简易电子琴课程设计QUARTUS制作.docx
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简易电子琴课程设计QUARTUS制作
可编程逻辑期末设计
题
学
目：
简易电子琴制作院：
信息工程学院
年
级：
2009
级
完成时间：
2012年2月27日
1、课程设计目的..........................................................................................................................3
可编程逻辑期末大作业-简易电子琴设计
2、课程设计要求..........................................................................................................................3
2.1、基础部分..........................................................................................................................3
2.2、发挥部分..........................................................................................................................3
3、设计（课程）基本内容..........................................................................................................4
3.1、EDA技术/VHD语言.............................................................................................................4
4、电子琴设计原理及过程..........................................................................................................5
4.1、设计规划..........................................................................................................................5
4.2、基础部分原理..................................................................................................................5
4.3、简易电子琴的设计流程..................................................................................................5
5、课程设计的程序模块..............................................................................................................6
5.1、乐曲演奏模块（PS2SCAN）...............................................................................................6
5.1.1、模块说明......................................................................................................................6
5.1.2、乐曲演奏模块文本程序..............................................................................................7
5.2、音调发生模块................................................................................................................11
5.2.1、模块说明....................................................................................................................11
5.2.2、音调发生模块文本程序：
........................................................................................12
5.3、数控分频模块................................................................................................................13
5.3.1、模块说明....................................................................................................................13
5.3.2、数控分频模块文本程序............................................................................................14
5.4、音符存储模块................................................................................................................17
5.4.1、模块说明....................................................................................................................17
5.4.2、音符存储模块的源程序............................................................................................17
6、顶层模块设计........................................................................................................................19
6.1、模块说明........................................................................................................................19
