北郵數(shù)電實驗電子琴

1、VHDL硬件描述語言程序設計簡易電子琴演奏器姓名：chi目錄一、設計課題的任務要求3二、系統(tǒng)設計3三、仿真波形及波形分析11四、源程序12五、功能說明41六、元器件清單及資源利用情況41七、故障及問題分析43八、總結和結論44一、 設計課題的任務要求基本要求：1、 用8×8點陣顯示“1 2 3 4 5 6 7”七個音符構成的電子琴鍵盤。其中點陣的第一列用一個LED點亮表示音符“1”，第二列用二個LED點亮表示音符“2”，依此類推，如下圖所示。1 2 3 4 5 6 7圖1 點陣顯示的電子琴鍵盤2、 用BTN1BTN7七個按鍵模擬電子琴手動演奏時的“1 2 3 4 5 6 7”七個音符

2、。當某個按鍵按下時，數(shù)碼管顯示相應的音符，點陣上與之對應的音符顯示列全滅，同時蜂鳴器演奏相應的聲音；當按鍵彈開時數(shù)碼管顯示的音符滅掉，點陣顯示恢復，蜂鳴器停止聲音的輸出。下圖所示為按下BTN3按鍵時點陣的顯示情況。1 2 3 4 5 6 7圖2 按鍵按下后的點陣顯示3、 由撥碼開關切換選擇高、中、低音，并用數(shù)碼管進行相應的顯示。4、 通過按鍵BTN0進行復位，控制點陣顯示圖1的初始狀態(tài)。提高要求：1、 可通過一個撥碼開關進行手動/自動演奏的切換，并與點陣顯示配合增加自動演奏樂曲的功能。2、 增加手動演奏的音符存儲、播放功能。二、 系統(tǒng)設計1. 設計思路簡易電子琴的制作主要是利用不同頻率的波來驅

3、動蜂鳴器發(fā)出聲響。通過輸入不同的音符來設置不同的分頻系數(shù)，使得50MHz的主頻分頻出不同頻率的波。同時，演奏的音符還可以通過數(shù)碼管和8*8點陣來動態(tài)顯示。根據(jù)系統(tǒng)設計要求，該電子琴設計采用自頂向下的設計方法。整體的功能通過不同的底層模塊配合來完成電子琴的功能。底層模塊主要包括樂曲自動演奏模塊、分頻預置值產(chǎn)生模塊和數(shù)控分頻模塊，數(shù)碼管顯示模塊，8*8點陣顯示模塊五部分組成。用這種設計思路把整個系統(tǒng)分為了若干個模塊，然后再在頂層文件中將各個模塊組合在一起，從而體現(xiàn)出超、高速硬件描述語言VHDL的優(yōu)勢， 關于提高要求中通過一個撥碼開關進行手動/自動演奏的切換，并與點陣顯示配合增加自動演奏樂曲的功能，

4、我打算將一首曲子的音符儲存在自動播放的數(shù)組里面，然后通過計數(shù)器來順序播放儲存的音符。關于提高要求中的手動演奏的音符存儲、播放功能，我打算通過編程實現(xiàn)類似數(shù)據(jù)結構中隊列的模塊，來儲存手動輸入的音符，然后在要播放的時候，隊列里面的音符依次出隊，從而實現(xiàn)音符儲存播放的功能。2. 總體框圖數(shù)碼管顯示8*8點陣顯示蜂鳴器輸出音符輸入高低音，自動手動圖3簡易電子琴總體結構框圖是否自動播放查找對應的頻率值結束開始輸入按鍵點陣顯示蜂鳴器輸出數(shù)碼管顯示選擇高低音是否圖4簡易電子琴邏輯流程圖圖5簡易電子琴VHDL電路原理圖3. 分塊設計（1） 分頻模塊div0由于實驗電路板的主頻是50Mhz,為了數(shù)碼管和點陣的刷

5、新顯示，我們必須將50Mhz的頻率進行分頻。分頻的程序來自電路中心的網(wǎng)站上面。在這個模塊里，我設置分頻系數(shù)為cnt=2499。從實驗結果看，這個分頻對數(shù)碼管和點陣的顯示有很好的效果（2） 數(shù)碼管顯示模塊shuma我使用了2個數(shù)碼管，第一個數(shù)碼管顯示17的音符，第二個數(shù)碼管顯示相關的信息，比如高音用H表示，低音用L表示，自動播放用A表示。兩個數(shù)碼管分別刷新，但由于刷新頻率太快，人眼不能察覺，以為是兩個數(shù)碼管是同時亮的。在程序中我們通過duan : out std_logic_vector(7 downto 0)和 cat : out std_logic_vector(5 downto 0)來控制

