FPGA课程设计报告--简易电子琴的设计.doc

FPGA课程设计报告题 目：简易电子琴设计及FPGA功能验证院 系： 专业班级： 学生姓名： XX 导师姓名： XX 起止时间： 2012、6、18至2012、6、29 一、课程设计任务：本设计一个简易电子琴，具体功能如下：1、 具有手动弹奏和自动播放功能；2、 以按键或开关作为电子琴的琴键，输出7个音节的音阶；3、 可以自动播放曲目至少两首。二、课程设计目的： 1、培养综合运用知识和独立开展实践创新的能力；2、深入学习Verilog HDL，了解其编程环境；3、学会运用Modelsim和Quartus II等编程仿真软件；4、将硬件语言编程与硬件实物功能演示相结合，加深理解Verilog HDL的学习；三、使用环境：1、软件：Modelsim和Quartus II等编程仿真软件；2、硬件：FPGA开发板。四、课程设计详细方案及功能验证：1、总体实现方案：1、简易电子琴的设计通过软硬件结合实现，硬件系统包括主控器芯片、9个按键、LED、蜂鸣器等，软件资源包括编写Verilog HDL程序的应用软件Modelsim和仿真软件Quartus II。电子琴有按键代替琴键的弹奏功能和自动播放功能。 2、整个程序总共分5个模块：主模块，按键模块，曲目1模块，曲目2模块，曲目3模块。整个方案总共用了9个按键（key1key9），按键key1key7作为琴键，通过这七个按键键入不同的音阶。主模块中key8、key9两个按键用于选择是自动播放还是弹奏曲目，令mm=（key8、key9），用mm值的不同选择调用不同模块。如果mm=00，则程序调用按键模块；如果mm=01，则调用曲目1模块，播放曲目1；如果mm=10，则调用曲目2模块，播放曲目2；如果mm11，则调用曲目3模块，播放曲目3。本次设计的框图： 主模块9个按键（key1key9）控制播放曲目以及手动弹奏手动弹奏（key1key7）播放曲目（key8、key9）按键模块即琴键键入音阶，Key1key7mm=00mm=11 曲目3 曲目1 曲目 2mm=01mm=102、输入输出信号描述： 7:0num 电子琴Inclk Out_r（beep）Key（19）具体功能描述：信号源 输入/输出 功能描述 inclk Input时钟频率50M key（19） Input键入以及选择曲目 num Output数码管显示 out_r Output根据r选择不同模块3、顶层划分：主模块 （key1.key2.key3.key4.key5.key6.key7.key8.key9） outclk beep_rKey（89）clk_6M分频inclk50MHZ num7:0mm分频beep4Key（17）clk_6Mcountclk_6M分频beep1stateclk_4HZcountclk_6M分频beep2stateclk_4HZbeep3countclk_6M分频stateclk_4HZ4、主要模块：主模块：功能描述：是四个子模块的核心，通过主模块分别调用四个不同的子模块。管脚描述：信号名称输入 / 输出源功能描述inclkInputPin系统时钟50MHzKey(19)InputPin按键选择，键入作用outclkOutputPin模块选择输出按键模块：功能描述：通过按键key1key7键入不同的7个音阶，频率不同则蜂鸣器发音就不同；通过mm=（key8、key9）的值选择调用不同曲目模块。 管脚描述： 信号名称输入 / 输出源功能描述inclkInputPin系统时钟50MHzKey(17)InputPin按键键入7个不同音阶Beep4OutputPin输出7个不同音阶曲目模块： 功能描述：不同的曲目模块输出不同的曲调，根据高低音对应的频率不同输出不同曲调的曲目。在50MHZ的情况下对主时钟分频得到6MHZ的频率，得到在6MHZ下对应的音阶及其对应频率，以及分频数，通过计数分频数，来对不同频率的声音进行输出，实验箱原始时钟为50MHz，分频后变成不同的频率输出，通过蜂鸣器输出不同频率的声音。音乐的节拍通过分频变为4Hz，作为1/4拍，即每个单位时长0.25s。 管脚描述：信号名称输入 / 输出源功能描述inclkInputPin系统时钟50MHzKey(89)InputPin选择曲目Beep3OutputPin输出曲目5、功能仿真：1、综合：2、总体电路图：3、所有输入输出信号：4、管脚分配：输入信号：一个时钟信号，9个按键；输出信号：一个数码管输出，一个蜂鸣器输出音调。5、时序仿真：仿真结果；设置输入信号key1key7为高电平，此时设置key8key9=01，即mm=01，在数码管应该显示1，在仿真结束后，如图示数码管为11111001，即为1，outclk为蜂鸣器的输出，如图示也正确，所以本设计经过仿真证明正确可行。6、 硬件测试结果： 在时序验证后下载，通过硬件测试，实验达到预期效果，当mm（key8key9）=00时，通过key1key7这7个按键的键入蜂鸣器可以发出doxi的七个音阶的音，即表示了电子琴的弹奏功能；当mm=01时，播放了第一首歌；mm=10时，播放了第二首歌；mm=11时，播放第三首歌。通过硬件的测试，所有的设计目标均实现。7、 对结果和结论的问题讨论：实验过程中，蜂鸣器发音时好时坏，有时比较低沉，有时却比较尖锐，这可能是对主系统分频不精确导致的结果，当对主系统时钟不同分频时，结果都不同，最终在多次试验下，得到在6M时钟频率下效果最为理想。8、 音阶及其对应频率（时钟频率为50MHz分为6MHz）音阶频率/Hz周期/us半周期/us分频数中音15231912956114722578168484210380365915187599104469814327168595578412766387653688011365686818798810125066073高音H110469564785736H211758524265106五、心得体会：在这次课程设计之前，其实做过了单片机关于蜂鸣器方面的实验，上手起来还是很快的，开始时，先按照老师的要求，写规范，确定实现方案，然后在逐一细化，一步一步按照要求去完成整个设计。