基于FPGA的電子琴設計

1、研究生課程論文課程名稱 FPGA及片上系統(tǒng)SOPC應用授課學期 2013 學年至 2014 學年 第 一 學期學院 電子工程學院 專 業(yè) 電子與通信 學號 姓名 任課教師 宋 樹 祥 專 題 基于FPGA的電子琴設計 交稿日期 2014年01月09日 成績 閱讀教師簽名 日 期 廣西師范大學研究生學院1、引言電子琴作為音樂與科技的產物，在電子化和信息化的時代，為音樂的大眾化做出了很大的貢獻，歌曲的制作大多數(shù)都要由電子琴來完成，然后通過媒介流傳開來，電視劇和電影的插曲、電視節(jié)目音效、甚至你的手機鈴聲，都很可能包含電子琴的身影。1.1課題分析隨著電子技術的高速發(fā)展，由于FPGA/CPLD具有高速、

2、高可靠性、串并行工作方式等突出優(yōu)點，所以在電子設計中受到廣泛的應用，并且它代表著未來EDA設計的方向。FPGA/CPLD的設計采用了高級語言，例如VHDL語言，AHDL語言。從而進一步打破了軟硬件之間的界限，加速了產品的開發(fā)過程，縮短了設計周期。所以采用FPGA/CPLD取代傳統(tǒng)的標準集成電路、接口電路已經成為電子技術發(fā)展的必然趨勢。EDA（電子設計自動化) 代表了當今電子設計技術的最新發(fā)展方向，它的基本特征是：設計人員按照“自頂向下”的設計方法，對整個系統(tǒng)進行方案設計和功能劃分，系統(tǒng)的關鍵電路用一片或幾片集成電路（FPGA/CPLD) 實現(xiàn)。電子琴是數(shù)字電路中的一個典型應用。在實際的硬件設計

3、中用到的器件非常多，連線比較復雜，同時會產生比較大的延時，從而造成測量誤差較大，可靠性不好。以EDA工具作為開發(fā)手段，運用VHDL硬件描述語言將使整個系統(tǒng)大大簡化，提高了電子琴整體的性能和可靠性。1.2 VHDL語言和QUARTUS II環(huán)境簡介1.2.1 VerilogHDL語言簡介Verilog HDL是目前應用最為廣泛的硬件描述語言Verilog HDL可以用來進行各種層次的邏輯設計，也可以進行數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合，仿真驗證和時序分析等。Verilog HDL適合算法級，寄存器級，邏輯級，門級和版圖級等各個層次的設計和描述Verilog HDL進行設計最大的優(yōu)點是其工藝無關性這使得工程師在

4、功能設計，邏輯驗證階段可以不必過多考慮門級及工藝實現(xiàn)的具體細節(jié)，只需根據系統(tǒng)設計的要求施加不同的約束條件，即可設計出實際電路Verilog HDL是一種硬件描述語言(hardware description language)，為了制作數(shù)字電路而用來描述ASICs和FPGA的設計之用。Verilog 的設計者想要以 C 編程語言為基礎設計一種語言，可以使工程師比較容易學習。Verilog 是由en:Gateway Design Automation公司于大約1984年開始發(fā)展。Gateway Design Automation公司后來被 Cadence Design Systems于1990年

5、所購并。現(xiàn)在 Cadence 對于 Gateway 公司的 Verilog 和 Verilog-XL 模擬器擁有全部的財產權。1.2.2 Quartus II簡介Quartus II 是Altera公司的綜合性PLD開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設計輸入形式，內嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整CPLD設計流程。Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊，簡化了設計的復雜

6、性、加快了設計速度。Maxplus II 作為Altera的上一代PLD設計軟件，由于其出色的易用性而得到了廣泛的應用。目前Altera已經停止了對Maxplus II 的更新支持，Quartus II 與之相比不僅僅是支持器件類型的豐富和圖形界面的改變。Altera在Quartus II 中包含了許多諸如SignalTap II、Chip Editor和RTL Viewer的設計輔助工具，集成了SOPC和HardCopy設計流程，并且繼承了Maxplus II 友好的圖形界面及簡便的使用方法。Altera Quartus II 作為一種可編程邏輯的設計環(huán)境, 由于其強大的設計能力和直觀易用的