6.2、顶层模块文本程序........................................................................................................20
6.3、综合设计原理图（完善）............................................................................................22
7、系统程序仿真和编译............................................................................................................22
7.1、程序编译........................................................................................................................22
7.1.1、编译过程....................................................................................................................22
8、设计中遇到问题以及设计小结............................................................................................25
8.1、遇到的问题（分析）..................................................................................................25
8.2、设计小结（总结）........................................................................................................26
可编程逻辑期末大作业-简易电子琴设计
1、课程设计目的
1）利用数控分频器设计一个电子琴硬件电路和音乐发生器，设计达到演奏时可以选择是手演奏（键盘输入），或自动演奏已存入的乐曲，并且能自动演奏。
2）巩固和运用所学课程，理论联系实际，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立
工作能力，通过对一个简易的14音符电子琴的设计，进一步加深对计算机原理以及数字
电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、制作与调试的方法和
步骤。
巩固所学课堂知识，理论联系实际，提高分析、解决计算机技术实际问题的独立
工作能力。
为了进一步了解计算机组成原理与系统结构，深入学习EDA技术，用VHDL语言去控制将会使我们对本专业知识可以更好地掌握。
3）提高学生对eda软件实践操作能力和工程设计能力，对eda技术和fpga应用的相关
知识进行了系统的介绍，内容包括eda技术的基本知识，fpga的基本原理，quartusii的
使用方法与使用技巧，主流硬件描述语言vhdl的语法规则介绍及实例说明，常用的控制或通信功能模块的设计方法实例，以及采用vhdl语言描述的fpga综合实例。
2、课程设计要求
2.1、基础部分
1）当键盘输入123456789abcde是对应响应的频率
2）演奏时在8段数码管显示对应音符
2.2、发挥部分
3）具有存储功能存储20个音符
4）当键盘上某一个键（如v）时，自动重放存储区音符
可编程逻辑期末大作业-简易电子琴设计
3、设计（课程）基本内容
内容包括eda技术的基本知识，fpga的基本原理，quartusii的使用方法与使用技巧，
主流硬件描述语言vhdl的语法规则介绍及实例说明，常用的控制或通信功能模块的设计
方法实例，以及采用vhdl语言描述的fpga综合实例设计。
本书由浅入深，从易到难，既让初学者轻松入门，又让有经验的设计者得到有价值的参考信息。
3.1、eda技术/vhd语言
随着基于cpld的eda技术的发展和应用领域的扩大与深入，eda技术在电子信息、通
信、自动控制用计算机等领域的重要性日益突出。
EDA技术就是以计算机为工具，设计者
在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编
译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、
逻辑映射和编程下载等工作。
EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。
利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作
可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。
此次设计主要是基于vhdl文本输入法设计乐曲演奏电路，运用vhdl语言对简易电子
琴的各个模块进行设计，并使用eda工具对各模块进行仿真验证。
该系统基于计算机中
时钟分频器的原理，采用自顶向下的设计方法来实现，通过按键输入来控制音响或者自
动演奏已存入的歌曲。
系统由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块三个部
分组成。
系统实现是用硬件描述语言vhdl按模块化方式进行设计，然后进行编程、时序
仿真、电路功能验证，奏出美妙的乐曲（当然由于条件限制，暂不进行功能验证，只进
行编程和时序仿真）。
该设计最重要的一点就是通过按键控制不同的音调发生，每一个音调对应不同的频率，从而输出对应频率的声音。
可编程逻辑期末大作业-简易电子琴设计
4、电子琴设计原理及过程
4.1、设计规划
根据系统设计要求，系统设计采用自顶向下的设计方法，它由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块，存储模块四部分组成
4.2、基础部分原理
本课程设计目的在于灵活运用eda技术编程实现一个简易电子琴的乐曲演奏，它要求
在实验箱上构造一个电子琴电路，不同的音阶对应不同频率的正弦波。
按下每个代表不同音阶的按键时，能够发出相对应频率的声音。
故系统可分为乐曲自动演奏模块
（ps2scan）、音调发生模块（tonetaba）和数控分频模块（speakera）三部分。
4.3、简易电子琴的设计流程
根据系统设计要求，系统该系统基于计算机中时钟分频器的原理，设计采用自顶向
下的设计方法，通过按键输入来控制音响或者自动演奏已存入的歌曲。
它由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块三部分组成。
用vhdl语言设计电路的流程：
1.使用文本编辑器输入设计源文件。
2.使用编译工具编译源文件：
vhdl的编译语言。
3.功能仿真。
4.综合。
综合的目的是在于将设计的源文件由语言转换为实际的电路。
这一部分最终目的是生成门电路级的网表（netlist）。
5.框图布局、布线。
这一步的目的是生成用于编程文件。
先将各个设计中的门根据
网表的内容和器件的结构放在器件的特定部位。
然后，在根据网表中提供的各门的连接，把各个门的输入输出连接起来。
6.编译完成，下载。
可编程逻辑期末大作业-简易电子琴设计
5、课程设计的程序模块
