键盘结构，而将它与钢琴、手风琴专业并归，只有少数的院校按其即兴创作、电声特征将它归入现代音乐、电子音乐或流行音乐系科。双排键电子琴作为新兴乐器和新生器乐专业，与传统乐器与传统器乐专业有很大差异，在发展方向、内容与重点上应有所不同。它需要键盘训练、指挥训练、乐器法等多方面的能力，所以要培养一个专业演奏型人才还要很多的专业学科配合完成，要打破学科的界限，广泛地涉猎各乐器学科的多方面知识才能掌握在双排键电子琴上模仿其他乐器的真正演奏方法。强调“乐器适用与功能开发”与“作曲技术与理论”“键盘演奏技术”三专业相结合。因为单纯作为一个演奏员来讲，如果没有一定音乐素养，必然不知道创作者需要什么声音，演奏者需要什么功能。必要的计算机软件和单片机的程序设计也是必不可少的，物理合成技术的知识也是必备的。他们的任务是不断完善这种新型乐器，提升它的性能，使它的生命力更加完美，从而演奏出更美好的音乐。这种人才实行院际的交叉培养方式非常适合我国现在的音乐院校采用。

2.培养目标的变化

双排键电子琴的专业定位决定了它与传统乐器专业的培养目标有所不同。传统乐器专业主要培养演奏家、教师、研究阐释者。双排键电子琴的培养目标最合理的应是集演奏家、指挥家、作曲家、技巧开发者、技术研究改进者多位一体的复合型人才，这是双排键电子琴本身即专业发展阶段所赋予的使命。以钢琴为例，在16世纪产生以来的漫长过程中，在很多的作曲家、演奏家、技巧开发者与制作者共同努力下，钢琴音乐的创作与技巧都有很大的改进，更有数不清的音乐家的作品、改编曲目充实了钢琴文献。贝多芬、巴赫等名家也集作曲家、指挥家、演奏家、技巧开发者和乐器专家于一身。其他器乐创建初期也有类似现象，所以正视双排键电子琴的发展阶段，我们不能沿袭钢琴目前的培养目标，否则会影响专业的成长发展使之未老先衰，培养的学生也会沦为贫乏的演奏匠。

3.发展的动力和基础

双排键电子琴的产生与发展基础的动力是现代技术和反映当代思潮的流行音乐，尽管它的卓越性能可以胜任西方古典音乐的表演，但是应面向未来，而不是面向过去。它的任务是创建自己的一片天地而不是繁荣光大古典音乐。一味地应和古典音乐势必会限制乐器功能的开发和奏法技巧更新，也忽视了电子乐器的创作、即兴演奏等特长，有违于双排键电子琴音乐人才的培养目的与使命。所以双排键电子琴应该是反映时代的特点并与时代发展共同进步的乐器，它将站在时代的最前列，成为新时代的弄潮儿。

双排键进入我国整整25个年头了，作为一门新兴学科，还有很长的路要走，它必将促进我国音乐教育，更新音乐教育理念，向更好的方向发展，为以人为本的音乐教学添砖加瓦。