基于FPGA硬件电子琴设计.docx
《基于FPGA硬件电子琴设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA硬件电子琴设计.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于FPGA硬件电子琴设计
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EMP240T100C5N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。
摘要…………………………………………………………………………………2
一、整体设计方案…………………………………………………………………4
1.1设计要求………………………………………………………………………4
1.2整体设计原理…………………………………………………………………4
1.3方案比较………………………………………………………………………5
二、单元电路设计…………………………………………………………………5
2.1实验原理………………………………………………………………………5
2.2顶层模块的设计………………………………………………………………6
2.3音调发生器（tone）模块的设计…………………………………………………6
2.4数控分频模块（speaker）的设计……………………………………………7
三、软件设计………………………………………………………………………7
3.1VHDL硬件描述语言简介……………………………………………………7
3.2软件设计………………………………………………………………………8
四、系统测试………………………………………………………………………9
4.1测试使用的仪器………………………………………………………………9
4.2测试方法………………………………………………………………………9
4.3指标测试和测试结果…………………………………………………………9
五、心得……………………………………………………………………………11
附录…………………………………………………………………………………12
参考文献……………………………………………………………………………15
一、整体设计方案
1.1设计要求
利用数控分频器设计硬件电子琴，当按下琴键时，扬声器发出该琴键相对应的音阶，同时数码管显示音阶数字，若为高音时，二极管点亮。
1.2整体设计原理
本设计可以通过多种方案来实现，下面就主要的三种方案进行阐述和比较。
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。
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。
控制输入电路
显示电路
FPGA
扬声电路
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.
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。
控制输入电路
显示电路
MCU（单片机）
扬声器电路
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。
1.3方案比较
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。
还可以用软件QuartusⅡ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。
二、单元电路设计
2.1实验原理
主系统由3个模块组成，程序-3（见附录）是顶层设计文件，其内部有两个功能模块（如图2-1所示）：
TONE.VHD（程序-2（见附录））和SPEAKER.VHD（程序-1（见附录））。
模块TONE是音阶发生器，当8位发声控制输入INDEX中某一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将从端口TONE输出，作为获得该音阶的分频预置值；同时由CODE输出对应该音阶简谱的显示数码，如‘5’，并由HIGH输出指示音阶高8度显示。
由程序-2可见，其语句结构只是类似与真值表的纯组合电路描述，其中的音阶分频预置值，如Tone<=1290是根据产生该音阶频率所对应的分频比获得的。
图2-1硬件电子琴电路结构
模块SPEAKER中的主要电路是一个数控分频器，它由一个初值可预置的加法计数器构成，当模块SPEAKER由端口TONE获得一个2进制数后，将以此值为计数器的预置数，对端口CLK20MHZ输入的频率进行分频，之后由SPKOUT向扬声器输出发声。
2.2顶层模块的设计
VHDL采用的是自顶向下的设计方式，顶层模块由音调发生器（tone）和数控分频器（speaker）两个模块组成。
图2-1即是顶层设计原理图。
其中音调发生器部分又包括了键盘编码。
设置八个按键（Index1）输入信号，再对其进行编码，输出的Tone都是11位二进制数，对应数控分频模块的输入。
数控分频模块根据输入的预置数Tone1，对基准脉冲进行相关分频后，输出对应音阶的频率，驱动蜂鸣器发音。
2.3音调发生器（tone）模块的设计
音调发生器的作用是产生获得音阶的分频预置值。
当8位发声控制输入index中的某一位为低电平时，则对应某一音阶的数值将以端口tone输出，作为获得该音阶的分频预置值，该值作为数控分频器的输入，来对20MHz的脉冲进行分频，由此得到每个音阶相应的频率，例如输入index="11111101"，即对应的按键是2，产生的分频系数便是912；由code输出对应该音阶简谱的显示数码；由high输出指示音阶高8度的显示，低电平有效。
