EDA电子琴课程设计1.docx
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EDA电子琴课程设计1
设计者：
张目（12007243818）——可编程逻辑器件与VHDL课程设计
基于VHDL原理图及文本输入法
的简单电子琴电路的设计
1.1课程设计目的
本课程设计主要是基于VHDL文本输入法设计乐曲演奏电路，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。
1.2课程设计内容
（1）设计一个简易的八音符电子琴，它可通过按键输入来控制音响。
（2）系统演奏时可以选择是手动演奏（由键盘输入）还是自动演奏已存入的乐曲。
（3）能够自动演奏多首乐曲，且乐曲可重复演奏。
1.3课程设计原理
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，能够发出对应频率的声音。
故系统可分为乐曲自动演奏模块（AUTO）、音调发生模块（TONE）和数控分频模块（FENPIN）三部分。
系统的整体组装设计原理图如图1-1所示。
设计者：
张目（12007243818）——可编程逻辑器件与VHDL课程设计
图1-1系统的整体组装设计原理图
由于设计分模块组成，每个单独的模块都是一个完整的源程序，分别实现不同性质的功能，但是每个模块又是紧密关联的，前一个模块的输出很可能是后一模块的输入。
如AUTO模块的音符信号输出就是TONE模块的音符信号输入。
另外，时钟脉冲信号在本课程设计中用的最多，用处也最大，一般情况下时钟信号处上升沿有效，判断和控制各个计数器计数多少。
2简易电子琴的设计过程
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。
2.1乐曲自动演奏模块
乐曲自动演奏模块的作用是产生8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个工作进程组成，分别为PULSE0，MUSIC和COM1。
PULSE0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CLK2的输出值。
部分源程序如下：
PULSE0:
PROCESS（CLK,AUTO）--工作进程开始
VARIABLECOUNT:
INTEGERRANGE0TO8;--定义计数器变量，值从0到8IFAUTO='1'THEN--键盘输入为1
COUNT:
=0;CLK2<='0';--计数器值指0，时钟信号为0ELSIF（CLK'EVENTANDCLK='1'）THEN--时钟输入信号为1COUNT:
=COUNT+1;--计数器加1
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8位发声控制输入信号了。
即CLK2的值为0时，COUNT0为1。
最后的COM1便是由前两个PROCESS所确定的COUNT0、AUTO和键盘输入信号值INDEX2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：
IFAUTO='0'THEN
CASECOUNT0IS
WHEN0=>INDEX0<="00000100";--3
设计者：
张目（12007243818）——可编程逻辑器件与VHDL课程设计
WHEN4=>INDEX0<="00010000";--5
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，AUTO模块的源程序符号编辑图如图3-1。
图3-1AUTO模块的符号编辑图
2.1.1乐曲演奏模块文本程序：
--程序名称：
AUTO.VHD
--程序功能：
采用VHDL语言编程产生8位发声控制输入信号。
--电子班张目（12007243818）--
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYAUTOIS
PORT（CLK:
INSTD_LOGIC;--系统时钟信号AUTO:
INSTD_LOGIC;--键盘输入/自动演奏CLK2:
BUFFERSTD_LOGIC;--时钟输出
INDEX2:
INSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;--键盘输入信号INDEX0:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0））;--音符信号输出ENDAUTO;
ARCHITECTUREBEHAVIORALOFAUTOIS
SIGNALCOUNT0:
INTEGERRANGE0TO31;--定义信号计数器，有32个信号元素BEGIN
PULSE0:
PROCESS（CLK,AUTO）--PULSE0工作进程开始
VARIABLECOUNT:
INTEGERRANGE0TO8;--定义变量计数器，从0到8BEGIN
IFAUTO='1'THEN--键盘输入为1
COUNT:
=0;CLK2<='0';--计数器值为0，时钟信号2幅值为0ELSIF（CLK'EVENTANDCLK='1'）THEN--输入的时钟信号为其他值COUNT:
=COUNT+1;--计数器加1即为1
IFCOUNT=4THEN
CLK2<='1';
ELSIFCOUNT=8THEN
