《电子琴的设计八音阶》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子琴的设计八音阶（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目录摘要2 关键字2 第一章系统设计.21.1设计要求21.1.1 基本部分.21.1.2 发挥部分.21.2 总体设计方案.21.2.1设计思路31.2.2 方案比较.31.2.3 系统组成和工作原理.3 第二章单元电路设计.42.1顶层模块(top)的设计42.2自动演奏模块(automusic)的设计42.3音调发生模块(tone)的设计42.4数控分频模块(speaker)的设计4第三章软件设计.53.1VHDL 语言简介.53.2 软件设计.5第四章系统测试.64.1 测试使用的仪器.64.2 测试方法.64.3 指标测试和测试结果.6第五章结束语.6第六章参考文献.6第七章附录.7
2、电子琴的设计摘要：用可编程逻辑器件(PLD)来完成该设计。核心是一数控分频器，对输入的脉冲进 行分频，得到每个音阶对应的频率，由此实现简易电子琴的发音功能。电子琴可演奏由键盘 输入的音阶或切换到自动演奏存储在电子琴内的乐曲。本设计基于超高速硬件描述语言VHDL在Xilinx公司的SpartanII系列的XC2S2005PQ-208芯片上编程实现；经仿真，硬件测 试和调试基本能够达到技术指标，实验结果和仿真结果基本一致。关键词：PLD, VHDL，数控分频，电子琴The Design of Electrical OrganCao XuekeTan Xianfeng Tian Dandan( Na
3、nhua UniversityHengYang Hunan 421001)Teacher： Wang YanAbstract： The design is accomplished with Programmable-Logic-Device (PLD). The core of it is a numerical control frequency divider, which can divide the input pulse into the corresponding frequency to the musical scale, so that it can achieve the
4、 sounding function of simple electronic organ. The organ can play the musical scale put in with a keyboard or switch to auto play the melody stored in it. The design is programmed with VHDL and realized in the chip of XC2005PQ-208 Xilinx series. It can basically reach the technique index after simul
5、ating, hardware debugging. The experiment result is consonant with the simulating result. Keywords：PLD, VHDL, numerical control frequency divider, electrical organ第一章 系统设计1.1 设计要求1.1.1 基本部分设计一八音电子琴，由键盘输入来控制其对应的音响。1.1.2 发挥部分 设计一乐曲自动演奏器，由用户自己编制乐曲存入电子琴，电子琴可以完成自动演奏 的功能。1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路通过可编程逻辑器件（PLD）
6、和VHDL硬件描述引言来实现电子琴的基本部分和发挥 部分的设计。对于基本部分，设计的主体是数控分频器，对输入的频率进行分频，得到各个 音阶对应的频率最为输出。对于发挥部分，则在原设计的基础上，增加一个乐曲存储模块， 代替了键盘输入，产生节拍控制（index数据存留时间）和音阶选择信号，即在此模块中可 存放一个乐曲曲谱真值表，由一个计数器来控制此真值表的输出，而由此计数器的计数时钟 信号作为乐曲节拍控制信号，从而可以设计出一个纯硬件的乐曲自动演奏电路。1.2.2 方案比较方案一：由单片机来完成设计。可用单片机控制键盘的输入，以及产生相应的频率信 号作为输出。目前，单片机的功能已比较强大，集成度日
7、益增高且其设计和控制比较容易。 但是由于在传统的单片机设计系统中必须使用许多分立元件组成单片机的外围电路，如锁存 器，译码器等都需要单独的电路，因此整个系统显得十分复杂，抗干扰性差，在运行过程中 容易死机或进入死循环，可靠性降低，而功耗费用增高。方案二：利用PLC来完成设计。目前利用PLC的技术已经比较成熟。PLC有其优点， 其性能优异，体积小，可靠性和精度都比较好，在电子琴的设计中可采用PLC来完成硬件 的控制，但是用PLC实现编程相对比较复杂，对于电子琴这种小型设计来说成本过高,。方案三：利用可编程逻辑器件PLD来完成该设计。利用PLD可以很好的解决上述的问 题。它的成品体积小，适合电子琴