7、接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設計者的歡迎。1.3 FPGA的基本特點FPGA的基本特點：采用FPGA設計ASIC電路（專用集成電路），用戶不需要投片生產，就能得到合用的芯片；FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片；FPGA內部有豐富的觸發(fā)器和IO引腳；FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一； FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 FPGA是由存放在片內RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內的RAM進行編程。用戶可以根據不同的配置

8、模式，采用不同的編程方式。加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據讀入片內編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據，可以產生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。 如FPGA配置模式：它有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外

9、設模式可以將FPGA作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。如何實現(xiàn)快速的時序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時鐘管理并降低FPGA與PCB并行設計的復雜性等問題，一直是采用FPGA的系統(tǒng)設計工程師需要考慮的關鍵問題。如今，隨著FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向發(fā)展，系統(tǒng)設計工程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時，不得不面對由于FPGA前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設計挑戰(zhàn)。1.4設計目的本次設計的目的就是在掌握計算機組成原理理論相關的基礎上，了解EDA技術，掌握VHDL硬件描述語言的設計方法和思想，通過學習的VerilogHDL語言結合電子電路的設計知識理論聯(lián)系實際，掌握所

10、學的課程知識，例如本課程設計就是基于所學的計算機原理中的時鐘分頻器和定時器的基礎之上的，通過本課程設計，達到鞏固和綜合運用計算機原理中的知識，理論聯(lián)系實際，鞏固所學理論知識，并且提高自己通過所學理論分析、解決計算機相關的實際問題的能力。2. FPGA課程設計原理及方案選擇2.1 電子琴設計原理 簡易電子琴的設計通過軟硬件結合實現(xiàn)，硬件系統(tǒng)包括主控制器芯片、LED、蜂鳴器等，軟件資源包括編寫VerilogHDL程序的仿真軟件Modelsim和應用軟件Quartus II。電子琴有自動播放功能。2.2 樂曲演奏的原理樂曲演奏的原理：組成樂曲的每個音符的頻率值(音調)以及持續(xù)時間（音長）是

11、樂曲能持續(xù)演奏所需的兩個基本數(shù)據，因此只要控制輸出到揚聲器的激勵信號的頻率的高低和持續(xù)的時間，就可以使揚聲器發(fā)出持續(xù)的樂曲聲。它利用了FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三個部分。2.2.1 音調的控制頻率的高低決定了音調的高低。音樂的十二平均率規(guī)定：每兩個八度音（如簡譜中的中音1與高音1）之間的頻率相差一倍。在兩個八度音之間，又可分為十二個半音，每半個音的頻率比為。另外，

12、音名A(簡譜中的低音6)的頻率為440HZ，音名B到C之間，E到F之間為半音，其余為全音。由此可以計算出簡譜中從低音1至高音1之間的每個音名對應的頻率如表2-1所示：表2-1 低音名對應的分頻系數(shù)音名頻率(HZ)音名頻率(HZ)音名頻率(HZ)低音1261.6中音1523.3高音11046.5低音2293.7中音2587.3高音21174.7低音3329.6中音3659.3高音31318.5低音4349.2中音4698.5高音41396.9低音5392中音5784高音51568低音6440中音6880高音61760低音7493.9中音7987.8高音71975.5所有不同頻率均從同一基準頻率分

13、頻得到。由于音階頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將分頻數(shù)四舍五入進行取整。若基準頻率過高，雖然誤差變小，但分頻數(shù)變大，實際的設計綜合考慮這兩方面的因素，在盡量減小頻率誤差的前提下取合適的基準頻率。在本設計中選取1MHZ作為基準頻率。從下表中可以看出最大分頻系數(shù)為1912，采用11位二進制計數(shù)器分頻可滿足要求。此外還應給出預置數(shù)，對應不同的預置數(shù)，只需加載不同的預置數(shù)即可。采用加載預置數(shù)實現(xiàn)分頻的方法比采用反饋復零法節(jié)省資源，實現(xiàn)起來更加容易。各音名對應的分頻系數(shù)如表2-2所示：表2-2 各音階頻率對應的分頻比及預置數(shù)音名分頻比預置數(shù)音名分頻比預置數(shù)音名分頻比預置數(shù)低音119121