5.1、乐曲演奏模块（ps2scan）
5.1.1、模块说明
乐曲自动演奏模块的作用是产生14位发生控制输入信号。
当进行自动演奏时，由存储在此模块的8位二进制数作为发声控制输入，从而自动演奏乐曲。
该模块的vhdl源程序主要由3个process（clk）工作进程组成，第一个
process（clk）的作用是根据键盘输入（自动演奏）的值（0或1）来判断计数器count以及脉冲clk的输出值。
部分源程序如下：
process（clk）
begin
--工作进程开始
ifclk'eventandclk='1'then
—时钟输入信号为1
kbclkreg<=kbclk;
kbclkfall<=kbclkregand（notkbclk）;
endif;
endprocess;
当确定了时钟信号输出的值后，在第二个process中就可以由它控制14位发声控制
输入信号了。
即disp的值为时，count为1。
最后的process（clk）便是由前两个
process所确定的count、kbclk和键盘输入信号值kbdata将8位的二进制数转化为音符信号的输出，达到自动演奏的目的。
部分源程序如下：
process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
casekbcoderegis--由计数器从0到15的取值判断音符信号的8位二进制数
可编程逻辑期末大作业-简易电子琴设计
when"00001011"=>disp<="0001";
when"10001111"=>disp<="0010";……
该模块最主要的用途就是将输入二进制数转化为发声控制输入，是产生音符的重要步骤，ps2scan模块的源程序符号编辑图如图
图5-1-1：
ps2scan模块的符号编辑
在此程序中自动模块输出的音符数据，经过翻译后将输出到数控分频模块为其提供分频系数的初始值，
5.1.2、乐曲演奏模块文本程序
--程序名称：
ps2scan.vhd
--程序功能：
采用vhdl语言编程产生14位发声控制输入信号
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.numeric_std.all;
entityps2scanis
port
（
clk,kbclk,kbdata:
instd_logic;-系统时钟信号/键盘输入演奏信号/键盘输入信号disp:
outstd_logic_vector（3downto0）;--音符显示信号（时钟输出）
auto:
outstd_logic----音频信号（键盘输入信号）
endentity;
architecturertlofps2scanis
signalkbclkreg,kbclkfall:
std_logic;
可编程逻辑期末大作业-简易电子琴设计
signaldatacoming:
std_logic:
='0';
signalcnt:
integerrange0to9;
signalshiftdata,kbcodereg:
std_logic_vector（7downto0）;---输入8位控制信号
signaldelay:
std_logic:
='0';
signalcount:
integerrange0to10000;--定义信号计数器，10000个信号元素begin
process（clk）
begin
--工作进程开始
ifclk'eventandclk='1'then
kbclkreg<=kbclk;
kbclkfall<=kbclkregand（notkbclk）;
endif;
endprocess;
process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then--键盘输入为1
ifkbclkfall='1'anddatacoming='0'andkbdata='0'thendatacoming<='1';
cnt<=0;
elsifkbclkfall='1'anddatacoming='1'then
ifcnt=9then
ifkbdata='1'thendatacoming<='0';
endif;cnt<=0;
kbcodereg<=shiftdata;
else
shiftdata<=kbdata&shiftdata（7downto1）;
cnt<=cnt+1;
可编程逻辑期末大作业-简易电子琴设计
endif;
endif;endif;
endprocess;process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
casekbcoderegis--由计数器从0到15的取值判断音符信号的8位二进制数when"00001011"=>disp<="0001";
when"10001111"=>disp<="0010";
when"00010011"=>disp<="0011";
when"00010010"=>disp<="0100";
when"10010111"=>disp<="0101";
when"10011011"=>disp<="0110";
when"00011110"=>disp<="0111";
when"00011111"=>disp<="1000";
when"00100011"=>disp<="1001";
when"00001010"=>disp<="1010";
when"10001110"=>disp<="1011";
when"10010010"=>disp<="1100";
when"10010110"=>disp<="1101";
when"00010110"=>disp<="1110";
when"10011010"=>disp<="1111";
whenothers=>disp<="0000";
endcase;
endif;
endprocess;
process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
可编程逻辑期末大作业-简易电子琴设计
casekbcoderegis
when"00001011"=>delay<='1';
when"10001111"=>delay<='1';
when"00010011"=>delay<='1';
when"00010010"=>delay<='1';
when"10010111"=>delay<='1';
when"10011011"=>delay<='1';
when"00011110"=>delay<='1';
when"00011111"=>delay<='1';
when"00100011"=>delay<='1';
when"00001110"=>delay<='1';
when"00011001"=>delay<='1';
when"10010000"=>delay<='1';
when"00010001"=>delay<='1';
when"10010010"=>delay<='1';
when"10011010"=>delay<='0';
whenothers=>delay<='0';
endcase;
endif;
ifclk'eventandclk='1'thencount<=count+1;
elsenull;
endif;
ifcount=1000anddelay='1'then
count<=0;
auto<='1';
elseifcount
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