8、这种小型设计。其性能稳定，控制精度高Xilinx公司的 高密度，高速可预测延时，高性能系列芯片），易于管理和屏蔽，抗干扰能力强，可靠性高。 综上，在本设计中选择第三种方案最优。1.2.3 系统组成及工作原理图1-2-3-1为系统的工作原理框图。由于实验设备所限，提供的基准脉冲为32MHz, 所以在本设计中需要将其进行分频，以得到所需要的脉冲（实际在设计中将分频部分包括了 在了音乐存储和音调发生两个模块中，没有单独列出）。键盘编码器的作用是对键盘按键输 入的信号进行检测，并且产生相应的分频系数。自动演奏/按键输入切换的目的是针对设计 要求基本部分和发挥部分的切换而提出的。它也不是一个单独的模块，
9、它的作用相当于一个 开关，在音调发生器中选择是接收来自音乐存储器中的信号，还是来自在键盘编码器中的信 号。如果该信号为1，则选择的是手动输入，而为0 的时候是演奏音乐存储器里面的乐曲。 音调发生器的主要部分是一个数控分频器，它由一个初值可预置的加法计数器构成，详细工 作原理将在后文做介绍，当它接收到一个分频信号时，便对端口的16MHz的输入频率进行 分频，之后由扬声器输出对应的声调。图 1-2-3-1 工作原理框图第二章 单元电路设计2.1 顶层模块的设计VHDL采用的是自顶向下的设计方式，顶层模块由乐曲自动演奏（automusic），音调 发生器（tone）和数控分频器（speaker）三个
10、模块组成。图2-1-1即是顶层设计原理图。其 中乐曲演奏部分又包括了键盘编码。设置一个自动演奏/键盘输入切换auto,即当autoO】 时，选择自动演奏音乐存储器里面的乐曲，autoJl】时，选择由键盘输入的信号，再对其进 行编码，输出的都是八位二进制数，对应音调发生器的输入。图 2-1-1 顶层设计原理图2.2自动演奏模块（automusic）的设计为了实现扩展部分的设计，便需要多加上一个音乐存储模块，该模块的作用是产生8 位发声控制输入 index，auto 为 0 或 1 时可以选择自动演奏或者键盘输入，如果 auto 为 0， 则而由存储在此模块中的8 位二进制数来作为发声控制输入，由
11、此便可自动演奏乐曲。此模 块的VHDL语言中包括两个进程，首先是对基准脉冲进行分频得到4Hz的脉冲，作为第二 个进程的时钟信号，它的目的是控制每个音阶之间的停顿时间，此处便是l/4=0.25s,第二 个进程是音乐的存储，可根据需要编写不同的乐曲。2.3音调发生器（tone）模块的设计音调发生器的作用是产生获得音阶的分频预置值。当8位发声控制输入index中的某 一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将以端口 tone输出，作为获得该音阶的分频预置 值，该值作为数控分频器的输入，来对4MHz的脉冲进行分频，由此得到每个音阶相应的频 率，例如输入index=00000010，即对应的按键是2,产生的
12、分频系数便是6809；由code 输出对应该音阶简谱的显示数码；由high输出指示音阶高8度的显示，低电平有效。2.4数控分频模块（speaker）的设计数控分频模块的目的是对基准脉冲分频，得到1,2,3,4,5,6,7七个音符对应频率。该模 块的VHDL描述中包含了三个进程。首先对32MHz的基准脉冲进行分频得到8MHz的脉冲， 然后按照tone1输入的分频系数对4MHz的脉冲再次分频，得到的便是所需要的频率。而第 三个进程的作用是在音调输出时再进行二分频，将脉冲展宽，以使扬声器有足够功率发音。第三章 软件设计3.1 VHDL 硬件描述语言简介PLD 的软件已发展得相当完善，利用 VHDL
13、硬件描述语言来实现程序的编制，这样硬件 的功能描述可以完全在软件上实现。VHDL是用于逻辑设计的硬件描述语言，成为IEEE标准。 它作为描述硬件电路的语言，有以下特点：（1）VHDL的宽范围描述能力使它成为高层次设计的核心，将设计人员的工作重心提 高到了系统功能的实现与调试，而花较少的精力于物理实现。（2） VHDL可以用简洁明确 的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计，灵活且方便，而且也便于设计结果的交流、保存和 重用。（3）VHDL的设计不依赖于特定的器件，同一个HDL原码可以综合成FPGA或ASIC, 方便了工艺的转换。(4) VHDL是一个标准语言，为众多的EDA厂商支持，而且设计出来的电
14、路大多数并 行运行，因此移植性好且速度快。采用VHDL语言设计复杂数字电路的方法具有很多优点， 其语言的设计技术齐全、方法灵活、支持广泛。它可以支持自顶向下(Top Down)和基于 库(Library_Based)的设计方法，而且还支持同步电路、异步电路、FPGA以及其他随机电 路的设计，其范围很广，语言的语法比较严格，给阅读和使用都带来了极大的好处。3.2 软件设计本设计采用Xilinx公司的EDA软件系统Foundation Series ISE 4.2i来完成。采用自顶向 下的设计方法。图3.2.1 为其软件流程图。软件设计采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立，实际上在设计中将键盘输入和 乐曲存储放在了一个自动演奏模块中，软件设计的核心部分是数控分频器，键盘输入和乐曲 储存都是提供给它相应的分频比。对输入的基准时钟进行多次分频，最终输出的就是想得到 的音阶的频率。 VHDL 描述语言和仿真图详见附录。第四章 系统测试4.1测试使用的仪器Xilinx 公司的