本次设计要用quartusII软件，由于之前对此软件不是太熟悉所以导致了一些错误和问题的发生，所以这次课程设计中认真学习了quartusII软件的具体使用步骤和操作流程，对所有可能出现的问题进行逐一攻破。通过这次实验，我不但熟悉了quartusII软件，也了解了开发的最基本流程和方法，也进一步加深了对Verilog编程语言的理解，最重要的是锻炼了我独立思考和分析的逻辑能力，通过从顶向下的设计方法，一步步实现，然后将整个设计串套起来，是我对设计的流程以及编程有了很大的提高。通过此次硬件课程设计，使我越来越认识到一点，编程对项目实现有着至关重要的作用，我们在硬件开发的过程中必须重视编程，将编程看作是完善开发的不可缺少的一部分。在一次次的反复设计、论证和测试中，不仅提高了逻辑分析能力、全面分析问题的能力，还提升了发现问题、解决问题的能力。虽然设计过程比较繁琐，大大小小也出现了许多问题，但这却磨练了我的意志。通过各方面的学习，使我的知识面进一步拓宽了。同时，通过本次课程设计，使我也发现了自己的不足，例如：逻辑分析能力不突出，编程能力不足，解决问题的能力不足，使我认识到在以后的学习中在这些方面要多努力，加以改进，提升自我能力。我相信通过这次课程设计的学习，对我以后有着十分重要的影响和作用。附代码：module dianziqin(inclk,outclk,key1,key2,key3,key4,key5,key6,key7,key8,key9,num);input inclk;input key1,key2,key3,key4,key5,key6,key7,key8,key9;output outclk;output7:0num;reg 7:0 num;reg outclk,clk_6M;reg 3:0c;wire out1,out2,out3,out4;wire8:0 key;reg 1:0mm;assign key = key1,key2,key3,key4,key5,key6,key7,key8,key9; /由按键拼键为变量key /调用子调块digital_piano m1( .inclk(inclk), .key1(key1), .key2(key2), .key3(key3), .key4(key4), .key5(key5), .key6(key6), .key7(key7), .beep4(out4) );bell m2(.inclk(inclk),.beep1(out1);bell2 m3( .inclk(inclk), .beep2(out2);bell3 m4(.inclk(inclk),.beep3(out3);always(posedge inclk) begin if(c4d8) c=c+4d1; else begin c = 4d0; clk_6M = clk_6M; endendalways (posedge clk_6M) /在时钟的上升沿检测是否有按键按下beginif(key = 9b111111110)mm = 2b01;else if(key=9b111111101)mm = 2b10;else if(key=9b111111100)mm = 2b11;else mm = 2b00;end always(mm)begin case(mm)2b01:num=8b11111001;2b10:num=8b10100100;2b11:num=8b10110000;default:num=8b11000000;endcaseendalways (mm) /按键响应beginif(mm = 2b01) outclk = out1;else if(mm = 2b10) outclk = out2;else if(mm = 2b11) outclk = out3;else outclk = out4;endendmodule/digital_piano子模块module digital_piano(inclk,key1,key2,key3,key4,key5,key6,key7,beep4);input inclk,key1,key2,key3,key4,key5,key6,key7;output beep4; wire 6:0 key_code;reg 3:0 c;reg clk_6M; reg beep_r;reg 15:0 count;reg 15:0 count_end;parameter Do = 7b1111110, re = 7b1111101, mi = 7b1111011, fa = 7b1110111, so = 7b1101111, la = 7b1011111, si = 7b0111111;assign key_code = key7,key6,key5,key4,key3,key2,key1;assign beep4 = beep_r; /输出音乐always(posedge inclk) begin if(c4d8) c=c+4d1; else begin c = 4d0; clk_6M = clk_6M; endendalways(posedge clk_6M) /分频模块，得出乐谱begincount = count + 16d1; /计数器加1if(count = count_end)begincount =16d0; /计数器清零beep_r = !beep_r; endendalways(posedge clk_6M) /状态机，根据按键状态，选择不同的音符输出begincase(key_code)Do: count_end = 16d11450;re: count_end = 16d10204;mi: count_end = 16d09090;fa: count_end = 16d08571;so: count_end = 16d07802;la: count_end = 16d06802;si: count_end = 16d06060;default:count_end = 16d0;endcaseendendmodule/bell子模块 