VHDL电子琴实验报告.doc

电子琴课程名称： 学院（系）： 电子信息工程 专 业： 电子信息工程 班 级： 学生姓名： 学 号： 完成日期： 成 绩： 1 设计要求（1）有两种模式可供选择，分别为弹奏模式和自动演奏模式。（2）在弹奏模式下，分别按下实验箱上七个键，扬声器分别发出中音Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Ti（3）在自动演奏模式下，自动循环播放歌曲Jingle Bells。(4) 由三位数码管分别显示高、中、低音的音符。2 设计分析及系统方案设计a. 设计分析：电子琴的设计包括四个模块：弹奏模块keyplay、自动演奏模块autoplay、查表及显示模块table和分频模块fenpin。 弹奏模块keyplay根据按键动作key产生指示音调的index_key 自动演奏模块autoplay接收1024Hz的时钟信号，输出index_auto 查表及显示模块table根据按键button选择采用index_key或ndex_auto来查分频系数表，输出分频系数tone。同时将音调对应的BCD码code0(低音)、code1(中音)、code2(高音)分别输出给三个数码管。 分频模块fenpin接收tabled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。b. 系统设计方案：顶层设计：输入：6MHz时钟clk、1024Hz时钟、按键key6.0、按键button输出:spkout给扬声器 弹奏模块keyplay：将输入key6.0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、10表示高音。由于按键数目有限，只能弹出中音。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。自动演奏模块autoplay：把1024Hz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。查表及显示模块table：(1)输入按键button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。故加一个内部信号choice，button每来一个上升沿，choice翻转一次。Choice为1则把index_auto赋给内部信号index，否则把index_key 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BCD码表示的高、中、低音的音调，输出给数码管。分频模块fenpin：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。设计框图：buzzcode0 code1 code2tonefenpinbuttonIndex_autoIndex_keytableClk2autoplaykeyKeyplay3系统以及模块硬件电路设计译码器译码器译码器 PIO27-24 PIO23-20 PIO23-20 F P G A最小系统 Clk0 Clk5 PIO7 PIO6 PIO5 PIO4 PIO3 PIO2 PIO1 PIO0 spk 6MHz1024Hz Key0Key1Key2Key3Key4Key5Key6Button试验箱使用的是模式3的电路结构。1. 按键PIO7是模式选择按键button，每按下一次改变一次模式2. 按键PIO6-0用于弹奏，在弹奏模式下，被按下时分别发出中音Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Ti。3. Clk0用于分频以供扬声器发声4. Clk5用于控制自动演奏节拍5. 三个数码管用于显示高、中、低音音调下载时选择的开发系统模式以及管脚定义表1 GW48-CK开发系统工作模式：接口名称类型(输入/输出)结构图上的信号名引脚号说明clkINPUTCLK02供分频发声Clk2INPUTCLK583供分频获得节拍KeyINPUTPIO6-011-5按键弹奏ButtonINPUTPIO716模式选择Code0topOUTPUTPIO19-1630-27低音显示Code1topOUTPUTPIO23-2038-35中音显示Code2topOUTPUTPIO27-2449-47，39高音显示SpkoutOUTPUTSPEAKER3发声4 系统的VHDL设计顶层程序：top.vhdlibrary IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity top isport ( clk :in std_logic; clk2:in std_logic;key:in std_logic_vector(6 downto 0);button:in std_logic; spkout :out std_logic;code0top:out std_logic_vector(3 downto 0);code1top:out std_logic_vector(3 downto 0);code2top:out std_logic_vector(3 downto 0); end top;architecture behave of top iscomponent autoplayport ( clk2: in std_logic;index_auto : out std_logic_vector(4 downto 0);end component;component fenpinport(clk:in std_logic; tone:in integer range 0 to 8190; buzz:out 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;tone:out integer range 0 to 8190;code0:out std_logic_vector(3 downto 0);code1:out std_logic_vector(3 downto 0);code2:out std_logic_vector(3 downto 0);end component;component keyplayport(key:in std_logic_vector(6 downto 0);index_key:out std_logic_vector(4 downto 0);end component;signal index_auto_top :std_logic_vector(4 downto 0);signal index_key_top :std_logic_vector(4 downto 0);signal tone_top :integer range 0 to 8190;beginu1:autoplay port map(clk2=clk2,index_auto=index_auto_top);u2:fenpin port map(clk=clk,tone=tone_top,buzz=spkout);u3:table port map(index_auto=index_auto_top,index_key=index_key_top,tone=tone_top,button=button,code0=code0top,code1=code1top,code2=code2top);u4:keyplay port map(key=key,index_key=index_key_top);end behave;按键弹奏模块：keyplay.vhdlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity keyplay isport(key:in std_logic_vector(6 downto 0);index_key:out std_logic_vector(4 downto 0);end;architecture behave of keyplay isbeginprocess(key)begincase key iswhen 0000001= index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key index_key=00000;end case;end process ;end behave;自动演奏模块：autoplay.vhdlibrary IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity autoplay isport (clk2: in std_logic;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 60;beginjiepai1:process(clk2)-分频产生16Hz的节拍beginif clk2 event and clk2 = 1 thenif j = 30thenj = 0;jiepai = not jiepai;elsej = j+1;end if;end if;end process jiepai1;-jiepai = clk2;process(jiepai)beginif jiepaievent and jiepai=1 thenif count=136 then count=0;-可根据乐曲长度改变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 null;end case;end process;end behave;查表及显示模块：table.vhd说明：简谱中音名所对应的频率(Hz)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11045.5低音2293.7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分频系数的计算举例：对中音1求分频系数tone，523.3Hz = 1/(2*(tone+1)*6*106Hz。计算得tone = 5732代码如下：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);index_auto:in std_logic_vector(4 downto 0); button :in std_logic;tone:out integer range 0 to 8190;code0:out std_logic_vector(3 downto 0);code1:out std_logic_vector(3 downto 0);code2:out std_logic_vector(3 downto 0);end;architecture search of table issignal index: std_logic_vector(4 downto 0); signal choice: std_logic;begin process(button)beginif button event and button = 1 then choice=not choice;end if;if choice = 1 thenindex= index_auto;elseindex tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone tone=0;end case;end process ;process(index）-由index得BCD码beginif(index(4) = 0 and index(3) = 0) thencode0(3) = 0 ;code0(2) = index(2) ;code0(1) = index(1) ;code0(0) = index(0);code1 = 0000;code2 = 0000;elsif (index(4) = 0 and index(3) = 1) thencode0 = 0000;code1(3) = 0 ;code1(2) = index(2) ;code1(1) = index(1) ;code1(0) = index(0);code2 = 0000;elsif (index(4) = 1 and index(3) = 0) thencode0 = 0000;code1 = 0000;code2(3) = 0 ;code2(2) = index(2) ;code2(1) = index(1) ;code2(0) = index(0);end if;end process;end;分频模块：fenpin.vhdlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity fenpin isport(clk:in std_logic;-6MHz时钟tone:in integer range 0 to 8190;-输入分频系数buzz:out std_logic);-驱动扬声器发声end;architecture behave of fenpin issignalclk_data: std_logic;signali: inte