简易电子琴的VHDL仿真与实现.doc

简易电子琴的vhdl设计与实现 一.设计课题与任务要求：设计制作一个简易电子琴演奏器。原理概述：根据声乐知识，产生音乐的两个因素是音乐频率的持续时间，音乐的十二平均率规定，每两个八音度之间的频率相差一倍，在两个八音度之间，又可分为12个半音。每两个半音的频率比为4。另外，音名a（乐谱中的低音6）的频率为440hz，音名b到c之间，e到f之间为半音，其余为全音。由此可以计算出乐谱中从低音1到高音1之间每个音名的频率如下表所示。表1 简谱中的音名与频率的关系音名频率（hz）音名频率（hz）音名频率（hz）低音1261.63中音1523.25高音11046.50低音2293.67中音2587.33高音21174.66低音3329.63中音3659.25高音31318.51低音4349.23中音4698.46高音41396.92低音5391.99中音5783.99高音51567.98低音6440中音6880高音61760低音7493.88中音7987.76高音71975.52基本要求：1、 用88点阵显示“1 2 3 4 5 6 7”七个音符构成的电子琴键盘。其中点阵的第一列用一个led点亮表示音符“1”，第二列用二个led点亮表示音符“2”，依此类推，如下图所示。1 2 3 4 5 6 7图1 点阵显示的电子琴键盘2、 用btn1btn7七个按键模拟电子琴手动演奏时的“1 2 3 4 5 6 7”七个音符。当某个按键按下时，数码管显示相应的音符，点阵上与之对应的音符显示列全灭，同时蜂鸣器演奏相应的声音；当按键弹开时数码管显示的音符灭掉，点阵显示恢复，蜂鸣器停止声音的输出。下图所示为按下btn3按键时点阵的显示情况。1 2 3 4 5 6 7图2 按键按下后的点阵显示3、 由拨码开关切换选择高、中、低音，并用数码管进行相应的显示。4、 通过按键btn0进行复位，控制点阵显示图1的初始状态。提高要求：1、 可通过一个拨码开关进行手动/自动演奏的切换，并与点阵显示配合增加自动演奏乐曲的功能。2、 增加手动演奏的音符存储、播放功能。二系统设计（包括设计思路、总体框图、分块设计）1.设计思路说明：电子琴的设计包括七个模块：弹奏模块keyplay、自动演奏模块autoplay、查表及显示模块table、分频模块fenpin、存储模块store、七段数码管显示模块seg7和点阵的显示模块lattice。 弹奏模块keyplay根据按键动作key，和高中低模式选择mode产生指示音调的index_key。自动演奏模块autoplay接收50mhz的时钟信号，输出index_auto。 存储录音模块store根据store1选择录音，用数组存储index_key，并将其传输给index_store，作为录音存储的数据。 查表及显示模块table根据按键button，replay选择采用index_key或index_auto或者index_store来查分频系数表，输出分频系数tone。对于tone的编码，采用了五位编码方式，高2位存储高中低音对应的11、01、00编码，低3位存储相应输入音调对应的二进制编码。 分频模块fenpin接收table输出的分频系数 tone，并据此分频，将对应频率的信号buzz输出给扬声器供其发声。七段数码管显示模块seg7根据对应的按键button，replay选择采用index_key或index_auto或者index_store，分别对应不同的数码管显示输出。点阵的显示模块lattice根据对应的按键button，replay选择采用index_key或index_auto或者index_store，分别对应不同的数码管显示输出。这样可以保证在不同的模式下点阵以及数码管都可以对应显示输出。2.总体框图与流程图 图1 系统实现流程图 图2 系统设计框图3.分块设计系统总体设计： 图3 顶层设计keyplay模块设计：将输入key6.0，mode编码为index_key4.0。index_key4.0的高两位表示高、中、低音，00表示低音，01表示中音、11表示高音。index_key4.0低三位表示音调，001表示do，010表示re,以此类推，000表示不发音。这样可以实现对不同按键模式下的编码，而这些编码会为后续模块例如seg7，lattice所使用。 图4 keyplay模块设计autoplay模块设计：把50mhz的输入时钟分频为16hz，作为节拍。将要自动演奏的歌曲预先写为index_auto的格式（index_auto格式与index_key格式相同）。以16hz 的频率将index_auto输出。这里需要用到计数器，此计数器的长度由演奏的歌曲长度而定。 图5 autoplay模块设计查表及显示模块table设计：(1)输入按键button,replay用于选择模式。由于是琴键式，不能根据button本身的值来选择模式。button为1且replay为0则把index_auto赋给内部信号index，button为0且replay为0则把index_key 赋给它，button为0且replay为1则把index_store 赋给它。(2)用index来查表，获得分频系数tone，输出。(3)同时根据index获得编码表示的高、中、低音的音调，输出给数码管和点阵。 图6 table模块设计分频模块fenpin设计：输入分频系数 tone。(1)设置内部信号i用于计数，clk_data作为分频结果。,每次clk上升沿检测i是否等于tone，相等则把i清零，并使clk_data翻转，否则i自增1。(2)把clk_data赋给输出信号buzz，由buzz驱动扬声器发声。 图7 fenpin模块设计seg7数码管模块设计：(1)由button和replay进行调用选择，选择采用index_key或index_auto或者index_store作为对应的信号index输入。(1)index分别对应不同的数码管显示输出。 图8 seg7模块设计lattice数码管模块设计：(1)由button和replay进行调用选择，选择采用index_key或index_auto或者index_store作为对应的信号index输入。(1)index分别对应不同的点阵输出显示 图9 lattice模块设计store存储模块设计：store模块使用了store1和replay控制录音和录音播放的选择。这里使用了一个二维数组来存储输入的按键信息，然后录音播放时可以按照输入的频率进行对应的播放。 图10 store模块设计三、仿真波形及仿真分析lattice模块仿真：波形分析:这里我只选择性地选取了键盘输入的对应点阵显示，首先键盘输入时button信号为低电平，所以可以从仿真图中看到button信号为低电平，且此时的复位信号无效，为低电平，此时key输入信号有效。在对应的时钟时钟信号输入下，当键盘输入信号key对应相应的输入时，点阵的行列也会有对应的输出。由于行的输出是扫描信号，所以对应时钟输入，点阵的行信号在对应的时钟分频下，分别对应一行输出低电平有效，表示扫描至该行，下一个时钟分频对应下一行的低电平输出。而对应列扫描，根据key输入的情况，分别对应列扫描的电平输出。如图，例如输入do时，有lie 11011111，row 01100000。