簡易電子琴設計

1、EDA技術(shù)課程大作業(yè) 設計題目： 簡易電子琴設計 學生姓名： 郭天橋 學 號： 41203040506 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化5班 2014年 12 月 17 日0 目錄1.設計背景和方案-2 1.1設計背景- 2 1.2設計方案-2 1.2.1樂曲演奏模塊-31.2.2音調(diào)發(fā)生模塊-31.2.3數(shù)控分頻模塊-42.方案實施-52.1頂層設計-52.2系統(tǒng)有關(guān)波形仿真-62.2.1樂曲自動演奏模塊的仿真-72.2.2音調(diào)發(fā)生模塊的仿真-72.2.3數(shù)控分頻模塊的仿真-72.2.4 簡易電子琴整個系統(tǒng)的仿真 -83.結(jié)果和結(jié)論-84.附錄-81.設計背景和設計方案1.1 設計背景隨著ED

2、A技術(shù)的發(fā)展和應用領(lǐng)域的擴大與深入，EDA技術(shù)在電子信息、通信、自動控制、計算機等領(lǐng)域的重要性日益突出。作為一個學電子信息專業(yè)的學生，我們必須不斷地了解更多的新產(chǎn)品信息，這就更加要求我們對EDA有個全面的認識。本程序是簡易電子琴的設計。采用EDA作為開發(fā)工具，VHDL語言為硬件描述語言，所開發(fā)的程序通過調(diào)試運行、波形仿真驗證，奏出美妙的樂曲。1.2 設計方案該簡易電子琴的設計主要包括：樂曲自動演奏模塊，音調(diào)發(fā)聲模塊和數(shù)控分頻模塊三部分。系統(tǒng)的整體組裝設計原理圖如圖1.1所示。圖1.1 簡易電子琴設計的原理圖下該設計分模塊組成，每個單獨的模塊都是一個完整的源程序，分別實現(xiàn)不同性質(zhì)的功能，但是每個

3、模塊又是緊密關(guān)聯(lián)的，前一個模塊的輸出和可能是后一個模塊的輸入。如TONE模塊的音符信號輸出就是FEPIN模塊的音符信號輸入。另外，時鐘脈沖信號在本課程設計中用的最多，用處也最大，一般情況下時鐘信號處上升沿有效，判斷和控制各個計數(shù)器計數(shù)多少。1.2.1樂曲自動演奏模塊曲自動演奏模塊的作用是產(chǎn)生8位發(fā)聲控制輸入信號，當進行自動演奏時，由存儲在此模塊中的8位二進制數(shù)作為發(fā)聲控制輸入，從而自動演奏樂曲。其源程序符號編輯圖如圖1.2所示。圖1.2 樂曲自動演奏模塊的實體該模塊的VHDL源程序主要由3個工作進程組成，分別為PULSE0，MUSIC和COM1。PULSE0的作用是根據(jù)鍵盤輸入自動演奏的值0或

4、1來判斷計數(shù)器COUNT以及脈沖CLK2的輸出值。當確定了時鐘信號輸出的值后，在第二個PROCESS中就可以由它控制8位發(fā)聲控制輸入信號了。即CLK的值為0時，COUNT0為1。最后的COM1便是由前兩個PROCESS所確定的COUNT0、AUTO和鍵盤輸入信號值INDEX將8位的二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為音符信號的輸出，達到自動演奏的目的。本模塊的最主要用途是將輸入二進制轉(zhuǎn)化為發(fā)聲控制輸入，是產(chǎn)生音符的重要步驟。1.2.2音調(diào)發(fā)生模塊音調(diào)發(fā)生模塊的作用是給音符輸入預設頻率值。當8位發(fā)聲控制輸入信號中的某一位為高電平時，則對應某一音節(jié)的數(shù)值將輸出，該數(shù)值即為該音階的分頻預置值，分頻預置值控制數(shù)控分頻模塊進

5、行分頻，由此可得到每個音階對應的頻率。其源程序符號編輯圖如圖1.3所示。圖1.3 音調(diào)發(fā)聲模塊的實體該模塊的唯一輸入信號INDEX對應就是自動模塊中的最后的輸出INDEX0，音符顯示信號CODE，高低音顯示信號HIGH和音符分頻系數(shù)都是根據(jù)音符輸入確定的。比如我們自定義INDEX第八位為高電平時，它的分頻系數(shù)則為773HZ，音符顯示信號為1001111，即773的二進制表示，此時高低音顯示1表示高音。電子琴最終要實現(xiàn)樂曲演奏就是輸出不同頻率的正弦波，此模塊就是將二進制發(fā)聲信號轉(zhuǎn)化為對應的頻率。1.2.3數(shù)控分頻模塊數(shù)控分頻模塊是對時基脈沖進行分頻，得到與1、2、3、4、5、6、7七個音符相對應