两只老虎module bell(inclk,beep1);input inclk; /系统时钟output beep1; /蜂鸣器输出端reg 3:0high,med,low;reg 15:0origin;reg beep_r; /寄存器reg 7:0state; reg 15:0count;assign beep1=beep_r; /输出音乐/时钟频率6MHzreg clk_6MHz;reg 2:0 cnt1; always(posedge inclk)begin if(cnt13d8) cnt1=cnt1+3b1; else begin cnt1=3b0; clk_6MHz=clk_6MHz; endend/时钟频率4MHzreg clk_4Hz;reg 24:0 cnt2; always(posedge inclk)begin if(cnt225d13000000)/ cnt2=cnt2+25b1; else begin cnt2=25b0; clk_4Hz=clk_4Hz; endendalways (posedge clk_6MHz)begincount = count + 1b1; /计数器加1if(count = origin)begincount = 16h0; /计数器清零beep_r = !beep_r; /输出取反endendalways(posedge clk_4Hz)begincase(high,med,low)12b000000010000:origin=11466;/mid112b000000100000:origin=10216;/mid212b000000110000:origin=9101; /mid312b000001000000:origin=8590; /mid412b000001010000:origin=7653; /mid512b000001100000:origin=6818; /mid612b000000000101:origin=14447;/low5endcaseendalways (posedge clk_4Hz)/歌曲beginif(state =63) state = 0;/计时，以实现循环演奏elsestate = state + 1;case(state)0,1: high,med,low=12b000000010000;/mid12,3:high,med,low=12b000000100000;/mid24,5:high,med,low=12b000000110000;/mid36,7:high,med,low=12b000000010000;/mid18,9: high,med,low=12b000000010000;/mid110,11:high,med,low=12b000000100000;/mid212,13:high,med,low=12b000000110000;/mid314,15:high,med,low=12b000000010000;/mid116,17:high,med,low=12b000000110000;/mid318,19: high,med,low=12b000001000000;/mid420,21,22,23: high,med,low=12b000001010000;/mid524,25:high,med,low=12b000000110000;/mid326,27: high,med,low=12b000001000000;/mid428,29,30,31: high,med,low=12b000001010000;/mid532: high,med,low=12b000001010000;/mid533: high,med,low=12b000001100000;/mid634:high,med,low=12b000001010000;/mid535:high,med,low=12b000001000000;/mid436,37:high,med,low=12b000000110000;/mid338,39:high,med,low=12b000000010000;/mid140:high,med,low=12b000001010000;/mid541: high,med,low=12b000001100000;/mid642:high,med,low=12b000001010000;/mid543:high,med,low=12b000001000000;/mid444,45:high,med,low=12b000000110000;/mid346,47:high,med,low=12b000000010000;/mid148,49:high,med,low=12b000000100000;/mid250,51:high,med,low=12b000000000101;/low552,53,54,55: high,med,low=12b000000010000;/mid156,56:high,med,low=12b000000100000;/mid257,58:high,med,low=12b000000000101;/low559,60,61,62,63: high,med,low=12b000000010000;/mid1default : high,med,low=12bx;endcaseendendmodule/bell2子模块康定情歌module bell2 (inclk,beep2);input inclk; /系统时钟output beep2; /蜂鸣器输出端reg 3:0high,med,low;reg 15:0origin;reg beep_r; /寄存器reg 7:0state; reg 15:0count;assign beep2=beep_r; /输出音乐/时钟频率6MHzreg clk_6MHz;reg 2:0 cnt1; always(posedge inclk)begin if(cnt13d8) /8 