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1、数字系统与逻辑设计实验-电子节拍器北 京 邮 电 大 学数字系统与逻辑设计实验报告电子节拍器的设计与实现 学院 : 电子工程学院 班级 : 2013211207 学号: 2013210999 姓名: 日期 : 电子节拍器的设计与实现一 设计课题的任务要求设计并实现一个具有声光显示的电子节拍器。 基本要求： 1、 速度在 40120 次/分钟范围内连续可调，通过 2 个按键进行速度调节，一个用来增 加，一个用来减少，当长按按键时，按 5 次/秒的速度连续增加或减少，用 3 个数码 管显示当前速度。 2、 节拍有 1/4、2/4、3/4、4/4、3/8、6/8 可选，通过一个按键选择，用 2 个数
2、码管显示。 3、 通过一个按键开始和停止打节拍，开始后按照设置好的节拍和速度打节拍。 4、 要求有声音和灯光提示，声音要有强弱区别，灯光可用不同颜色的发光二极管表示 强弱。 提高要求： 1、 通过一个按键选择时值（节奏类型），并在用点阵显示，如下图。 2、 实现在无节奏型的情况下，用点阵计时，点阵的显示从0到9，时间间隔为一秒，从而帮助使用者学习乐理知识。二 系统设计（设计思路，总体框图，分块设计）1. 设计思路 程序分为输入模块，分频模块，中央控制模块和显示模块四大模块，其中显示模块又可细分为数码管显示，点阵显示，LED灯亮灯显示和蜂鸣器发声四个部分。输入有reset（复位键），st（开关键
3、），tn（调速键），tk(调节拍键)，tj（调节奏键）五个键。利用三个数码管显示速率，两个数码管显示节拍型，使用点阵显示节奏型，无节奏时点阵显示0到9的计时（时间间隔为1秒）。对于开关，速率，节拍，节奏的调节，使用5HZ的时钟信号进行防抖和控制调节的速度。利用取余函数将节拍器的速率的个十百位数字分别提取出来，并通过扫描显示将节拍器的速率和节拍型显示出来。LED灯和点阵的信号依据节奏和节拍型确定，先考虑节奏型，分列出各个节奏型的信号，如果无节奏型再考虑节拍型，确定节拍型的信号。最后蜂鸣器的信号由红灯信号与250HZ高频相乘所得信号和绿灯信号与500HZ高频相乘所得信号共同合成。2总体框图（1）系
4、统顶层框图 系统复位蜂鸣器发声电路数码管显示电路点阵显示电路LED灯显示电路 节拍器中心控制电路（2）系统对外接口图蜂鸣器LED显示数码管扫描显示点阵显示节奏选择键st节拍选择键st速率调节键tn开关键st复位键Reset节拍控制器 （3）逻辑划分方框图n , kclk500,clk250,clk1clk2,clk4,clk8frow ,listb ,cr ,g gclk5clk控制器分频器时钟时钟蜂鸣器LED灯数码管点阵tjtktnstreset防抖复位键调速键节拍选择键节奏选择键开关键noyes无节奏型节奏选择键？noyes节奏型1节奏选择键？noyes节奏型2节奏选择键？noyes节奏型
5、4节奏选择键？noyes节奏型3节奏选择键？noyes节奏型5节奏选择键？（4）逻辑流程图（由于状态先由有无节奏型确定，无节奏型时再看节拍型，为了使图形简洁美观，避免画图时线条过多和交叉，此处将逻辑流程图分为两个部分，当从有节奏型转换为无节奏型时，状态转入先前的节拍型，而非默认的40HZ的1/4拍）节奏型间的转换： noyes1/4拍节拍键?noyes2/4拍节拍键?noyes3/4拍节拍键?noyes4/4拍节拍键?noyes3/8拍节拍键?noyes6/8拍节拍键?节拍内的转换：（5）MDS图节奏间的转移（其中0为无节奏，转移条件为节奏选择键输入tj）:101010101010012345