6、的頻率，其源程序符號編輯圖如圖1.4所示。圖1.4 數(shù)控分頻模塊的實體該模塊主要由4個工作進程組成。首先，根據(jù)系統(tǒng)時鐘信號的輸入得到時基脈沖以及計數(shù)器的值，而時鐘信號在AUTO模塊中便已給出，兩者之間的設置關(guān)系類似于AUTO模塊中第一個工作進程的設置。第二個PROCESS是此模塊的核心，即由時基脈沖值轉(zhuǎn)化為音符頻率。最后一個PROCESS則是用來設置揚聲器輸出信號的，揚聲器信號由0和1控制，當且僅當前一個PROCESS中的FULLSPKS輸出為1時，揚聲器才有輸出，再根據(jù)計數(shù)器取值來確定輸出是1還是0。2.方案實施2.1 頂層設計DIANZIQIN模塊是整個電子琴設計的核心，也是VHDL程序的

7、主程序，前面三個源程序都是作為子程序分別實現(xiàn)電子琴的某一功能，而DIANZIQIN模塊則是通過調(diào)用子程序最終實現(xiàn)樂曲演奏的目的，奏出美妙的樂曲。利用VHDL語言COMPONENT將三個模塊組合起來，其中3個模塊和DIANZIQIN模塊的輸入輸出是一一對應的，比如AUTO對應HSNDTOAUTO，TONEO對應TONE2，SPKS對應SPKOUT等，該模塊的符號編輯圖如圖2.1示。圖 2.1 頂層原理圖2.2 系統(tǒng)有關(guān)波形的仿真系統(tǒng)仿真是在實際系統(tǒng)上進行實驗研究比較困難時適用的必不可少的工具，它是指通過系統(tǒng)模型實驗去研究一個已經(jīng)存在或正在設計的系統(tǒng)的過程，通俗地講，就是進行模型實驗。因而，系統(tǒng)仿

8、真的結(jié)果決定整個課程設計任務完成的到位程度。2.2.1樂曲自動演奏模塊的仿真AUTO模塊編譯完成后，進行波形仿真，仿真波形圖如圖2.2所示。圖2.2 樂曲自動演奏模塊的仿真圖該圖輸入系統(tǒng)時鐘信號CLK初值設為0，自動演奏AUTO設為1，鍵盤輸入信號INDEX2為00，INDEX0為音符信號輸出，是8位的二進制代碼。2.2.2音調(diào)發(fā)生模塊的仿真TONE模塊編譯完成后，進行波形仿真，仿真波形圖如圖2.3所示。圖2.3音調(diào)發(fā)聲模塊的仿真圖該圖輸入音符信號INDEX初值為00，輸出是音符顯示信號CODE為01，高低音顯示信號為0，音符的分頻系數(shù)為11111111111即2047Hz。2.2.3 數(shù)控分

9、頻模塊的仿真PENPIN模塊編譯完成后，進行波形仿真，仿真波形圖如圖2.4所示。圖2.4 數(shù)控分頻模塊仿真圖該圖輸入系統(tǒng)時鐘信號CLK初值為0（各輸出值都是在時鐘信號的下降沿有效），音頻分頻系數(shù)TONE1為00100000000即1290Hz，驅(qū)動揚聲器的音頻信號SPKS輸出為1。2.2.4 簡易電子琴整個系統(tǒng)的仿真整個系統(tǒng)編譯完成后，進行波形仿真，仿真波形圖如圖2.5所示。圖2.5 簡易電子琴整個系統(tǒng)的仿真圖該圖輸入系統(tǒng)時鐘信號CLK初值為0，自動演奏信號HANGORAUTO初值為0，鍵盤輸入信號KEYBOARD為00000000；輸出音符信號NOTE為0110000，高低音節(jié)信號HIGH1

10、變?yōu)?，即高音，音頻信號SPKAKER即輸出0，輸出為1時NOTE變?yōu)?110000，這時出現(xiàn)10ns的延時。3.結(jié)果和結(jié)論在此次設計中，較成功的完成了簡易的八音符電子琴設計，它可通過按鍵輸入來控制音響，系統(tǒng)演奏時可以選擇是手動演奏（由鍵盤輸入）還是自動演奏已存入的樂曲，能夠自動演奏多首樂曲，且樂曲可重復演奏。通過仿真，驗證結(jié)果正確。在此次設計中，通過使用Quartus II和VHDL進行了簡單電子琴設計，較成功的完成了預期的效果。通過本次設計，讓我加深了對課堂上所學到的理論知識的理解，這給我提供了一個在學習生活中很難得的理論聯(lián)系實際的機會,讓我深刻體會到在設計遇到不同問題時，首先應該理解問題

11、關(guān)鍵所在，因為用語言編寫程序需要以仔細認真的態(tài)度，一點點錯誤漏洞將導致整個源程序無法編譯運行，阻礙下一步工作完成進度。4.附 錄附錄1：樂曲自動演奏模塊源程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY AUTO ISPORT ( CLK : IN STD_LOGIC; AUTO : IN STD_LOGIC;CLK2 : BUFFER STD_LOGIC;INDEX2 : IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOW

12、NTO 0);INDEX0 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END AUTO;ARCHITECTURE BEHAVIORAL OF AUTO ISSIGNAL COUNT0: INTEGER RANGE 0 TO 31;BEGIN PULSE0 :PROCESS(CLK,AUTO) -工作進程開始VARIABLE COUNT :INTEGER RANGE 0 TO 8; -定義計數(shù)器變量，值從0到8BEGINIF AUTO ='1' THEN -鍵盤輸入1COUNT := 0;CLK2<='0' -計數(shù)器值指0，時鐘信

