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1、.word可编辑.EDA技术实用教程课程设计课程设计报告课 题： EDA电子琴 课程名称： EDA技术实用教程 学院名称： 物理电气信息学院 班 级： 2011级通信工程（1）班 学生姓名： 安 昱 学 号： 12011243986 指导教师： 杨泽林2013年12月26日EDA技术实用教程课程设计EDA电子琴摘 要 ：本课程设计主要采用EDA技术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从而演奏出已存入的乐曲。在课程设计中，系统开发平台为Windows XP，程序设计采用VHDL语言，程序运行平台为Quartus II。然后编写程序实现电子琴的各项功能，使不同的音阶对应不同频率的
2、正弦波，按下不同的键时发出对应频率的声音。程序通过调试运行，时序仿真，电路功能验证，顺利地实现了设计目标。关键词 ： 电子琴；EDA；VHDL；音阶；频率1、引 言随着信息科学的进步，现代电子产品的性能越来越高，复杂度越来越大，更新步伐也越来越快，电子技术的发展进入了划时代的阶段。其中电子技术的核心便是电子设计自动化EDA（Electronic Design Automatic）技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新成果而开发出的电子CAD通用软件包，它根据硬件描述语言VHDL完成的设计文件，自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线及仿真
3、，直至完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。本课程设计就是采用EDA技术描述语言VHDL编程实现简易电子琴的各项功能，是EDA技术应用于实际的一个很好的例子。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。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
4、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。EDA技术实用教程课程设计（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
5、计原理图如1-1所示。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 、EDA、VHDL简介EDA技术是以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。EDA可提供文本输入以及图形编辑的方法将设计者的意图用程序或者图形方式表达出
6、来，而我们经常用到的VHDL语言便是用于编写源程序所需的最常见的硬件描述语言（VHDL）之一。2.1 EDA技术EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）缩写，是90年代初从CAD、CAM、CAT和CAE的概念发展而来的。EDA技术是电子设计的发展趋势，利用EDA工具可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作。EDA工具从数字系统设计的单一领域，EDA技术实用教程课程设计 发展到今天，应用范围已涉及模拟、微波等多个领域，可以实现各个领域电子系统设计的测试、设计方针和布局布线等。现在对EDA的概念或范畴用得很宽，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿
7、产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA主要辅助进行三个方面的设计工作：IC设计、电子电路设计和PCB设计。2.2 VHDL语言常用硬件描述语言有VHDL、Verilog和ABEL语言，而VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的结构特点是将设计实体的内部功能和算法完成部分。相对于其他硬件语言，VHDL有许多优点。比如VHDL的行为描述能力更强，而且具有丰富的仿真语句和库函数，随时可对系统进行仿真模拟，使设计者对整个工程的结构和功能可行性做出判断；另外，由于具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于完成的设计，在不改变源
8、程序的条件下，只需改变类属参量和函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。3、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。3.1 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
9、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VARIABLE COUNT:INTEGER RANGE 0 TO 8; -定义计数器变量，值从0到8IF AUTO=1THEN -键盘输入为1COUNT:=0;CLK2INDEX0INDEX0TONE0=912;CODE=0010010;HIGHTONE0=1372;CODE=0001111;HIGHTONE0=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
10、二进制发声信号转化为对应的频率。3.3 数控分频模块数控分频模块是对时基脉冲进行分频，得到与0、1、2、3、4、5、6、7八个音符相对应的频率。FENPIN模块的源程序符号编辑图如图3-3。该模块主要由4个工作进程组成。首先，根据系统时钟信号的输入得到时基脉冲以及计数器的值，而时钟信号在AUTO模块中便已给出，两者之间的设置关系类似于AUTO模块中第一个工作进程的设置。第二个PROCESS是此模块的核心，即由时基脉冲值转化为音符的频率。部分源程序如下：VARIABLE COUNT11:INTEGER RANGE 0 TO 2047;-定义频率计数器，从0到2047HzIF(PRECLKEVEN
11、T AND PRECLK=1)THEN -时基脉冲为1时IF COUNT11TONE1 THEN -频率计数器小于音符分频系数COUNT11:=COUNT11+1;FULLSPKS=1; -计数加1，扬声器音频为1ELSECOUNT11:=0;FULLSPKS=0;最后一个PROCESS则是用来设置扬声器输出信号的，扬声器信号由0和1控制，当且仅当前一个PROCESS中的FULLSPKS输出为1时，扬声器才有输出，再根据计数器取值来确定输出是1还是0。部分源程序如下：IF(FULLSPKSEVENT AND FULLSPKS=1)THEN -扬声器音频信号为1COUNT2:=NOT COUNT
12、2;IF COUNT2=1THENEDA技术实用教程课程设计SPKS=1; -扬声器输出为1ELSE SPK=0;3.4 顶层设计该DIANZIQIN模块是整个电子琴设计的核心，也是VHDL程序的主程序，前面3个源程序都是作为子程序分别实现电子琴的某一功能，而DIANZIQIN模块则通过调用子程序最终实现乐曲演奏的目的，奏出美妙的乐曲。利用VHDL语言COMPONENT将三个模块组合起来，其中3个模块和DIANZIQIN模块的输入输出是一一对应的，比如AUTO对应HANDTOAUTO,TONE0对应TONE2，SPKS对应SPKOUT等，该模块的符号编辑图如图3-2。图3-2 DIANZIQIN模块的符号编辑图该图描述的是DIANZIQIN模块输入输出的变量表示，整个系统的整体组装设计原理图就是这3幅编辑图按输入输出关系顺序连接而成的。4 、系统仿真系统仿真是在实际系统上进行实验研究比较困难时适用的必不可少的工具，它是指通过系统模型实验去研究一个已经存在或正在设计的系统的过程，通俗地讲，就是进行模型实验。因而，系统仿真的结果决定整个课程设计任务完成的到位程度。4.1 时序仿真EDA技术实用教程课程设计编译完成后，可以对所进行的设计进行仿真，下面简单介绍