对于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#-tone的值）
振荡频率是经过分频之后得到的,在此是1MHZ,由公式可计算出tone的值为:
773。
2.4数控分频模块（speaker）的设计
数控分频模块的目的是对基准脉冲分频，得到1,2,3,4,5,6,7七个音符对应频率。
该模块的VHDL描述中包含了三个进程。
首先对20MHz的基准脉冲进行分频得到1MHz的脉冲，然后按照tone1输入的分频系数对1MHz的脉冲再次分频，得到的便是所需要的频率。
而第三个进程的作用是在音调输出时再进行二分频，将脉冲展宽，同时使其占空比为50%，以使扬声器有足够功率发音。
三、软件设计
3.1VHDL硬件描述语言简介
PLD的软件已发展得相当完善，利用VHDL硬件描述语言来实现程序的编制，这样硬件的功能描述可以完全在软件上实现。
VHDL是用于逻辑设计的硬件描述语言，成为IEEE标准。
它作为描述硬件电路的语言，有以下特点：
（1）VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，将设计人员的工作重心提高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。
（2）VHDL可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和重用。
（3）VHDL的设计不依赖于特定的器件，同一个HDL原码可以综合成FPGA或ASIC,方便了工艺的转换。
（4）VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，而且设计出来的电路大多数并行运行,因此移植性好且速度快。
采用VHDL语言设计复杂数字电路的方法具有很多优点，其语言的设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。
它可以支持自顶向下（TopDown）和基于库（Library_Based）的设计方法，而且还支持同步电路、异步电路、FPGA以及其他随机电路的设计，其范围很广，语言的语法比较严格，给阅读和使用都带来了极大的好处。
3.2软件设计
本设计采用ALTERA公司的EDA软件系统QuartusⅡ来完成。
采用自顶向下的设计方法。
程序设计的流程图如图3-1所示：
开始
等待用户按下琴键
显示音阶和高低音标志
根据按下的键进行音阶频率的预置
根据频率的预置数输出相应的音阶的频率
扬声器发音
图3-1程序设计流程图
软件设计采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立，实际上在设计中将键盘输入存储放在了音调发生器（tone）模块中，显示部分存放在数控分频器模块中。
软件设计的核心部分是数控分频器，键盘输入是提供给它相应的分频比。
对输入的基准时钟进行多次分频，最终输出的就是想得到的音阶的频率。
VHDL描述语言程序清单见附录。
四、系统测试
4.1测试使用的仪器
ALTERA公司的EDA软件系统QuartusⅡ
ALTERA公司MAXⅡ系列的EMP240T100C5N板子
4.2测试方法
首先用ALTERA公司的QuartusⅡ软件的仿真工具进行对系统的仿真。
功能仿真用于综合前检查设计的逻辑功能是否符合设计要求。
仿真过程中可以通过观察检测设计的输入信号，输出信号以及内部信号以检测设计的逻辑功能。
如果仿真都通过的话就可以进行引脚锁定，然后下载程序，烧制出功能芯片，在实验板上可以直观的操作，从而看到结果。
4.3指标测试和测试结果
每个音阶对应着不同的频率。
频率的大小直接影响着音调的高低以及失真度。
表4-1频率测试
音阶
1
2
3
4
5
6
7
1（H）
频率（Hz）
785
880
988
1046
1175
1318
1400
1568
测试结果可以看出，得到的频率和分频结果基本一致，发音情况良好，音调准确，键盘输入可行，能按照按键所对应的音阶发音。
图4-1电子琴系统顶层映射仿真图
五、心得
经过对测试结果的分析,发现采用FPGA所设计的电子琴,系统设计趋于简单、开发时间缩短；外围器件少，体积小,抗干扰能力强,可靠性高；系统维护更方便、快捷。
尤其对于设计者来说,不需要考虑太多的硬件设计,只需要有自己的设计思路,编程实现再用烧到FPGA器件中进行测试即可。
电子琴作为一种乐器,成本也不高,因此有一定的生产价值。
本设计利用超高速硬件描述语言VHDL实现了电子琴的键盘输入发音的简易功能，经过编程，综合，仿真，下载，芯片烧制，最终做出成品，测试情况良好，能够准确实现音阶的发音功能。
附录
【硬件电子琴程序清单】：
【程序-1】
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYSpeakerIS
PORT（clk1:
INSTD_LOGIC;
Tone1:
ININTEGERRANGE0TO16#7FF#;
SpkS:
OUTSTD_LOGIC）;
END;
ARCHITECTUREoneOFSpeakerIS
SIGNALCLK2,Full:
STD_LOGIC;
BEGIN
PROCESS（clk1）
VARIABLECnt1:
INTEGERRANGE0TO16#31#:
=0;
BEGIN