6、數(shù)碼管的顯示。當輸入不同的音符和不同的控制信息時，duan和cat向量都有不同的值與之對應。（3） 8*8點陣顯示模塊dianzhen8*8點陣的顯示和數(shù)碼管的顯示運用了同樣的原理，在程序中我們通過row : out std_logic_vector(7 downto 0)和col : out std_logic_vector(7 downto 0)這兩個向量來控制點陣的顯示。當輸入不同的音符時，點陣顯示相應的形狀。（4） 音符產(chǎn)生模塊auto。這個模塊的功能是，選擇的不同模式來產(chǎn)生不同的音符。當選擇自動播放模式時，隨著計數(shù)器count的值增加，即地址值遞增時，程序自動讀取出事先儲存的音符，并

7、把這個音符輸出。當選擇手動演奏模式時，直接將通過BTN1BTN7輸入的向量當做音符輸出yin :out std_logic_vector(6 downto 0);。（5） 分頻預置值產(chǎn)生模塊該模塊的功能是通過音符以及高低音選項來查表找到對應的頻率值。在程序中設置了全部音符對應的分頻預置數(shù)。通過判斷音符產(chǎn)生模塊輸出的音符 yin :in std_logic_vector(6 downto 0)，以及撥碼開關的高低音highlow :in std_logic_vector(1 downto 0)控制鍵，來查找出該音符的頻率值，然后將該頻率賦值給tone :out integer range 0 t

8、o 2000000);。 （6） 數(shù)控分頻發(fā)聲模塊從實驗板上面輸入的時鐘是50MHz的，必須經(jīng)過分頻后由clk_out輸出，驅動蜂鳴器發(fā)聲。Clk_out的輸出頻率就對應著音符的音調。分頻系數(shù)由來自分頻預置值模塊的tone :out integer range 0 to 2000000)。由于直接從數(shù)控分頻器中出來的輸出信號是脈寬極窄的脈沖式信號。為了利用驅動蜂鳴器，需要再增加一個進程，多波形進行整理，均衡占空比三、 仿真波形及波形分析1. 數(shù)碼管顯示模塊仿真波形 波形分析：不同的yin，和highlow組合，數(shù)碼管顯示不同的字符。duan0duan7對應著數(shù)碼管的a段到h段，cat0cat5

9、控制不同的數(shù)碼管2. 點陣顯示模塊仿真波形波形分析：不同的yin輸入，點陣的col和row會有不同的波形，利用clk_in的上升沿來動態(tài)掃描點陣。從而得顯示出指定的圖形。3. 自動播放模塊仿真波形波形分析：當auto 置1，clear置0，yin_out輸出儲存在程序里面的曲子音符，這時候相當于自動播放。當auto置0，clear置0，yin_out輸出從BTN1BTN7讀取的手動輸入的信號，這時候相當于手動演奏。4. 分頻預置值產(chǎn)生模塊仿真波形波形分析:輸入不同的高低音highlow,和音符yin，輸出不同的tone。而tone將作為發(fā)聲模塊的分頻預置值四、 源程序1. 分頻模塊源程序lib

10、rary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity div0 isport(clk_in : in std_logic; -輸入時鐘 clk_tmp : out std_logic); -輸出時鐘end;architecture b of div0 is signal clk : std_logic;beginp0:process(clk_in) variable cnt : integer range 0 to 2499;beginif (clk_in'event and clk_i

11、n='1') thenif cnt=2499 then -分頻系數(shù)為2499cnt:=0;clk<= not clk;elsecnt:=cnt+1; -每個輸入時鐘上升沿到來時cnt加1end if;end if;end process p0;clk_tmp<=clk;end b ;2. 數(shù)碼管顯示源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity shuma isport(clk_in : in std_logic; -以分頻的時鐘輸入 yin : i

12、n std_logic_vector(6 downto 0); -輸入音符 highlow :in std_logic_vector(1 downto 0); -輸入高低音 auto : in std_logic; -自動播放 auto1 : in std_logic; -自動播放1 duan : out std_logic_vector(7 downto 0); cat : out std_logic_vector(5 downto 0) );end;architecture b of shuma issignal duant : std_logic_vector(7 downto 0);s

13、ignal catt : std_logic_vector(5 downto 0);beginp1: process(clk_in,yin,highlow,auto,auto1) beginif auto ='1' thencatt<="111101"duant<="00111111" -顯示“8”表示自動播放elsif auto1 ='1' then catt<="111101"duant<="01111111"-顯示“0”表示試音elsif auto =&

