基于FPGA的电子琴设计课程设计Word下载.docx

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1引言1

2VHDL简述及应用2

2.1VHDL简述2

2.2VHDL的应用2

3FPGA的简述3

3.1FPGA的介绍3

3.2FPGA的整体结构3

3.3Altera公司的FPGA3

4电子琴演奏系统设计原理分析4

4.1电子琴演奏设计的基本要求4

4.2电子琴演奏原理4

4.3音名与频率的关系5

4.4控制音长的节拍发生器6

5电子琴硬件演奏电路的层次化设计方案8

5.1按键控制模块8

5.2自动演奏模块8

5.3自动播放控制模块9

5.4数控分频模块设计9

5.5数码管译码显示10

5.6音频驱动模块10

结论11

致谢12

参考文献13

附录114

附录215

1引言

我们生活在一个信息高速发达的时代，各种各样电子产品层出不穷。

对于广大老百姓来说，电子琴可以说已经不再是什么“新鲜玩意”了，它现在作为一种休闲和娱乐的产品早就推出市面，面向百姓，进入了我们的生活。

作为一个电子信息科学与技术专业的学生，了解这些电子产品的基本的组成和设计原理是十分必要的，我们学习过了计算机组成的理论知识，而我所做的课程设计正是对我学习的理论进行实践和巩固。

本设计主要介绍的是一个用超高速硬件描述语言VHDL设计的一个具有若干功能的简易电子琴；

集科学性，先进性，创新性，实用性于一体，其理论基础源自于计算机组成原理的时钟分频器。

2VHDL简述及应用

2.1VHDL简述

VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,诞生于1982年。

于1983年由美国国防部（DOD）发起创建，由IEEE进一步发展并在1987年作为“IEEE标准1076”发布。

从此，VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。

2.2VHDL的应用

VHDL是IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）标准的硬件描述语言，是现代电子系统设计的首选硬件设计计算机语言。

1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展了VHDL的内容，公布了新版本VHDL，即IEEE1076-1993。

现在，VHDL与Verilog一样作为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到ＥＤＡ公司的支持，在电子工程领域已成为事实上的通用硬件描述语言。

3FPGA的简述

用EDA设计的音乐演奏电路主要用到了现场可编程门阵列（FPGA）。

3.1FPGA的介绍

现场可编程门阵列（FPGA）在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些功能块，来实现一定的逻辑功能。

3.2FPGA的整体结构

FPGA在结构上包含三部分：

可编程逻辑块CLB、可编程输入输出模块IOB和可编程内部连线PI。

（1）可编程逻辑块CLB

CLB是FPGA内的基本逻辑单元。

3.3Altera公司的FPGA

Altera公司的FPGA器件采用钢铝布线的先进CMOS技术，具有非常低的功耗和相当高的速度，而且采用连续式互连结构，提供快速的、连续的信号延迟。

FPGA器件有两类配置下载方式：

主动配置方式和被动配置方式。

主动配置方式由FPGA期间引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程，而被动配置方式则由外部计算机或控制器控制配置过程。

4电子琴演奏系统设计原理分析

4.1电子琴演奏设计的基本要求

（1）设计一种以FPGA为控制核心的电子琴的设计方案，该方案通过编写有关程序和各种用户参数的设置，实现采用自顶向下的模块化设计方法，基于FPGA使用VHDL语言设计制作一个电子琴控制系统，自动演奏模块、音阶发生器模块、数控分频模块。

通过本设计，正确掌握数字系统的模块划分、并能自如应用硬件描述语言描述各模块功能，以实现系统设计。

以VHDL语言和MAX+PLUSII为工具，在EDA实验系统主板上，实现了地铁自动售票系统。

系统划分为几个功能模块，分模块进行分析和设计，系统给出相应的设计原理图和VHDL源程序，通过仿真实现预定的功能。

（2）该控制电路设计部分主要包括自动演奏模块、音阶发生器模块、数控分频模块、显示功能模块，通过自主研发程序实现各电路模块功能，在实际运用中可以及时对钱币处理延时时间及数量进行监控与调整从而提高质量和速度，实用性强。

