基于FPGA电子琴.docx

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基于FPGA电子琴

江西理工大学应用科学学院

EDA课程设计报告

设计题目：

设计者：

学号：

班级：

完成时间：

设计报告

用户板

软件设计

答辩

（20）

平时

（20）

总评

格式（10）

内容（10）

检测

（5）

绘图（15）

程序（10）

调试情况（10）

摘要

文中介绍了电子琴系统的整体设计,并基于超高速硬件描述语言VHDL在Xilinx公司的SpartanⅡ系列的2sc200PQ208-5芯片上编程实现.

电子琴系统的设计包含四个模块,分别是控制输入电路、FPGA、显示电路和扬声器电路。

其中FPGA模块的设计是整个电子琴系统设计的核心内容。

四个模块的有机组合完成了电子琴自动演奏的功能。

文中还详细介绍了FPGA功能模块的原理及其工作时序仿真图。

本产品的特点是成本较低，性能稳定，精度高，有一定的开发价值。

DesignofElectronics_orgonsystembasedonFPGA

Abstract:

Itwillintroducetheintegratedesign—electronics_orgonsystembasedonFPGA.Thedesignwillbeachievedinthe2sc200—5pq208chipofXilinxcorporationwiththeVHDL（VeryHigh-speedDescription-Language）

ThedesignofElectronics_orgonSystemconsistof4parts,theyarecontrolinputcircuit、FPGA、displaycircuitandspeakercircuit.TheprogramdesignofFPGAisthecoreofthesystemdesign.Fourpartscombinedtoachievetheautomaticplayelectronics_orgonsystem.thearticleilluminatesthedetailofthebasiclawofFPGAmoduleandit’sworkingtimingcharacteristics.Sincethemostspecialtyoftheproductisit’slowcost、highprecision,it’sworthdeveloping.

Keyword:

FPGAVHDLElectronics_orgonsystem

Automaticplay

摘要……………………………………………………………………1

目录……...……………………………………………….2

第一章系统设计……...……………………………………………4

第一节设计要求……...…………………………………………….

1.1基本部分

1.2发挥部分

第二节设计思路……...…………………………………

整体设计方案…...…………………………………

3.1方案一…...…………………………………

3.2方案二…...…………………………………

3.3方案三…...…………………………………

第四节比较方案…...…………………………………

第二章FPGA简介6

第一节FPGA背景

第二节FPGA的基本原理

2.1MHZ_generator模块的原理

2.2NoteTabs模块的原理

2.3ToneTaba模块的原理

2.4Speakera模块的原理

第三节FPGA的基本特点

第四节FPGA基本结构

第三章单元电路设计.…………..………………………………10

第一节顶层模块（top）的设计………………………………………………

第二节自动演奏模块（automusic）的设计………………………

第三节音调发生模块（tone）的设计……………………………

第四节数控分频模块（speaker）的设计……………………………

第四章PS2键盘控制电子琴程序

第一节VHDL语言简介12

第二节软件设计………………………………………………………

第五章总结心得13

第六章参考文献…..……………………………………………14

第七章附录…..……………………………………………………15

第一章系统设计

第一节设计要求

1.1基本部分

设计一八音电子琴，由键盘输入来控制其对应的音响。

1.2发挥部分

设计一乐曲自动演奏器，由用户自己编制乐曲存入电子琴，电子琴可以完成自动演奏的功能。

第二节设计思路

通过可编程逻辑器件（PLD）和VHDL硬件描述引言来实现电子琴的基本部分和发挥部分的设计。

对于基本部分，设计的主体是数控分频器，对输入的频率进行分频，得到各个音阶对应的频率最为输出。

对于发挥部分，则在原设计的基础上，增加一个乐曲存储模块，代替了键盘输入，产生节拍控制（index数据存留时间）和音阶选择信号，即在此模块中可存放一个乐曲曲谱真值表，由一个计数器来控制此真值表的输出，而由此计数器的计数时钟信号作为乐曲节拍控制信号，从而可以设计出一个纯硬件的乐曲自动演奏电路。

通过可编程逻辑器件（PLD）和VHDL硬件描述引言来实现电子琴的基本部分和发挥部分的设计。

对于基本部分，设计的主体是数控分频器，对输入的频率进行分频，得到各个音阶对应的频率最为输出。

对于发挥部分，则在原设计的基础上，增加一个乐曲存储模块，代替了键盘输入，产生节拍控制（index数据存留时间）和音阶选择信号，即在此模块中可存放一个乐曲曲谱真值表，由一个计数器来控制此真值表的输出，而由此计数器的计数时钟信号作为乐曲节拍控制信号，从而可以设计出一个纯硬件的乐曲自动演奏电路。