14、#39;0' then if(clk_in ='0') thencase yin iswhen "0000001" => catt<="111110"duant<="00000110" -顯示“1”when "0000010" => catt<="111110"duant<="01011011"-顯示“2”when "0000100" => catt<="111110&quo

15、t;duant<="01001111"-顯示“3”when "0001000" => catt<="111110"duant<="01100110"-顯示“4”when "0010000" => catt<="111110"duant<="01101101"-顯示“5”when "0100000" => catt<="111110"duant<="

16、01111101"-顯示“6”when "1000000" => catt<="111110"duant<="00000111"-顯示“7”when others=> catt<="111111"duant<="00000000"end case; elsif (clk_in ='1') thencase highlow iswhen "10" => catt<="111101"du

17、ant<="01110100" -顯示“L”when "01" => catt<="111101"duant<="00111000" -顯示“H”when others=> catt<="111111"duant<="00000000" end case; end if;end if; end process p1; cat<= catt; duan<= duant;end b;3. 點陣顯示源程序library ieee

18、;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity dianzhen isport(clk_in : in std_logic; -時鐘輸入 yin : in std_logic_vector(6 downto 0); -輸入音符 row : out std_logic_vector(7 downto 0); -點陣行向量 col : out std_logic_vector(7 downto 0) -點陣列向量 );end;architecture b of dianzhen issignal count :

19、 integer range 0 to 6;signal rowt : std_logic_vector(7 downto 0);signal colt : std_logic_vector(7 downto 0);beginp1:process(clk_in)beginif (clk_in'event and clk_in='1') thenif count = 6 then count<=0;elsecount<=count+1;-用count來記數(shù)end if;end if;end process p1;p2: process(count,yin) b

20、egin if (yin = "0000001") thencase count is-點陣顯示，表示“1”音符 when 0=> rowt<="11111110"colt<="01111110" when 1=> rowt<="11111101"colt<="01111110" when 2=> rowt<="11111011"colt<="01111100" when 3=> rowt<

21、="11110111"colt<="01111000" when 4=> rowt<="11101111"colt<="01110000" when 5=> rowt<="11011111"colt<="01100000" when 6=> rowt<="10111111"colt<="01000000" when others=> rowt<="1111

22、1111"colt<="00000000"end case; elsif (yin = "0000010") thencase count is-點陣顯示，表示“2”音符 when 0=> rowt<="11111110"colt<="01111101" when 1=> rowt<="11111101"colt<="01111100" when 2=> rowt<="11111011"col

23、t<="01111100" when 3=> rowt<="11110111"colt<="01111000" when 4=> rowt<="11101111"colt<="01110000" when 5=> rowt<="11011111"colt<="01100000" when 6=> rowt<="10111111"colt<="0100

24、0000" when others=> rowt<="11111111"colt<="00000000"end case;elsif (yin = "0000100") thencase count is-點陣顯示，表示“3”音符 when 0=> rowt<="11111110"colt<="01111011" when 1=> rowt<="11111101"colt<="01111010"

25、; when 2=> rowt<="11111011"colt<="01111000" when 3=> rowt<="11110111"colt<="01111000" when 4=> rowt<="11101111"colt<="01110000" when 5=> rowt<="11011111"colt<="01100000" when 6=> ro

26、wt<="10111111"colt<="01000000" when others=> rowt<="11111111"colt<="00000000"end case;elsif (yin = "0001000") thencase count is-點陣顯示，表示“4”音符 when 0=> rowt<="11111110"colt<="01110111" when 1=> rowt<=&q

27、uot;11111101"colt<="01110110" when 2=> rowt<="11111011"colt<="01110100" when 3=> rowt<="11110111"colt<="01110000" when 4=> rowt<="11101111"colt<="01110000" when 5=> rowt<="11011111&quo

28、t;colt<="01100000" when 6=> rowt<="10111111"colt<="01000000" when others=> rowt<="11111111"colt<="00000000"end case;elsif (yin = "0010000") thencase count is -點陣顯示，表示“5”音符 when 0=> rowt<="11111110"colt&l

29、t;="01101111" when 1=> rowt<="11111101"colt<="01101110" when 2=> rowt<="11111011"colt<="01101100" when 3=> rowt<="11110111"colt<="01101000" when 4=> rowt<="11101111"colt<="0110000

30、0" when 5=> rowt<="11011111"colt<="01100000" when 6=> rowt<="10111111"colt<="01000000" when others=> rowt<="11111111"colt<="00000000"end case;elsif (yin = "0100000") thencase count is-點陣顯示，表示“6”音符 w

31、hen 0=> rowt<="11111110"colt<="01011111" when 1=> rowt<="11111101"colt<="01011110" when 2=> rowt<="11111011"colt<="01011100" when 3=> rowt<="11110111"colt<="01011000" when 4=> rowt&

32、lt;="11101111"colt<="01010000" when 5=> rowt<="11011111"colt<="01000000" when 6=> rowt<="10111111"colt<="01000000" when others=> rowt<="11111111"colt<="00000000"end case;elsif (yin = "1

33、000000") thencase count is-點陣顯示，表示“7”音符 when 0=> rowt<="11111110"colt<="00111111" when 1=> rowt<="11111101"colt<="00111110" when 2=> rowt<="11111011"colt<="00111100" when 3=> rowt<="11110111"c

34、olt<="00111000" when 4=> rowt<="11101111"colt<="00110000" when 5=> rowt<="11011111"colt<="00100000" when 6=> rowt<="10111111"colt<="00000000" when others=> rowt<="11111111"colt<=&qu

35、ot;00000000"end case;else case count is-點陣顯示，表示不輸入音符 when 0=> rowt<="11111110"colt<="01111111" when 1=> rowt<="11111101"colt<="01111110" when 2=> rowt<="11111011"colt<="01111100" when 3=> rowt<="11

36、110111"colt<="01111000" when 4=> rowt<="11101111"colt<="01110000" when 5=> rowt<="11011111"colt<="01100000" when 6=> rowt<="10111111"colt<="01000000" when others=> rowt<="11111111"

37、;colt<="00000000"end case;end if; end process p2; row<= rowt; col<= colt;end b;4. 選擇音符及自動播放源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity auto isport( clk_in :in std_logic;-輸入時鐘 auto :in std_logic;-自動播放 auto1 :in std_logic;-試音播放 clear :in std_lo

38、gic;-復位 yin_in :in std_logic_vector(6 downto 0);-輸入音符 yin_out :out std_logic_vector(6 downto 0); -輸出音符end auto;architecture a of auto issignal count : integer range 0 to 35;signal n: integer range 0 to 6;signal yin : std_logic_vector(6 downto 0);begin p1:process(clk_in,clear)variable i : integer ran

39、ge 0 to 63000000;begin if clear ='1' then count<=0; elsif (clk_in'event and clk_in='1') thenif (i=20000000) then i:=0; if count =15 then count <=0;-自動播放count記數(shù) else count <=count+1; end if; if n =6 then n <=0; -試音播放n記數(shù) else n <=n+1; end if;else i:=i+1;end if; end i

40、f;end process p1;p2:process(count,auto,yin_in,clear)begin if clear='1' then yin<="0000000"-音符清零elseif auto ='1' then-自動播放歌曲case count iswhen 1 => yin<="0000100"-3when 2 => yin<="1000000"-7when 3 => yin<="0000100"-3when 4 =&

41、gt; yin<="0100000"-6when 5 => yin<="0010000"-5when 6=> yin<="0100000"-6when 7 => yin<="0000001"-1when 8 => yin<="0000100"-3when 9 => yin<="0010000"-5when 10 => yin<="0000100"-3when 11 => y

42、in<="0000100"-3when 12 => yin<="0001000"-4when 13 => yin<="0000100"-2when 14 => yin<="0001000"-4when others => yin<="0000000"end case;elsif auto1 ='1' thencase n is-試音播放when 0 => yin<="0000001"-1when

43、 1 => yin<="0000010"-2when 2 => yin<="0000100"-3when 3 => yin<="0001000"-4when 4 => yin<="0010000"-5when 5 => yin<="0100000"-6when 6 => yin<="1000000"-7when others => yin<="0000000"end cas

44、e;elseyin<=yin_in;-動手演奏end if;end if;end process p2;yin_out<=yin;end a;5. 預置分頻系數(shù)模塊源代碼library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity seletone isport( highlow :in std_logic_vector(1 downto 0); -高低音 yin :in std_logic_vector(6 downto 0);-要演奏的音符 tone :out integer ra

45、nge 0 to 2000000); -預置分頻系數(shù)end seletone;architecture a of seletone issignal tone0 :integer range 0 to 2000000;begin process(highlow,yin)begin if highlow ="00" thencase yin is-中音部分when "0000001"=> tone0<=523;when "0000010"=> tone0<=587;when "0000100"

