1、课程设计I摘 要乐曲演奏广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话、及智能仪器仪表设备。实现方法有许多种。现用可编程逻辑器件（PLD）来完成该设计。核心是一数控分频器，对输入的脉冲进行分频，得到每个音阶对应的频率，由此实现简易电子琴的发音功能。电子琴可演奏由键盘输入的音阶，同时在数码管上显示对应音节的频率。本设计基于超高速硬件描述语言 VHDL 在 Altera 公司的 Cyclone系列的 EP2C5T144C8 芯片上编程实现；经仿真，调试基本能够达到技术指标，仿真结果基本正确。 关键词 音乐译码电路模块，VHDL，数控分频，电子琴基于 FPGA 的电子琴设计IIAbstractMusic
2、performances are widely used in automatic answering devices, cell phone ring tones, the Group phones, smart instrumentation and equipment。The design is accomplished using a programmable logic device (PLD). The core is a numerical control frequency divider, the input pulse frequency, the frequency of
3、 each scale corresponding to the frequency, thus achieving the function of simple electronic piano. The electronic piano can be played by the keyboard input of the scale, while in the digital tube display the corresponding syllable frequency. The design based on ultra high speed hardware description
4、 language VHDL on Alteras cyclone II Series ep2c5t144c8 chip programming; the simulation and debugging can basically meet the technical indicators, and the result of simulation is correct.Keywords Music decoder circuit module，VHDL，Numerical control pointing frequency modules，electronic organ沈阳工程学院课程
5、设计目 录摘 要 .IAbstract .II1 引言 .12 VHDL 简述及应用 .22.1VHDL 简述 .22.2 VHDL 的应用 .23 FPGA 的简述 .33.1 FPGA 的介绍 .33.2 FPGA 的整体结构 .33.3 Altera 公司的 FPGA .34 电子琴演奏系统设计原理分析 .44.1 电子琴演奏设计的基本要求 .44.2 电子琴演奏原理 .44.3 音名与频率的关系 .54.4 控制音长的节拍发生器 .65 电子琴硬件演奏电路的层次化设计方案 .85.1 按键控制模块 .85.2 自动演奏模块 .85.3 自动播放控制模块 .95.4 数控分频模块设计 .
6、95.5 数码管译码显示 .105.6 音频驱动模块 .10结论 .11致谢 .12参考文献 .13附录 1 .14附录 2 .15基于 FPGA 的电子琴设计11 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
7、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。沈阳工程学院课程设计2 2 VHDL 简述及应用2.1VHDL 简述VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,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。2.2 VHDL 的应用VHDL 是 IEEE（Institu
8、te of Electrical and Electronics Engineers ）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IEEE 1076-1993。现在， VHDL 与 Verilog 一样作为 IEEE 的工业标准硬件描述语言，得到公司的支持，在电子工程领域已成为事实上的通用硬件描述语言。基于 FPGA 的电子琴设计33 FPGA 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 ） 。3.1 FPGA
9、 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。3.2 FPGA 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。3.3 Altera 公司的 FPGAAltera 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FP
10、GA 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。沈阳工程学院课程设计4 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
11、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：图 4.1 电子琴演奏电路结构方框图
12、按键输入自动演奏模块手动播放控制模块数控分频输出模块驱动模块 喇叭显示模块基于 FPGA 的电子琴设计54.3 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 音名 频率/Hz 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 4 139
13、6.92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 各 音 名 对 应 的 频 率分 频 系 数 fosc可得
14、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： 分 频 系 数计 数 器 初 始 值 2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：沈阳工程学院课程设计6 表 4.2 谱中的音名与计数初值的关系音名 初始值 音名 初始值 音名 初始值低音 1 612 中音 1 1342 高音 1 1689低音 2 770 中音 2 1409 高音 2 1728低音 3 909 中音 3 1478 高音 3 1763低音 4 973 中音 4 1510 高音 4 1779低音 5 1090 中音 5 1
15、569 高音 5 1808低音 6 1195 中音 6 1621 高音 6 1834低音 7 1288 中音 7 1667 高音 7 1857注：对于音乐中的休止符，其分频系数设为 0，初始值设为 2N-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