fenpin模块仿真：可以看到，2（tone+1）代表的是分频系数，所以对应仿真如上图有，当tone为0时，为2分频，所以buzz对应着时钟的二分频，即分频系数与tone的关系为 分频系数=2（tone+1）。所以在计算每个音调对应的频率时，使用f=2（tone+1）。keyplay模块仿真：如图，对应着不同的key输入和mode选择，会译码为不同的index_key。比如mode=00,key=0000001时，有index_key译码为00001，mode=00，key=0001000时，有对应index_key译码为00100。仿真结果与预期要求相符。autoplay模块仿真：如图，对应时钟输入产生一定的节拍，在对应的节拍播放我预先设定的乐曲音调，可以看出，对应前三个节拍的为音调mi，接下来有一拍的停顿，接下来又是三个节拍的mi，和预先编写的jungle bells的乐曲对应auto-play输出一致。store模块仿真：如图，对应时钟上升沿若有按键，则记录；replay有效后，可以看到index_store有对应的赋值，表示有效的按键信息已经被存储。可以看到根据手动录入的index-key情况，对应replay时的index_store输出分别为10001,10110,01011seg7模块仿真：如图所示，对应的cat输出为时钟扫描信号，所着时钟变化，cat0,cat1,cat2, cat3,cat4,cat5依次出现低电平，表示对应的选通管有效，而a,b,c,d,e,f,g,dp则根据输入的key而变，可以看到，对应mi的输入的时候，数码管a,b,c,d,e,f,g,dp分别对应1,1,1,1,0,0,1,0，恰好可以显示数码管上的3字样。四、源程序（要有注释）electrorgan.vhl -顶层文件library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity electrorgan is -作为顶层文件，它包含实现功能用到的所有端口port ( clk :in std_logic; key:in std_logic_vector(6 downto 0); mode:in std_logic_vector(1 downto 0); cat:out std_logic_vector(5 downto 0); clr:in std_logic; button:in std_logic; replay:in std_logic; spkout :out std_logic; store1: in std_logic; atop:out std_logic; btop:out std_logic; ctop:out std_logic; dtop:out std_logic; etop:out std_logic; ftop:out std_logic; gtop:out std_logic; dptop:out std_logic; lietop:out std_logic_vector(7 downto 0); -列 comtop:out std_logic_vector(7 downto 0);-行 end electrorgan;architecture behave of electrorgan iscomponent autoplay -这里声明了顶层文件中包含的各模块port ( clk: in std_logic; clr:in std_logic; index_auto : out std_logic_vector(4 downto 0);end component;component store isport(index_key : in std_logic_vector(4 downto 0); clk : in std_logic; clr : in std_logic; store1: in std_logic; replay:in std_logic; index_store : out std_logic_vector(4 downto 0);end component;component fenpinport(clk:in std_logic; tone:in integer range 0 to 100000; buzz:out std_logic);end component;component lattice port(clk:in std_logic; lie:out std_logic_vector(7 downto 0); -列 com:out std_logic_vector(7 downto 0);-行 index_auto : in std_logic_vector(4 downto 0); index_key : in std_logic_vector(4 downto 0); clr:in std_logic; replay:in std_logic; index_store : in std_logic_vector(4 downto 0); button :in std_logic);end component;component tableport(index_auto:in std_logic_vector(4 downto 0); index_key:in std_logic_vector(4 downto 0); button :in std_logic; clr:in std_logic; replay:in std_logic; index_store : in std_logic_vector(4 downto 0); tone:out integer range 0 to 100000 );end component;component keyplayport(key:in std_logic_vector(6 downto 0); mode:in std_logic_vector(1 downto 0); index_key:out std_logic_vector(4 downto 0) );end component;component seg7 port( mode:in std_logic_vector(1 downto 0); cat:out std_logic_vector(5 downto 0); index_key:in std_logic_vector(4 downto 0); index_auto:in std_logic_vector(4 downto 0); replay:in std_logic; index_store : in std_logic_vector(4 downto 0); button :in std_logic; clk:in std_logic; a:out std_logic; b:out std_logic; c:out std_logic; d:out std_logic; e:out std_logic; f:out std_logic; g:out std_logic; dp:out std_logic );end component;signal index_auto_top :std_logic_vector(4 downto 0);signal index_key_top :std_logic_vector(4 