46、=> tone0<=659;when "0001000"=> tone0<=698;when "0010000"=> tone0<=784;when "0100000"=> tone0<=880;when "1000000"=> tone0<=988;when others => tone0<=2000000;end case;elsif highlow ="10" then-高音部分case yin iswhen &quo

47、t;0000001"=> tone0<=1045;when "0000010"=> tone0<=1174;when "0000100"=> tone0<=1318;when "0001000"=> tone0<=1396;when "0010000"=> tone0<=1568;when "0100000"=> tone0<=1760;when "1000000"=> tone0<

48、=1975;when others => tone0<=2000000;end case;elsif highlow ="01" then-低音部分case yin iswhen "0000001"=> tone0<=261;when "0000010"=> tone0<=293;when "0000100"=> tone0<=329;when "0001000"=> tone0<=349;when "0010000"

49、;=> tone0<=392;when "0100000"=> tone0<=440;when "1000000"=> tone0<=494;when others => tone0<=2000000;end case; end if;end process ;tone <=tone0;end a;6. 分頻發(fā)音模塊源代碼library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity div isport(

50、clk_in : in std_logic;-輸入時鐘 tone: in integer range 0 to 2000000;-預置頻率 clk_out : out std_logic);-輸出時鐘end div;architecture a of div issignal clk_tmp0 : std_logic;signal clk_tmp1: std_logic;begin p0:process(clk_in, tone)variable cnt : integer range 0 to 49999999;beginif (clk_in'event and clk_in=

51、9;1') then if cnt <12999999/tone then-分頻系數(shù) cnt:=cnt+1; clk_tmp0<='1' else cnt:=0; clk_tmp0<='0' end if;end if;end process p0;p1:process(clk_tmp0)variable count :std_logic;beginif(clk_tmp0'event and clk_tmp0='1') thencount:=not count;if count ='1' then

52、clk_tmp1 <='1'-輸出平穩(wěn)的波形elseclk_tmp1 <='0'end if;end if;end process p1;clk_out<=clk_tmp1;end a;7. 電子琴頂層設計library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity dianzq isport(clk : in std_logic;-時鐘輸入 yin : in std_logic_vector(6 downto 0);-音符輸入 highlow:

53、in std_logic_vector(1 downto 0);-高低音輸入 auto_in: in std_logic;-自動播放 auto1 : in std_logic;-試音播放 clear : in std_logic;-復位 clk_out: out std_logic;-輸出時鐘 row : out std_logic_vector(7 downto 0);-點陣顯示 col : out std_logic_vector(7 downto 0);-點陣顯示 duan : out std_logic_vector(7 downto 0);-數(shù)碼管顯示 cat : out std_l

54、ogic_vector(5 downto 0);-數(shù)碼管顯示end dianzq;architecture a of dianzq iscomponent div0 is-分頻模塊port(clk_in : in std_logic; clk_tmp : out std_logic);end component;component dianzhen is-點陣顯示模塊port(clk_in : in std_logic; yin : in std_logic_vector(6 downto 0); row : out std_logic_vector(7 downto 0); col : ou

55、t std_logic_vector(7 downto 0) );end component;component shuma is-數(shù)碼管顯示模塊port(clk_in : in std_logic; yin : in std_logic_vector(6 downto 0); highlow :in std_logic_vector(1 downto 0); auto : in std_logic; auto1 : in std_logic; duan : out std_logic_vector(7 downto 0); cat : out std_logic_vector(5 downt

56、o 0) );end component;component auto is-自動播放模塊port( clk_in :in std_logic; auto :in std_logic; auto1 : in std_logic; yin_in :in std_logic_vector(6 downto 0); clear : in std_logic; yin_out:out std_logic_vector(6 downto 0); end component;component seletone is-預置分頻系數(shù)模塊port( highlow:in std_logic_vector(1

57、downto 0); yin :in std_logic_vector(6 downto 0); tone :out integer range 0 to 2000000); end component;component div is-分頻發(fā)音模塊port(clk_in : in std_logic; tone : in integer range 0 to 2000000; clk_out : out std_logic);end component;signal yin_tmp :std_logic_vector(6 downto 0);signal tone_tmp : integer

58、 range 0 to 2000000;signal clk_tmp : std_logic;beginu1: auto port map (clk_in=>clk,auto=>auto_in,yin_in=>yin,yin_out=>yin_tmp,clear=>clear,auto1=>auto1);u2: seletone port map (highlow=>highlow,yin=>yin_tmp,tone=>tone_tmp); u3: shuma port map (duan=>duan,cat=>cat,yin=>yin_tmp,clk_in=>c