CLK2<='0';COUNT:
=0;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
MUSIC:
PROCESS（CLK2）--MUSIC工作进程开始
设计者：
张目（12007243818）——可编程逻辑器件与VHDL课程设计
BEGIN
IF（CLK2'EVENTANDCLK2='1'）THEN--时钟信号2为1
IF（COUNT0=31）THEN--计数器值为31
COUNT0<=0;--计数器清0
ELSE
COUNT0<=COUNT0+1;
ENDIF;
ENDIF;
ENDPROCESS;
COM1:
PROCESS（COUNT0,AUTO,INDEX2）
BEGIN
IFAUTO='0'THEN--键盘输入为0
CASECOUNT0IS--由计数器从0到31的取值判断音符信号的8位二进制数WHEN0=>INDEX0<="00000100";--3
WHEN1=>INDEX0<="00000100";--3
WHEN2=>INDEX0<="00000100";--3
WHEN3=>INDEX0<="00000100";--3
WHEN4=>INDEX0<="00010000";--5
WHEN5=>INDEX0<="00010000";--5
WHEN6=>INDEX0<="00010000";--5
WHEN7=>INDEX0<="00100000";--6
WHEN8=>INDEX0<="10000000";--8
WHEN9=>INDEX0<="10000000";--8
WHEN10=>INDEX0<="10000000";--8
WHEN11=>INDEX0<="00000100";--3
WHEN12=>INDEX0<="00000010";--2
WHEN13=>INDEX0<="00000010";--2
WHEN14=>INDEX0<="00000001";--1
WHEN15=>INDEX0<="00000001";--1
WHEN16=>INDEX0<="00010000";--5
WHEN17=>INDEX0<="00010000";--5
WHEN18=>INDEX0<="00001000";--4
WHEN19=>INDEX0<="00001000";--4
WHEN20=>INDEX0<="00001000";--4
WHEN21=>INDEX0<="00000100";--3
WHEN22=>INDEX0<="00000010";--2
WHEN23=>INDEX0<="00000010";--2
WHEN24=>INDEX0<="00010000";--5
WHEN25=>INDEX0<="00010000";--5
WHEN26=>INDEX0<="00001000";--4
WHEN27=>INDEX0<="00001000";--4
WHEN28=>INDEX0<="00000100";--3
WHEN29=>INDEX0<="00000100";--3
WHEN30=>INDEX0<="00000010";--2
WHEN31=>INDEX0<="00000010";--2
设计者：
张目（12007243818）——可编程逻辑器件与VHDL课程设计
WHENOTHERS=>NULL;
ENDCASE;
ELSEINDEX0<=INDEX2;--将音符信号0的值赋给音符信号2ENDIF;
ENDPROCESS;
ENDBEHAVIORAL;
2.2音调发生模块
音调发生模块的作用是产生音阶的分频预置值。
当8位发声控制输入信号中的某一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将输出，该数值即为该音阶的分频预置值，分频预置值控制数控分频模块进行分频，由此得到每个音阶对应的频率。
该模块的唯一输入信号INDEX对应就是自动模块中最后的输出INDEX0，音符显示信号CODE，高低音显示信号HIGH和音符分频系数都是根据音符输入确定的。
比如我们自定义INDEX第8位为高电平时，它的分频系数则为773Hz，音符显示信号为1001111,即是773的二进制表示，此时高低音显示1表示高音。
部分源程序如下：
CASEINDEXIS
WHEN"00000010"=>TONE0<=912;CODE<="0010010";HIGH<='1';
--音符第7位为1，分频数912Hz，音符显示为0010010，属高音
WHEN"01000000"=>TONE0<=1372;CODE<="0001111";HIGH<='0';
WHENOTHERS=>TONE0<=2047;CODE<="0000001";HIGH<='0';
显然，该模块最主要的作用就是给音符输入预设频率值，因为，电子琴最终实现乐曲演奏就是输出不同频率的正弦波，此模块就是将二进制发声信号转化为对应的频率。
3—2TONE模块的符号编辑图
2.2.1音调发生模块文本程序：
--程序名称：
TONE.VHD
--程序功能：
采用VHDL语言编程产生音阶的分频预置值。
--电子班张目（12007243818）--
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYTONEI
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