cnt1=cnt1+3b1; else begin cnt1=3b0; clk_6MHz=clk_6MHz; endend/时钟频率4MHzreg clk_4Hz;reg 24:0 cnt2; always(posedge inclk)begin if(cnt225d13000000)/13000000 cnt2=cnt2+25b1; else begin cnt2=25b0; clk_4Hz=clk_4Hz; endendalways (posedge clk_6MHz)begincount = count + 1b1; /计数器加1if(count = origin)begincount = 16h0; /计数器清零beep_r = !beep_r; /输出取反endendalways(posedge clk_4Hz)begincase(high,med,low) b000000000001:origin=22900; /低1 b000000000010:origin=20408; /低2 b000000000011:origin=18181; /低3b000000000101:origin=15267; /低5 b000000000110:origin=13605; /低6b000000000111:origin=11472; /中1b000000100000:origin=10216; /中2b000000110000:origin=9101; /中3b000001010000:origin=7653; /中5b000001100000:origin=6818; /中6b000100000000:origin=5733; /高1b001000000000:origin=5108; /高2b001100000000:origin=4551; /高3endcaseendalways (posedge clk_4Hz)beginif(state =103) state = 0;elsestate = state + 1; /康定情歌case(state)0,1: high,med,low=b000000110000;/中32,3: high,med,low=b000001010000;/中54,5: high,med,low=b000001100000;/中66: high,med,low=b000001100000;/中67: high,med,low=b000001010000;/中58,9,10: high,med,low=b000001100000;/中611: high,med,low=b000000110000;/中312,13,14,15: high,med,low=b000000100000;/中216,17: high,med,low=b000000110000;/中318,19: high,med,low=b000001010000;/中520,21: high,med,low=b000001100000;/中622: high,med,low=b000001100000;/中623: high,med,low=b000001010000;/中524,25: high,med,low=b000001100000;/中626,27,28,29,30,31:high,med,low=b000000110000;/中332,33: high,med,low=b000000110000;/中334,35: high,med,low=b000001010000;/中536,37: high,med,low=b000001100000;/中638: high,med,low=b000001100000;/中639: high,med,low=b000001010000;/中540,41,42: high,med,low=b000001100000;/中643: high,med,low=b000000110000;/中344,45,46,47: high,med,low=b000000100000;/中248,49: high,med,low=b000000000101;/中550,51: high,med,low=b000000110000;/中352: high,med,low=b000000100000;/中253: high,med,low=b000000110000;/中354: high,med,low=b000000100000;/中255: high,med,low=b000000000111;/156,57: high,med,low=b000000100000;/中258,59,60,61,62,63:high,med,low=b000000000110;/低664,65: high,med,low=b000001100000;/中6 66,67,68,69,70,71:high,med,low=b000000100000;/中272,73: high,med,low=b000000000101;/中574,75,76,77,78,79:high,med,low=b000000110000;/中380: high,med,low=b000000100000;/中281: high,med,low=b000000000111;/182,83,84,85,86,87:high,med,low=b000001100000;/中688,89: high,med,low=b000000000101;/中590,91: high,med,low=b000000110000;/中392: high,med,low=b000000100000;/中293: high,med,low=b000000110000;/中394: high,med,low=b000000100000;/中295: high,med,low=b000000000111;/196,97: high,med,low=b000000100000;/中298,99,100,101,102,103:high,med,low=b000001100000;/中6endcaseendendmodule/bell3子模块天空之城module