八音电子琴的设计.doc

八音电子琴的设计赣南师院物理与电子信息学院课程设计报告书姓名： 涂丽平 班级： 06电子科学与技术 学号： 060803050 时间： 2008年 12月 20日 论文题目八音电子琴的设计课程论文要 求（1）设计一个简易的八音符电子琴，可通过按键输入来控制输出八个音。 （2）演奏时可以选择是手演奏（由键盘输入）或自动演奏已存入的乐曲。 （3）能显示所演奏的音谱和高低音的区别。设计过程一）设计目的：通过课程设计，加强自己的动手能力和运用所学知识解决问题的能力。EDA技术是电子设计的发展趋势，利用EDA工具可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作。EDA工具从数字系统设计的单一领域，发展到今天，应用范围已涉及模拟、微波等多个领域，可以实现各个领域电子系统设计的测试、设计方针和布局布线等。设计者只要完成对电子系统的功能描述，就可以利用计算机和工具，进行设计处理，最终得到设计结果。 当我们完成自己的设计课程时，不仅使我们提高了理论与实践的能力，还能使我们的心理素质得到提高，增强我们的自信心，让我们更好的发展自己。二）方案论证：方案一：采用单个的逻辑器件组合实现。八音电子琴可由三个模块组成。1. 模块一：时钟分频器。作用是将高频时钟信号转化为低频音调信号。它由4个16进制计数器74161构成。分频出八个不同的音调频率。2. 模块二：选频器。作用是选出所需要的频率，即选出八个调中的一个，它先用74148把八个信号编码成三位二进制数，再用八选一数据选择器74151把我们要用的信号选出来。3. 整形输出器。作用是把选出来的波形转化为声音频率波形。用555定时器先把波形整形再用扬声器放出来。这样虽然比较直观，逻辑器件分工鲜明，思路也比清晰，一目了然，但是由于元器件种类、个数繁多，而过于复杂的硬件电路也容易引起系统的精度不高、体积过大等不利因素。例如八个不同的音符是由八个不同的频率来控制发出的，而采用方案一就可以运用不同的分频器来对信号进行不同程度的分频。方框图如下：:分频器选频器整形输出器方案二：采用VHDL语言编程来实现电子琴的各项功能。系统主要由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块组成。和方案一相比较，方案二更加简洁，不需要去考虑电路内部具体是如何组成的只需要把它们的行为描述清楚，再把整个系统分为了若干个模块，而不用牵涉到具体的硬件电路。这是用用超高速硬件描述语言VHDL的优势，它不仅具有良好的电路行为描述和系统描述的能力而且通俗易懂，容易学习。用大规模的集成芯片， VHDL语言来设计实现，源程序经美国Altera公司的MAX+PLUS软件调试优化，下载到特定芯片（MAX系列的EPM 7128SLC8415）后，可应用于实际的出租车计费系统中通过编程来实现。这种方法能够很好的硬件和软件结合起来，VHDL硬件描述语言打破了硬件和软件设计人员之间互不干涉的界限，可以使用语言的形式来进行数字系统的硬件结构、行为的描述，直接设计数字电路硬件系统。从本文描述的出租车计费系统可以看出，通过编程、下载后，该芯片已经具备了原来需要使用复杂的数字电路实现的功能；这样，使用语言描述的形式，大大缩短了开发周期，减少了开发难度，并使得系统更加灵活、稳健。经过对以上两种方案的分析、比较和总结，选用方案二来进行电子琴的设计。三）设计方案： 根据系统设计要求，系统设计采用自顶向下的设计方法，系统的整体组装设计总原理图如图下示，它由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块组成。（1） 乐曲自动演奏模块乐曲自动演奏模块的作用是产生8位发声控制输入信号。当进行自动演奏时，由存储在此模块的8位二进制数作为发声控制输入，从而自动演奏乐曲。模块设计如图下所示。（2） 音调发生模块 音调发生模块的作用时产生音阶的分频预置值。当8位发声控制输入信号中的某一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将输出，该数值即为该音阶的分频预置值，分频预置值控制数控分频模块进行分频，由此可得到每个音阶对应的频率。模块设计如图下所示。3）数控分频模块 数控分频模块是对时基脉冲进行分频，得到与1、2、3、4、5、6、7七个音符相对应的频率。模块设计如图下所示。四）VHDL源程序（1）乐曲自动演奏模块的VHDL源程序（AUTO.VHD）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY AUTO IS PORT(CLK: IN STD_LOGIC; -系统时钟信号 AUTO: IN STD_LOGIC; -键盘输入/自动演奏 CLK2: BUFFER STD_LOGIC; INDEX2: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -键盘输入信号 INDEX0: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -音符信号输出END AUTO;ARCHITECTURE BEHAVIORAL OF AUTO IS SIGNAL COUNT0:INTEGER RANGE 0 TO 31; BEGIN PULSE0:PROCESS(CLK,AUTO) VARIABLE COUNT:INTEGER RANGE 0 TO 8; BEGIN IF AUTO=1THEN COUNT:=0;CLK2=0; ELSIF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN COUNT:=COUNT+1; IF COUNT=4 THEN CLK2=1; ELSIF COUNT=8 THEN CLK2=0;COUNT:=0; END IF; END IF;END PROCESS;MUSIC:PROCESS(CLK2) BEGIN IF(CLK2EVENT AND CLK2=1)THEN IF(COUNT0=31)THEN COUNT0=0; ELSE