第三节整体设计方案

3.1方案一:

采用数字逻辑电路制作，用IC拼凑焊接实现，这种电路很直观，简单方便。

但应用数字逻辑电路制作的话，使用的器件较多，连接复杂，体积大，功耗大。

电路中焊点和线路较多会,使成品的稳定度和精度大大降低。

3.2方案二:

采用现场可编程逻辑器件（FPGA）制作，利用EDA软件中的VHDL硬件描述语言编程进行控制，然后烧制实现.采用FPGA来设计的原理图如图1.1所示.它由控制输入电路、FPGA、显示电路和扬声器电路组成。

图1.1采用FPGA设计的电子琴原理方框图

控制输入电路主要是为用户设计的,起到一个输入控制的作用.FPGA是现场可编程逻辑器件,也是本设计方案的核心内容,它是实现电子琴运作的主要控制模块.由设计者把编好的VHDL程序烧制到现场可编程逻辑器件FPGA中,然后通过控制输入电路把乐谱输入到FPGA,产生不同的频率驱动扬声器,发出不同的乐谱.同时也把发出的乐谱符号通过显示器输出.

3.3方案三:

单片机现在已经达到很成熟的阶段了,它的应用也十分广泛.采用单片机来实现电子琴,它的原理方框图与用FPGA来实现的原理方框图类似,如图1.2所示.

图1.2采用单片机实现电子琴的原理方框图

图1.1和图1.2的基本原理都相同,唯一不同的是一个是用FPGA来制作一个是用单片机来实现.采用单片机来实现电子琴,主要的核心是单片机的设计.

第四节比较方案

对于电子琴的设计,三个方案均可以实现,但是第一个方案中采用的是数字逻辑电路来制作,该电路硬件所需的器材多,体积庞大,比较复杂,而且精度和稳定度都不是很高.第二个方案采用的是现场可编程逻辑器件来实现,它的优点是所有电路集成在一块芯片上，此方案所需的外围电路简单,这样它的体积就减少了，同时还提高了系统的稳定度。

还可以用ModelsimXE5.3d软件进行仿真和调试等。

设计人员可以充分利用VHDL硬件描述语言方便的编程，提高开发效率，缩短研发周期，降低研发成本；而且易于进行功能的扩展，实现方法灵活，调试方便，修改容易.方案三也有它的优点,但同时也存在缺点.它对设计者的要求比较高,设计者对软硬件必须十分熟悉.和方案二来比它的实验仿真没有方案二简单直观,调试也有一定的难度.在外界环境相同的条件下,方案三设计出来的产品精度和稳定度要比方案二稍微差一些.因此,电子琴的设计我们选择方案二来实现

第二章FPGA简介

第一节FPGA背景

　　目前以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简

单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。

这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。

在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其他更加完整的记忆块。

　　系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。

一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。

但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。

厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。

因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。

第二节FPGA的基本原理

2.1MHZ_generator模块的原理

分频器的输入是一个标准时钟频率，输出是每秒12MHZ的频率和8HZ的频率。

其内部实际是一个计数器，根据所需要的要求进行不同的分频设计。

本程序中已知标准频率为32MHZ，要得到12MHZ和8HZ的频率，通过计算我们可以确定它的分频系数.MHZ_generator模块的工作时序仿真图（略）,它的程序见附录

2.2NoteTabs模块的原理

NoteTabs模块其实就是一个乐谱预置器,可设置电子琴演奏的乐谱.原理很简单即来一个脉冲输出一个已设置好的乐谱.假定预先设计的乐谱为3335556211333333它的输出工作时序仿真图如图2.2所示,程序见附录.

图2.2NoteTabs模块的工作原理仿真图

2.3ToneTaba模块的原理

ToneTaba模块是一个音阶发生器,实质是译码电路，控制音调的预置数.乐谱信号是该模块的敏感信号,输入的每一个乐谱都将被译成与之相对映的频率从Tone端口输出去控制Speakera模块,让Speakera模块发出不同的音调.ToneTaba模块在将乐谱译成相映的频率的同时会将乐谱的符号从codel输出到显示部分,并判断乐谱是高音还是低音,再从highl端口输出去显示.在ToneTaba模块的设计中tone的计算很重要,tone是根据产生该音阶频率所对应的分频比获得的.此值是通过查表和计算所到,查表我们可以知道每个乐谱符号的频率,然后计算出要得到该乐谱的频率所需的分频系数.例如音符’1’的发音,通过查表得它的频率是785HZ左右,我们要计算tone的值可由公式:

音符频率=振荡频率/（16#7FF#-ton