bell3 (inclk,beep3);input inclk; /系统时钟output beep3; /蜂鸣器输出端reg 3:0high,med,low;reg 15:0origin;reg beep_r; /寄存器reg 7:0state; reg 15:0count;assign beep3=beep_r; /输出音乐/时钟频率6MHzreg clk_6MHz;reg 2:0 cnt1; always(posedge inclk)begin if(cnt13d8) cnt1=cnt1+3b1; else begin cnt1=3b0; clk_6MHz=clk_6MHz; endend/时钟频率4MHzreg clk_4Hz;reg 24:0 cnt2; always(posedge inclk)begin if(cnt225d13000000)/ cnt2=cnt2+25b1; else begin cnt2=25b0; clk_4Hz=clk_4Hz; endendalways (posedge clk_6MHz)begincount = count + 1b1; /计数器加1if(count = origin)begincount = 16h0; /计数器清零beep_r = !beep_r; /输出取反endendalways(posedge clk_4Hz)begincase(high,med,low) b000000000001:origin=22900; /低1 b000000000010:origin=20408; /低2 b000000000011:origin=18181; /低3 b000000000100:origin=17142; /低4b000000000101:origin=15267; /低5b000000000110:origin=13605; /低6b000000000111:origin=12121; /低7b000000000111:origin=11472; /中1b000000100000:origin=10216; /中2b000000110000:origin=9101; /中3b000000111000:origin=8571; /中4b000001010000:origin=7653; /中5b000001100000:origin=6818; /中6b000010000000:origin=6060; /中7b000100000000:origin=5733; /高1b001000000000:origin=5108; /高2b001100000000:origin=4551; /高3b001010000000:origin=4294; /高4b010000000000:origin=3826; /高5b011000000000:origin=3409; /高6b010100000000:origin=3050; /高7endcaseendalways (posedge clk_4Hz)beginif(state =195)state = 0;elsestate = state + 1; /kang ding qing gecase(state)0:high,med,low=b000001100000;/中61: high,med,low=b000010000000;/中72,3,4:high,med,low=b000100000000;/高15:high,med,low=b000010000000;/中76,7: high,med,low=b000100000000;/高18,9:high,med,low=b001100000000;/高310,11,12,13,14,15: high,med,low=b000010000000;/中716,17: high,med,low=b000000110000;/中318,19,20:high,med,low=b000001100000;/中621: high,med,low=b000001010000;/中522,23: high,med,low=b000001100000;/中624,25:high,med,low=b000000000111;/中126,27,28,29,30,31: high,med,low=b000001010000;/中5 32: high,med,low=b000000110000;/中333: high,med,low=b000000110000;/中334,35,36:high,med,low=b000000111000;/中437: high,med,low=b000000110000;/中338: high,med,low=b000000111000;/中439,40,41:high,med,low=b000100000000;/高142,43,44: high,med,low=b000000110000;/中345,46,47:high,med,low=b000100000000;/高148,49,50:high,med,low=b000010000000;/中751,52,53: high,med,low=b000000111000;/中454,55,56,57,58,59,60,61: high,med,low=b000010000000;/中762:high,med,low=b000001100000;/中663: high,med,low=b000010000000;/中764,65,66:high,med,low=b000100000000;/高167:high,med,low=b010100000000;/高768,69:high,med,low=b000100000000;/高170,71:high,med,low=b001100000000;/高372,73,74:high,med,low=b000010000000;/中775