downto 0);signal index_store_top :std_logic_vector(4 downto 0);signal tone_top :integer range 0 to 100000;begin -这里声明了各模块的端口与顶层端口的映射关系u1:autoplay port map(clk=clk,clr=clr,index_auto=index_auto_top);u2:fenpin port map(clk=clk,tone=tone_top,buzz=spkout);u3:table port map(replay=replay,index_store=index_store_top,index_auto=index_auto_top,clr=clr,index_key=index_key_top,tone=tone_top,button=button);u4:keyplay port map(key=key,index_key=index_key_top,mode=mode);u5:seg7 port map(replay=replay,index_key=index_key_top,cat=cat,index_store=index_store_top, clk=clk,button=button,mode=mode,index_auto=index_auto_top,a=atop,b=btop,c=ctop,d=dtop,e=etop,f=ftop,g=gtop,dp=dptop);u6:lattice port map(replay=replay,index_auto=index_auto_top,index_store=index_store_top,clr=clr,index_key=index_key_top,button=button,lie=lietop,com=comtop,clk=clk);u7:store port map(index_key=index_key_top,clr=clr,clk=clk,index_store=index_store_top, store1=store1,replay=replay);end behave;autoplay.vhl -自动播放模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity autoplay isport (clk: in std_logic; clr:in std_logic; -这里声明了一个复位端口 index_auto : out std_logic_vector(4 downto 0);end;architecture behave of autoplay issignal count :integer range 0 to 136; -可根据乐曲长度改变signaljiepai: std_logic;signalj: integer range 0 to 1562500;beginjiepai1:process(clk) -分频产生16hz的节拍beginif clk event and clk = 1 thenif j = 1562500thenj = 0;jiepai = not jiepai;elsej = j+1;end if;end if;end process jiepai1;process(jiepai,clr)beginif(clr=0) then if jiepaievent and jiepai=1 then -这里相当于一个计数器 if count=136 then count=0; -可根据乐曲长度改变 else count=count+1; end if; end if;else count index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_autoindex_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_autoindex_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto null;end case;end process;end behave;table.vhl -查表模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity table isport(index_key:in std_logic_vector(4 downto 0); -这里是对键盘输入音符的编码index_auto:in std_logic_vector(4 downto 0); -这里是对自动播放音符的编码button :in std_logic;clr:in std_logic;replay:in std_logic;index_store : in std_logic_vector(4 downto 0); -这里是对录入存储音符的编码tone:out integer range 0 to 100000);end;architecture search of table issignal index: std_logic_vector(4 downto 0); beginp1:process(button,replay) -选择使用哪种播放模式的音符输入beginif (button = 1and replay = 0 )then index= index_auto; elsif (button = 0 and replay= 0 )then index= index_key;elsif (button = 0 and replay= 1) then index tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone=0;end case;elsif(clr=1) then tone=0; -复位后，没有声音输出end if;end process p2 ;end search;keyplay.vhl -键盘输入模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity keyplay isport(mode:in std_logic_vector(1 downto 0); -代表高中低音的选择key:in std_logic_vector(6 downto 0); index_key:out std_logic_vector(4 downto 0);end;architecture behave of keyplay issignal md:std_logic_vector(8 downto 0);begin md index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key=00000;end case;end process ;end behave;fenpin.vhl -分频模块library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use iee