6、节拍间的转移（转移条件为节拍选择键输入tk）:1010101010100102030405063. 分块设计（1） 分频模块：分频模块可以细分为两个部分，一个是与速率，节拍无关的普 通分频，一个是与其有关的分频分频比的计算：待得信号单位时长 / 基础信号单位时长第一部分：需要分出的信号有clk500（用于蜂鸣器高音合成）clk250（用于蜂鸣器低音合成）clk5（用于调速，选节拍，选节奏的防抖和控制其变化速度）clk1（用于无节奏时控制计时器在0到9间转换） 第二部分：需要分出的信号有 clk8（八分音符信号）clk4（四分音符信号）clk2（二分音符信号）（2） 调速，选拍，选节奏模块对于速
7、率，拍子和节奏的选择，各使用一个按钮输入，通过循环实现重复选择。由于按钮输入时在上升沿有毛刺出现，为了防抖，引入5HZ的信号clk5，由clk5的上升沿决定是否变化。同时，clk5的引入控制了变化的速度。（3） 数码管显示模块此模块共用到五个数码管，其中三个显示速率，两个显示节拍类型，通过引入clk250实现数码管的扫描显示。节拍的显示可以通过k的值（6种情况）直接使用case语句分类输出。而速率的显示由于速率从每分钟40次到每分钟120次，中间共有81种情况，不可能直接依据其值n进行分类，写出每一种情况对应的数码管扫描输出。所以需要提前把速率的每一个数位上的数字提取出来，便于输出。提取每一位
8、的数字可以利用取余函数rem, 具体如下： c3=n rem 10; c2=(n-c3) rem 100)/10; c1=(n-c2*10-c3)/100;（4） 点阵显示模块实验室提供的点阵是8乘8的行扫描点阵。点阵模块在此要实现两个功能能，一是在无节奏普通节拍的情况下实现从0到9的时钟计时（两个数字时间间隔为1秒），第二则是在有节奏型的情况下，将节奏型的符号显示在点阵上。为了实现此两个功能，要引入一个变量p来进行区分：当无节奏型（j=1）时，p在0到9间转换，实现计时功能；当有节奏型（j!=1）时，p=j+8，用于显示节奏符号的情况。实际上，点阵显示共有15种状态（10+5）。 （5） L
9、ED灯显示模块LED灯采用两个不同颜色的灯输出，一红一黄，分别代表强弱拍。根据有无节奏类型和节拍类型，可先确定一个基本的信号，以下以3/4拍为例，则基本信号为四分音符信号clk4，再通过引入计数变量y1，y1在clk4的上升沿出现时发生变化，且在0到2间变化，若y1对3取余为0，则将基本信号赋值给红灯输出，否则将信号赋值给绿灯输出，从而实现信号的抽取（注意将此处得到的信号与普通分频得到的信号加以区分，占空比不为50%）。其余的节奏和节拍均可用类似的方法抽取出LED红绿灯的信号。（6） 蜂鸣器发声模块蜂鸣器的声是实现在LED灯显示的基础上的，由于LED的红灯亮时，蜂鸣器发出声调较低的响声（强音）
10、，当LED绿灯亮时发出声调较高的响声（弱音），蜂鸣器和LED间有明显的同步关系，则蜂鸣器的具体实现为：将LED红灯信号与次高频信号相乘，将LED绿灯信号与高频信号相乘，再将两者相加，赋值给蜂鸣器。实现语句可写为： clkf4-3-1-0，然后再循环。由于每个数码管闪烁的频率为50hz，所以人眼无法分辨出来，实现每个管的稳定显示。对单个数码管的分析：b控制单个数码管7个管脚的亮灭，且为高电平有效。从图中可以看到：当n=40,k=1的时候，b表示的数字依次为0-4- 0-1-4，表示速率为40hz每分钟和节拍型为1/4拍；当n=41,k=2的时候，b表示的数字依次为0-4-1-2-4，表示表示速率为41hz每分钟和节拍型为2/4拍。综合分析：当复位键reset输入信号为1时，用于扫描计数的q
