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1、具有自动乐曲演奏功能的电子琴设计先给出设计结果视频链接:具有自动乐曲演奏功能的电子琴-视频实录 本文为本人于2012年下学期做的EDA数字系统设计，文章详细介绍了“具有自动乐曲演奏功能的电子琴”的FPGA设计原理与方法，使用了ROM存储音符和节拍，矩阵键盘控制整个系统。一、选题目的 电子设计自动化，简称EDA（Electronic Design Automation），发展迅速，应用范围日益扩大。它以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程
2、下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。 本文应用VHDL硬件描述语言，以Quartus8.0为开发工具设计了一个具有自动演奏乐曲功能的电子琴系统，它能将预先存储在ROM中的多首乐曲自动播放出来，并同时显示音符，此外，还具有电子琴弹奏的功能。选题新颖、实用，趣味性、综合性较强。二、设计目标1. 采用44矩阵键盘作为：电子琴按键，高、中、低音选择键，自动播放和电子琴弹奏功能选择键，乐曲选择键。2. 使用ROM存储乐曲，达到只要在其中存储乐曲音符节拍的信息即可自动播放的目的，对乐曲的编码要简单易用。3. 可自动播放世上只有妈妈好、长亭送别、十年三
3、首歌曲，带选歌和自动循环播放的功能。4. 实时显示正在播放的音符。5. 设计要具有模块化，层次化的特点。6. 波形仿真时采用时序仿真，以更加贴近实际，使系统的实际效果达到最佳。三、实现方案1. 原理框图 具有自动乐曲演奏功能的电子琴系统的原理结构框图如下：图1 硬件系统结构框图 图2 软件系统结构框图图3 乐曲自动播放模块结构框图 图4 乐曲弹奏模块结构框图2. 设计流程图 具有自动乐曲演奏功能的电子琴系统的VHDL程序设计流程图如下图5：图5 程序设计流程图四、设计过程1. 音乐基础知识 简谱应该说是一种比较简单易学的音乐记谱法。它的最大好处是仅用7个阿拉伯数字-1234567，就能将万千变
4、化的音乐曲子记录并表示出来，并能使人很快记住而终身不忘；同时涉及其他的音乐元素也基本可以正确显示。简谱虽然不是出现在中国，但是好像只有在中国得到非常广泛的传播。 乐音的特性：它由四个方面组成：音高、音值、音量、音色。 音高：由物体在一定的时间内震动的次数决定，震动次数多，因则高，反之，则低。 音值：即音的长短，是由音的延续时间的不同而决定的，音的延续时间长，音则长，反之，则短。 音量：即音的强与弱，由震幅的大小决定，震幅大，音则强，反之，则弱。 音色：有发音体的性质决定，发音体的形状及泛音的多少决定音色的不同，例如，小提琴、钢琴等各种乐器的音色都是不同的，在合奏时，人们可清楚地辨认。 乐音体系
5、：在音乐使用中有固定音高的音的总和叫乐音体系。 音级：乐音体系中的各音叫音级，音级有基本音级与变化音级两种。 基本音级：在音乐中经常使用的七个具有独立名称的音叫基本音级。基本音级的名称用字母或唱名两种方式来标记。 音名：用C、D、E、F、G、A、B来标记基本音级的叫音名，它表示一定的音高，简谱中用1,2,3,4,5,6,7来标记。 唱名：用do、re、mi、fa、sol、la、si作为音级名称的叫唱名。 音符：用以记录音的长短高低的符号叫音符（以符头在谱表上的位置来表示音的高低，以形状表示音的长短，音符有符头、符干、符尾三部分或其中某些部分组成，而在简谱中以1 2 3 4 5 6 7或其上下加
6、点来表示不同音高，以短下划线(_)或横()来表示音的长短）。 下面重点介绍组成音乐的两个最基本的要素：每个音符发音的频率及其持续的时间。 1.1 音符和频率的关系 乐曲的十二平均律规定：每2 个八度音（如简谱中的中音1与高音1）之间的频率相差一倍。在2个八度音之间，又可分为12个半音，每2个半音的频率比为。另外，简谱中的低音6的频率为440Hz，音符7到1之间、3到4之间为半音，其余为全音。由此可计算出简谱中从低音1至高音7之间每个音符的频率，如下表1所示：表1 简谱中音符与频率的关系音名频率（Hz）音名频率（Hz）音名频率（Hz）低音1261.6中音1523.3高音11046.5低音2293
7、.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 1.2 音符的长短 表示音乐的长短需要有一个相对固定的时间概念。简谱里将音符分为全音符、二分音符、四分音符、十六分音符、三十二分音符等，如下表2。在这几个音符里面最重要的是四分音符，它是一个基本参照度量长度，即四分音符为一拍。这里一拍的概念是一个相对时间度量单位。一拍的长度没有限制，可以是1秒 也可以是2秒或半秒。假如一拍是一秒的长