14、35中音19561091高音14781569低音21704343中音28521195高音24261621低音31517530中音37591288高音33791668低音41433614中音47161331高音43581689低音51276771中音56381409高音53191728低音61136911中音65681479高音62841763低音710021045中音75011546高音725017972.2.2音長的控制音符的持續(xù)時間須根據音樂的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定。如果設定全音符的持續(xù)時間為1S的話，假設產生4分音符，則產生四分頻即可實現(xiàn)四分音符的時長，并提供4HZ分頻器。如圖為樂

15、曲演奏的原理圖，其中，樂譜產生電路用來控制音樂的音調和時長?？刂埔粽{通過設置計數(shù)器的預置數(shù)來實現(xiàn)，預置不同的數(shù)值會可以使計數(shù)器產生不同頻率的信號，從而產生不同的音調?？刂埔糸L是通過控制計數(shù)器預置數(shù)的停留時間來實現(xiàn)的，預置數(shù)的停留時間越長，則該音符的演奏時間越長，如2分音符，在記譜時將該音符記錄兩次即可。反饋預置計數(shù)器曲譜產生2分頻器1MHZ 4HZ2.2.3分頻設計使用加法計數(shù)器。在計數(shù)器值小于分頻比值時，保持分頻的時鐘信號不變，當計數(shù)器加到分頻比值時，令分頻時鐘信號發(fā)生跳變，同時將零設為此時的計數(shù)器值，這樣分頻時鐘信號就會再次發(fā)生跳變。2.3總體方案本次設計課程的目的是讓我們在學習veril

16、ogHDL的基礎上更加深入的了解硬件設計語言的功能、作用及其特征，并且將我們的動手能力與創(chuàng)新能力結合起來。音符的持續(xù)時間須根據樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定。因此，要控制音符的音長，就必須知道樂曲的速度和每個音符所對應的節(jié)拍數(shù)。如果將全音符的持續(xù)時間設為1s的話，那么一拍應該持續(xù)的時間為0.25秒，則只需要提供一個4HZ的時鐘頻率即可產生四分音符的時長。至于音長的控制，在自動演奏播放樂曲時按4HZ的時鐘頻率依次讀取簡譜，每個音符持續(xù)時間為0.25秒。如果樂譜中某個音符為三拍音長，那又該如何控制，其實只要在3個連續(xù)地址存放該音符，這時就會發(fā)三個0.25秒的音長，即持續(xù)了三拍的時間，通過這樣一

17、個簡單的操作就可以控制音長了。3. 實驗與仿真3.1 電路原理圖1、外部輸入脈沖信號時鐘源（50Mhz）經分頻器輸出4Hz、1Mhz的脈沖信號，分別供控制器和受控器使用。2、控制器根據樂曲的節(jié)拍產生受控器所需要的預置值，樂曲的一拍持續(xù)1s。3、受控器在1MHz時鐘信號的控制下從11位預置值開始做加1計數(shù)。輸出并進行二分頻將輸出信號分頻。3.2 硬件的組成在Cyclone I器件系列非常成功的基礎上，Altera公司的Cyclone II系列擴大了FPGA的密度，最多可以達到68416個邏輯單元，并且還提供了622個可用的輸入/輸出引腳和1.1M比特的嵌入式寄存器。Cyclone II設備系列擁

18、有以下的特點:4608到68416 LEs 的高密度的結構；嵌入式乘法器；先進的I/O口支持；靈活的時鐘管理電路；設備的配置。Cyclone II器件的制造基于300mm晶圓，采用臺積電90nm、低K值電介質工藝，這種工藝技術采用了低絕緣體過程，確保了快速性、有效性和低成本。Cyclone II器件通過使硅片的面積最小化，所以可以在單芯片上支持復雜的數(shù)字系統(tǒng)，而且在成本上還可以和ASIC進行競爭。Altera 最新一代低價位的FPGAcyclone II FPGA系列，和同類90nmFPGA器件相比，它提高了百分之六十的性能和降低了一半的功耗。它的低成本和優(yōu)化特征使Cyclone II 系列為

19、各種各樣的汽車、消費、通訊、視頻處理、測試以及測量、和其他最終市場提供了理想的解決方案。3.3 引腳分配3.4 軟件仿真4. 結論本次實驗主要是通過編寫梁祝樂曲發(fā)生器,鍛煉同學們的Verilog的編寫能力,以及對Verilog語言的了解，同時也增強了同學們對數(shù)字電子以及EDA的了解。實驗編程主要包括以下幾塊：分頻器的編寫（包括50MHz到1MHz以及50MHz到4Hz以及一個二分頻器）對輸入波進行分頻；計數(shù)器的編寫（11位計數(shù)器通過設定預置數(shù)來實現(xiàn)計數(shù)功能）；樂的編寫。經過這一次的課程設計的學習，讓我收獲多多。但我也發(fā)現(xiàn)了自身存在的很多不足。當實驗需要一些復雜的程序時時我還不能從容應對；我的探

20、索方式還有待改善，當面對一些復雜的問題時我還不能很快很好的完成。最后，課程設計讓我收獲頗豐，讓我對Verilog語言有了更深的理解，對數(shù)字電子計數(shù)的應用有了更深的了解，同時也讓我發(fā)現(xiàn)了自身很多的不足。附錄：1. 簡譜2. 程序module song (clk,speaker);input clk;output speaker;reg3:0 high,med,low;reg10:0 divider,origin;reg7:0 counter;reg speaker;reg5:0 count1; reg23:0 count2;reg clk_1mhz,clk_4hz; wire carry; al

21、ways(posedge clk)/分頻器設計1beginif(count1<=49)begincount1<=count1+1;clk_1mhz<=0;endelsebegincount1<=0;clk_1mhz<=1;endend always(posedge clk)/分頻器設計2beginif(count2<=12499999)begincount2<=count2+1;clk_4hz<=0;endelsebegincount2<=0;clk_4hz<=1;endend assign carry=(divider=2047);

22、 always(posedge clk_1mhz)begin if(carry) divider=origin; else divider=divider+1;end always(posedge carry)begin speaker=speaker;/2分頻產生方波信號end always(posedge clk_4hz)begincase(high,med,low)/分頻比預置'b000000000000:origin=2047;'b000000000001:origin=135;'b000000000010:origin=343;'b0000000000

23、11:origin=530;'b000000000100:origin=614;'b000000000101:origin=771;'b000000000110:origin=911;'b000000000111:origin=1045;'b000000010000:origin=1091;'b000000100000:origin=1195;'b000000110000:origin=1288;'b000001000000:origin=1331;'b000001010000:origin=1409;'b0000

24、01100000:origin=1479;'b000001110000:origin=1546;'b000100000000:origin=1569;'b001000000000:origin=1621;'b001100000000:origin=1668;'b010000000000:origin=1689;'b010100000000:origin=1728;'b011000000000:origin=1763;'b011100000000:origin=1797;endcaseend always (posedge clk_

25、4hz)beginif(counter=214) counter<=0; /計時，以實現(xiàn)循環(huán)演奏else counter<=counter+1;case(counter) /記譜 0: high,med,low<='b000000000000;/休止符1: high,med,low<='b000000000000;2: high,med,low<='b000001110000;/中音73: high,med,low<='b000001110000;4: high,med,low<='b000001100000;/

26、中音65: high,med,low<='b000001100000;6: high,med,low<='b000001110000;/中音77: high,med,low<='b000001110000;8: high,med,low<='b000001010000;/中音5,持續(xù)3個時鐘節(jié)拍9 : high,med,low<='b000001010000;10: high,med,low<='b000001010000;11: high,med,low<='b000001100000;/中音6