13、號為0ELSIF(CLK'EVENT AND CLK ='1')THEN-時鐘輸入信號為1COUNT :=COUNT +1; -計數(shù)器加1IF COUNT =4 THEN CLK2 <='1'ELSIF COUNT =8 THEN CLK2<='0' COUNT:=0;END IF ;END IF ;END PROCESS;MUSIC:PROCESS(CLK2)BEGIN IF (CLK2'EVENT AND CLK2='1')THENIF (COUNT0=31)THEN COUNT0<=0;EL

14、SECOUNT0<=COUNT0+1;END IF ;END IF ;END PROCESS;COM1:PROCESS(COUNT0,AUTO,INDEX2)BEGIN IF AUTO ='0' THEN CASE COUNT0 ISWHEN 0=>INDEX0<="00000100"-3WHEN 1=>INDEX0<="00000100"-3WHEN 2=>INDEX0<="00000100"-3WHEN 3=>INDEX0<="00000100&quo

15、t;-3WHEN 4=>INDEX0<="00010000"-5WHEN 5=>INDEX0<="00010000"-5WHEN 6=>INDEX0<="00010000"-5WHEN 7=>INDEX0<="00100000"-6WHEN 8=>INDEX0<="10000000"-8WHEN 9=>INDEX0<="10000000"-8WHEN 10=>INDEX0<="100

16、00000"-8WHEN 11=>INDEX0<="00000100"-3WHEN 12=>INDEX0<="00000010"-2WHEN 13=>INDEX0<="00000010"-2WHEN 14=>INDEX0<="00000001"-1WHEN 15=>INDEX0<="00000001"-1WHEN 16=>INDEX0<="00010000"-5WHEN 17=>INDEX

17、0<="00010000"-5WHEN 18=>INDEX0<="00001000"-4WHEN 19=>INDEX0<="00001000"-4WHEN 20=>INDEX0<="00001000"-4WHEN 21=>INDEX0<="00000100"-3WHEN 22=>INDEX0<="00000010"-2WHEN 23=>INDEX0<="00000010"-2WH

18、EN 24=>INDEX0<="00010000"-5WHEN 25=>INDEX0<="00010000"-5WHEN 26=>INDEX0<="00001000"-4WHEN 27=>INDEX0<="00001000"-4WHEN 28=>INDEX0<="00000100"-3WHEN 29=>INDEX0<="00000100"-3WHEN 30=>INDEX0<="000

19、00010"-2WHEN 31=>INDEX0<="00000010"-2 WHEN OTHERS =>NULL;END CASE;ELSE INDEX0<=INDEX2;END IF;END PROCESS;END BEHAVIORAL;附錄2：音調(diào)發(fā)生模塊源程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY TONE IS PORT (INDEX: IN STD_LOG

20、IC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -音符輸入信號 CODE: OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); -音符顯示信號 HIGH: OUT STD_LOGIC; -高低音顯示信號 TONE0: OUT INTEGER RANGE 0 TO 2047); -音符的分頻系數(shù)END TONE;ARCHITECTURE ART OF TONE IS BEGIN SEARCH : PROCESS(INDEX)BEGINCASE INDEX IS WHEN "00000001"=>TONE0 <=773;CODE<="1

21、001111"HIGH<='1' -分頻系數(shù)773HZ，音符顯示1001111，顯示低音WHEN "00000010"=>TONE0 <=912;CODE<="0010010"HIGH<='1'WHEN "00000100"=>TONE0 <=1036;CODE<="0000110"HIGH<='1'WHEN "00001000"=>TONE0 <=1116;CODE<

22、;="1001100"HIGH<='1'WHEN "00010000"=>TONE0 <=1197;CODE<="0100100"HIGH<='1'WHEN "00100000"=>TONE0 <=1290;CODE<="0100000"HIGH<='0'WHEN "01000000"=>TONE0 <=1372;CODE<="0001111&qu

23、ot;HIGH<='0'WHEN "10000000"=>TONE0 <=1410;CODE<="0000000"HIGH<='0'WHEN OTHERS =>TONE0<=2047;CODE<="0000001"HIGH<='0' END CASE; END PROCESS;END ART;附錄3：數(shù)控分頻模塊源程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC

24、_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY FENPIN IS PORT(CLK1: IN STD_LOGIC; -系統(tǒng)時鐘信號 TONE1: IN INTEGER RANGE 0 TO 2047; -音頻分頻系數(shù) SPKS: OUT STD_LOGIC); -驅(qū)動揚聲器的音頻信號END ENTITY FENPIN;ARCHITECTURE ART OF FENPIN ISSIGNAL PRECLK:STD_LOGIC; -定義時基脈沖信號SIGNAL FULLSPKS:STD_LOGIC;BEGINPROCESS(CLK1) VARIABLE COUNT:INTEGER RANGE 0 TO 8; -定義變量計數(shù)器，從0到8BEGIN IF (CLK1'EVENT