4.2电子琴演奏原理

声音的频谱范围一般在几十到几千赫兹，利用程序来控制FPGA芯片某个引脚输出一定频率的矩形波，接上扬声器就能发出相应频率的声音。

乐曲演奏电路的结构框图如图4.1所示：

喇叭

驱动模块

数控分频输出模块

按键输入

显示模块

手动播放控制模块

图4.1电子琴演奏电路结构方框图

4.3音名与频率的关系

根据乐曲的12平均率规定计算出简谱中从低音l至高音1之间每个音符的频率。

如表4.1所示：

表4.1简谱中的音名与频率的关系

音名

频率/Hz

低音1

261.63

中音1

523.25

高音1

1046.50

低音2

293.67

中音2

587.33

高音2

1174.66

低音3

329.63

中音3

659.25

高音3

1318.51

低音4

349.23

中音4

698.46

高音4

1396.92

低音5

391.99

中音5

783.99

高音5

1567.98

低音6

440

中音6

880

高音6

1760

低音7

493.88

中音7

987.76

高音7

1975.52

由乐理知识可知，对电子琴声音的操作即对音乐频率以及音乐持续时间的操作。

整体采用一个基准频率，基准频率经各个分频器产生的频率不应与简谱中各个音调的频率差别太大，基频太低则误差太大，基频太高则分频器过于复杂，因此因综合各方面考虑。

由于简谱中最高音不超过2k,取所有音的最小公倍数便可。

但人耳的精度，故只要保证各音名的相对频率不变即可。

由

可得各个音色的分频系数。

采用N位的分频器的话，则初始化时计数器的值应为：

本实验采用12M时钟频率，预先进过16分频，为减少偶次谐波，展宽脉冲，在扬声器之前要进过一个2分频电路，故可得下表：

表4.2谱中的音名与计数初值的关系

初始值

612

1342

1689

770

1409

1728

909

1478

1763

973

1510

1779

1090

1569

1808

1195

1621

1834

1288

1667

1857

注：

对于音乐中的休止符，其分频系数设为0，初始值设为2^N-1即可（此处为2047）。

4.4控制音长的节拍发生器

该演奏电路演奏的乐曲是“梁祝”片段，其最小的节拍为1拍。

在音乐中，时间被分成均等的基本单位，每个单位叫做一个“拍子”或称一拍。

拍子的时值是以音符的时值来表示的，一拍的时值可以是四分音符（即以四分音符为一拍），也可以是二分音符（以二分音符为一拍）或八分音符（以八分音符为一拍）。

故设置一个4Hz的时钟，每一次计数停留的时间为0.25s，即最小节拍。

并经一个二进制计数器进行计数，将计数器的值作为ROM的地址进行寻址，这样便可以读出储存在ROM中的乐谱了。

表4.1“梁祝“音阶

　　　　　　　　　　　　　　　图4.2Rom模块

5电子琴硬件演奏电路的层次化设计方案

根据层次化的设计思路，可把乐曲硬件演奏电路分为3块，自动演奏模块，手动播放控制模块，数控分频模块。

5.1按键控制模块

此模块实际为一个查表模块，对于不同的按键输入，从表中读取相应的分频值及计数器初始化值，由节拍发生器决定其停留时间，改变节拍可改变演奏音符延时长短，将其输出给数控分频器，即可得到相应的声音。

其VHDL程序见附录2

仿真波形：

图5.1按键波形

图5.2AUTO键按下波形

5.2自动演奏模块

此模块有4个控制输入信号。

Auto键，手动/自动模式切换按键。

Back，倒退播放按键。

Song，歌曲选择按键。

Pause，暂停按键，与控制播放速度的d1,d0连接，通过一与门接入此模块，当d1,d0为11时，pause输入为1，此时此模块无输入脉冲（DVF模块阻止了脉冲），若不加处理，此时将一