COUNT0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0NULL; END CASE; ELSE INDEX0TONE0=773;CODE=1001111;HIGNTONE0=912;CODE=0010010;HIGNTONE0=1036;CODE=0000110;HIGNTONE0=1116;CODE=1001100;HIGNTONE0=1197;CODE=0100100;HIGNTONE0=1290;CODE=0100000;HIGNTONE0=1372;CODE=0001111;HIGNTONE0=1410;CODE=0000000;HIGNTONE0=2047;CODE=0000001;HIGN=0; END CASE; END PROCESS; END ART;（3） 数控分频模块的VHDL源程序(FENPIN.VHD)LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY FENPIN IS PORT(CLK1: IN STD_LOGIC; -系统时钟信号 TONE1: IN INTEGER RANGE 0 TO 2047; -音频分频系数 SPKS: OUT STD_LOGIC); -驱动扬声器的音频信号END ENTITY FENPIN;ARCHITECTURE ART OF FENPIN IS SIGNAL PRECLK:STD_LOGIC; SIGNAL FULLSPKS:STD_LOGIC;BEGINPROCESS(CLK1) VARIABLE COUNT:INTEGER RANGE 0 TO 8;BEGIN IF(CLK1EVENT AND CLK1=1)THEN COUNT:=COUNT+1; IF COUNT=2 THEN PRECLK=1; ELSIF COUNT=4 THEN PRECLK=0;COUNT:=0; END IF; END IF;END PROCESS;PROCESS(PRECLK,TONE1) VARIABLE COUNT11:INTEGER RANGE 0 TO 2047; BEGIN IF(PRECLKEVENT AND PRECLK=1)THEN IF COUNT11TONE1 THEN COUNT11:=COUNT11+1;FULLSPKS=1; ELSE COUNT11:=0;FULLSPKS=0; END IF; END IF; END PROCESS; PROCESS(FULLSPKS) VARIABLE COUNT2:STD_LOGIC:=0; BEGIN IF(FULLSPKSEVENT AND FULLSPKS=1)THEN COUNT2:=NOT COUNT2; IF COUNT2=1THEN SPKS=1; ELSE SPKS=0; END IF; END IF; END PROCESS;END ART;五） 实验仿真(1)乐曲自动演奏模块的仿真 如图下所示（2）数控分频模块的仿真 如图下所示（3）音调发生模块的仿真如图下所示（4）简易电子琴整个系统的仿真 如图下所示六）实验结果1、实验步骤：把已经编写且编译仿真通过的原理图下载到芯片上，按引脚图接好芯片的输入和输出，观察实验现象。2、实验现象：自动播放控制端无效时，每按一次按键扬声器都能发出相应的声音来，且发光二极管能显示出高低音的却别，高音时发光二极管为亮，低音时为灭。实验时一次只能按一个按键，若同时按几个按键，可能得不到想要的结果。依次按键时，可以听到哆唻咪发唢喇嘻哆的声音，自动播放控制端有效时，由于没有存入歌谱，没有声音。3、实验结果讨论：这个实验由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块三部分组成，在实验结果中，我们实现了实验要求。可通过按键输入来控制音响。 由于没有存入歌曲的歌谱，所以没有自动奏乐，但在上机仿真时检验这个程序是可行的。七）实验心得体会本次课程设计，我选择的是八音电子琴的设计，根据要求该课程需达到以下几点要求即：可通过键盘输入来控制音响；可以选择是手演奏或是自动演奏已存入的乐曲；能自动演奏多首乐曲，且每首乐曲可重复演奏。课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，大规模芯片已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握开发技术是十分重要的。 通过本次实验，我不仅可以巩固了以前所学过的知识，如数电知识，系统设计和VHDL语言，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，如实践经验，操作技巧。我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，光看书不进行相关的练习是行不通的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，把以前所学过的知识重新温故，全部整合，进一步深刻理解。在设计一个具有某功能电路时，第一步也是最真要的一步，做出整个系统的方框图，并确定这个方案可行，再把其中的某个特定功能的模块分开来设计，分别编写，编译仿真，最后再把各个模块按系统方框图连接起来。当某个功能没实现时，就去重点检查那个功能的模块。下载到芯片上具体实现电路功能时，一定要细心耐心，仔细真实的记录下实验现象，并多次检验，这样才能更好的分析自己设计的电路的优点和不足，并进一步的加以改进。这次实验中由于自己准备不足而留下了些遗憾，但总体还是好的，知识的运用与发挥就在于自己平时所得到和积累下来的，我们要学会学习的能力，能够举一反三，触类旁通，这样对于自己以后的发展是很有帮助的，因此我们需要在学习中学习，在实践中找出答案。八）参考文献1、电子电路实验及应用课题设计中国科学技术大学出版社。2、VHDL数字电路及系统设计机械工业出版社。3、数字电子技术基础高等教育出版社。4、电子技术EDA实践教程国防工业出版社。5. EDA技术实验与课程设计 曹昕燕 周风臣 聂春燕 编著 清华大学出版社6. 数字电子