27、12: high,med,low<='b000001000000;/中音413: high,med,low<='b000001000000;14: high,med,low<='b000000110000;/中音315: high,med,low<='b000000110000;16: high,med,low<='b000000100000;/中音217: high,med,low<='b000000110000;/中音318: high,med,low<='b000001000000;/中音4

28、19: high,med,low<='b000000110000;/中音320: high,med,low<='b000001010000;/中音521: high,med,low<='b000001010000;22: high,med,low<='b000001010000;23: high,med,low<='b000000110000;/中音324: high,med,low<='b000000100000;25: high,med,low<='b000000110000;26: high

29、,med,low<='b000001010000;27: high,med,low<='b000000100000;28: high,med,low<='b000000110000;29: high,med,low<='b000001000000;30: high,med,low<='b000000110000;31: high,med,low<='b000000100000;32: high,med,low<='b000000010000;/中音1，持續(xù)6個時鐘節(jié)拍33: high,med,lo

30、w<='b000000010000;34: high,med,low<='b000000010000;35: high,med,low<='b000000010000;36: high,med,low<='b000000010000;37: high,med,low<='b000000010000;38: high,med,low<='b000001010000;/中音539: high,med,low<='b000001010000;40: high,med,low<='b0000

31、00000111;/低音741: high,med,low<='b000000000111;42: high,med,low<='b000000010000;/中音243: high,med,low<='b000000010000;44: high,med,low<='b000000000110;/低音645: high,med,low<='b000000000110;46: high,med,low<='b000000010000;/中音147: high,med,low<='b00000001

32、0000;48: high,med,low<='b000000000101;/低音5，持續(xù)6個時鐘節(jié)拍49: high,med,low<='b000000000101;50: high,med,low<='b000000000101;51: high,med,low<='b000000000101;52: high,med,low<='b000000000101;53: high,med,low<='b000000000101;54: high,med,low<='b000000000110;/低

33、音655: high,med,low<='b000000010000;/中音156: high,med,low<='b000000000101;/低音5，持續(xù)8個時鐘節(jié)拍57: high,med,low<='b000000000101;58: high,med,low<='b000000000101;59: high,med,low<='b000000000101;60: high,med,low<='b000000000101;61: high,med,low<='b000000000101;6

34、2: high,med,low<='b000000000101;63: high,med,low<='b000000000101;64: high,med,low<='b000000000011;/低音3，無言開始，持續(xù)4個時鐘節(jié)拍65: high,med,low<='b000000000011;66: high,med,low<='b000000000011;67: high,med,low<='b000000000011;68: high,med,low<='b000000000101;69:

35、 high,med,low<='b000000000101;70: high,med,low<='b000000000101;71: high,med,low<='b000000000110;72: high,med,low<='b000000010000;/中音1發(fā)三個時鐘節(jié)拍73: high,med,low<='b000000010000;74: high,med,low<='b000000010000;75: high,med,low<='b000000100000;76: high,med

36、,low<='b000000000110;77: high,med,low<='b000000010000;78: high,med,low<='b000000000101;79: high,med,low<='b000000000101;80: high,med,low<='b000001010000;/中音5持續(xù)三個時鐘節(jié)拍81: high,med,low<='b000001010000;82: high,med,low<='b000001010000;83: high,med,low<

37、='b000010000000;/高音184: high,med,low<='b000001100000;85: high,med,low<='b000001010000;86: high,med,low<='b000000110000;87: high,med,low<='b000001010000;88: high,med,low<='b000000100000;/中音2持續(xù)8個時鐘節(jié)拍89: high,med,low<='b000000100000;90: high,med,low<=

38、9;b000000100000;91: high,med,low<='b000000100000;92: high,med,low<='b000000100000;93: high,med,low<='b000000100000;94: high,med,low<='b000000100000;95: high,med,low<='b000000100000;96: high,med,low<='b000000110000;97: high,med,low<='b000000000111;98:

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