CLK2<='0';--将CLK1进20分频，CLK2为CLK120分频
IFCnt1>19THENCLK2<='1';Cnt1:
=0;
ELSIFclk1'EVENTANDclk1='1'THENCnt1:
=Cnt1+1;
ENDIF;
ENDPROCESS;
PROCESS（CLK2,Tone1）
VARIABLECount11:
INTEGERRANGE0TO16#7FF#:
=0;
BEGIN--11位可预置计数器
IFCLK2'EVENTANDCLK2='1'THEN
IFCount11=16#7FF#THENCount11:
=Tone1;Full<='1';
ELSECount11:
=Count11+1;Full<='0';
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
PROCESS（Full）
VARIABLECnt2:
STD_LOGIC:
='0';
BEGIN
IFFull'EVENTANDFull='1'THENCnt2:
=NOTCnt2;
IFCnt2='1'THENSpkS<='1';
ELSESpkS<='0';
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
END;
【程序-2】
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYToneIS
PORT（Index:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
CODE:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
HIGH:
OUTSTD_LOGIC;
Tone:
OUTINTEGERRANGE0TO16#7FF#）;
END;
ARCHITECTUREoneOFToneIS
BEGIN
PROCESS（Index）
BEGIN
CASEIndexIS--译码电路，查表方式，控制音调的预置数
WHEN"11111110"=>Tone<=773;CODE<="11111001";HIGH<='1';
WHEN"11111101"=>Tone<=912;CODE<="10100100";HIGH<='1';
WHEN"11111011"=>Tone<=1036;CODE<="10110000";HIGH<='1';
WHEN"11110111"=>Tone<=1116;CODE<="10011001";HIGH<='1';
WHEN"11101111"=>Tone<=1197;CODE<="10010010";HIGH<='1';
WHEN"11011111"=>Tone<=1290;CODE<="10000010";HIGH<='1';
WHEN"10111111"=>Tone<=1372;CODE<="11111000";HIGH<='1';
WHEN"01111111"=>Tone<=1410;CODE<="11111001";HIGH<='0';
WHENOTHERS=>Tone<=2047;CODE<="11000000";HIGH<='1';
ENDCASE;
ENDPROCESS;
END;
【程序-3】
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYTOPIS--顶层设计
PORT（CLK20MHZ:
INSTD_LOGIC;
INDEX1:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
CODE1:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
HIGH1,SPKOUT:
OUTSTD_LOGIC）;
END;
ARCHITECTUREoneOFTOPIS
COMPONENTTone
PORT（Index:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
CODE:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
HIGH:
OUTSTD_LOGIC;
Tone:
OUTINTEGERRANGE0TO16#7FF#）;--11位2进制预置数
ENDCOMPONENT;
COMPONENTSpeaker
PORT（clk1:
INSTD_LOGIC;
Tone1:
ININTEGERRANGE0TO16#7FF#;--11位2进制预置数
SpkS:
OUTSTD_LOGIC）;
ENDCOMPONENT;
SIGNALTone0:
INTEGERRANGE0TO16#7FF#;
BEGIN
u1:
TonePORTMAP（Index=>Index1,
Tone=>Tone0,CODE=>CODE1,HIGH=>HIGH1）;
u2:
SpeakerPORTMAP（clk1=>CLK20MHZ,Tone1=>Tone0,SpkS=>SPKOUT）;
END;
参考文献
[1]潘松黄继业编著《EDA技术与VHDL》（第2版）清华大学出版社2007年
[2]贾立新王拥等编著《电子系统设计与实践》清华大学出版社2007年4月
[3]高仁璟、孙鹏，数字电子基础与设计及[M]大连理工大学出版社2004年
[4]赵俊超《集成电路设计VHDL教程》[M]北京希望电子出版社2002年
[5]王金明，周顺.数字系统设计与VHDL.北京：
电子工业出版社，2010
升级会员 