8、度，那么二拍就是两秒；一拍定为半秒的话，两拍就是一秒的长度。一旦这个基础的一拍定下来，那么比一拍长或短的符号就相对容易了。正如五线谱的附点一样，数字后方加一点会将音符长度增加一半。表2 简谱中音符长度音符名称记法时值编码全音符5 四拍16二分音符5 二拍8四分音符5一拍4八分音符半拍2十六分音符四分之一拍1三十二分音符八分之一拍2. VHDL程序设计 2.1 顶层文件 采用原理图输入法设计，其原理图如下：图6 music_player原理图 各模块的设计如下。 2.2 音符的编码及音乐的存储 2.2.1 音符的编码 休止符的编码为：0；音符长度的编码见表2。音名的编码如下表3所示：表3音名的编
9、码音名编码音名编码音名编码低音111中音11高音121低音212中音22高音222低音313中音33高音323低音414中音44高音424低音515中音55高音525低音616中音66高音626低音717中音77高音7272.2.2 音乐的存储 以十进制将音乐分别存储于note_rom和tick_rom两个模块中，前者为音符，后者为音符的长度，下面给出世上只有妈妈好的存储过程。在Quartus II 主窗体中选择ToolsMegaWizard Pluge-In Manager，弹出如下对话框，单击Next继续。图 7 MegaWizard Pluge-In Manager第一页按下图选择并填入
10、文件名，点击Next。图 8 MegaWizard Pluge-In Manager第二页 由于音符编在16到32之间，所以q选为5位即可，容量选为1024个字如下图所示图 9 数据和地址宽度的选择在下图中取消“qoutput port”前面的勾，点击Next继续。图 10 寄存器信号的选择在下图中，按图示选择并填入note_rom.mif，点击Next继续。图 11 指明ROM初始化文件图 12 完成ROM的定制2.2.3 建立ROM初始化文件 初始化ROM的数据文件有.mif格式和.hex格式，这里采用.mif格式，可以用文本编辑器编辑，也可以用Quartus II自带的功能产生ROM数据
11、文件。定制一个512*8的ROM的初始化.mif文件可按下列步骤进行：选择菜单File | New，在对话框中选择Memory Initialization File，然后输入512和8，如下图13（a）所示，点击OK随即打开.mif文件，如下图13（b）所示，然后可在其中输入数据，默认为十进制。 （a）ROM的初始化设置 （b）初始化的空的ROM文件图13 ROM初始化2.2.4 在ROM中存储音乐以世上只有妈妈好为例，其简谱如下图所示：图14 世上只有妈妈好简谱 根据前述对音符的编码规则，可知第一个音为中音6，时值为拍，存储为6和6；再如第二个音符为中音5，时值拍，存储为5和2；又如第五个
12、音符为高音5，时值1拍，存储为21和4。依此类推，可将整首乐曲存储如下：（a）note_rom.mif文件 （b）tick_rom.mif文件图15 世上只有妈妈好简谱在ROM中的存储其它两首乐曲的存储与此类似，且存储在同一个note_rom.mif和tick_rom.mif文件中即可。3.键盘控制模块3.1扫描及编码 矩阵式键盘是一种常见的输入装置，根据其电路连接有共阴极和共阳极两种连接方式，可以采用逐行或逐列扫描法获得按键值。本文根据实验室提供的共阳极矩阵键盘设计，其示意图如图16所示，定义各功能键如下图17所示，其中17对应简谱的17音符，H、M、L分别为高、中、低音选择键，AP（Aut
13、o Play）为自动播放选择键，EO（Electronic Organ）为电子琴弹奏选择键，Song为自动播放时的歌曲选择键，三个短“-”代表休止符。 图16 共阳极矩阵式键盘示意图 图17本系统矩阵键盘功能键示意 下面介绍扫描原理，采取逐行扫描法，以0111、1011、1101、1110的顺序依次扫描，然后读取列引脚的电平信号即可判断哪个按键按下。例如，当扫描信号为1011时，表示在扫描第二行，若列读出的电平信号为1101，则可知第3列的键被按下，即第二行第3列的键“7”被按下，其它按键依次类推，下表4中列出了4*4矩阵键盘扫描时的情况表4 按键扫描信息对照表 列行 0111101111011110111101111234无1011567H无1101APEOSongM无1110-L无对该矩阵键盘按从上到下、从左至右的顺序编码，依次为：1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 。扫描时，选取的扫描频率为1KHz，由1MHz分频得到，具体见源程序。3.2 消抖 通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时,由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖
