简易电子琴的HDL仿真与实现

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：依据声乐学问，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根本要求：1 2 3 4 5 6 71、用8×8点阵显示“1234567”七个音符构成的电子琴键盘。其中点阵的第一列用一个D1D示。1 2 3 4 5 6 7图12、用BTN1～BTN7七个按键模拟电子琴手动演奏时的“1234567”七个音符。当某BTN3图23、 由拨码开关切换选择高、中、低音，并用数码管进展相应的显示。4、 通过按键BTN0进展复位，把握点阵显示图1的初始状态。提高要求：1、 可通过一个拨码开关进展手动/自动演奏的切换，并与点阵显示协作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〕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、tablefenpinstore、七段数码管显示模seg7lattice。弹奏模块keyplay依据按键动作key，和高中低模式选择mode产生指示音调index_key。autoplay50MHzindex_auto。storestore1index_key，并将其传index_store，作为录音存储的数据。查表及显示模块 table依据按键 button，replay选择承受 index_key或查分频系数表输出分频系数tone对于tone的编码，承受了五位编码方式，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。buzz7nyindex_autoindex_store，分别对应不同的数码管显示输出。点阵的显示模块lattice依据对应的按键button，replay选择承受index_key或index_autoindex_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。总体框图与流程图12分块设计系统总体设计：3Keyplay7所使用。autoplay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格式一样。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。5autoplaytablebutton,replaybuttonbutton1replay0index_autoxn为0且y为0则把yn0且1index_storeindextone，输出。index6tablefenpintone。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itoneiclk_datai1。clk_databuzzbuzz7fenpin(1buttonreplayindex_keyindex_autoindex_storeindex(1)index图8seg7模块设计数码管模块设计：(1buttonreplayindex_keyindex_autoindex_storeindex(1)index9latticereplay应的播放。10storelattice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应下一行的低电平输出。而对应列扫描，依据key输入的状况，分别对应列扫描的电平输出。dolie11011111，row01100000。fenpin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tone02buzztone2〔1。所以在计算每个音调对应的频率时，使用1。Keyplay如图，对应着不同的keymodeindex_key。比方mode=00,key=0000001时，有index_key译码为00001，mode=00，key=0001000index_key00100autoplay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mijunglebellsauto-playstore有对应的赋值，表示有效的按键信息已经被存储。可以看到依据手动录入的index-key 情况，对应 replay 时的 index_store 输出分别为10001,10110,01011……Seg7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依次消灭低电平，表示对应的选通管有效，而依据输入的key而变，可以看到，对应mi的输入的时候，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libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;entityelectrorganis--作为顶层文件，它包含实现功能用到的全部端口port(clk:instd_logic;key:instd_logic_vector(6downto0);mode:instd_logic_vector(1downto0);cat:outstd_logic_vector(5downto0);clr:instd_logic;button:instd_logic;replay:instd_logic;spkout:outstd_logic;store1:instd_logic;Atop:OUTstd_logic;Btop:OUTstd_logic;Ctop:OUTstd_logic;Dtop:OUTstd_logic;Etop:OUTstd_logic;Ftop:OUTstd_logic;Gtop:OUTstd_logic;lietop:outstd_logic_vector(7downto0);--列endelectrorgan;architecturebehaveofelectrorganiscomponentautoplay--这里声明白顶层文件中包含的各模块clr:instd_logic;endcomponent;componentstoreisclk:instd_logic;clr:instd_logic;replay:instd_logic;endcomponent;componentfenpinport(clk:instd_logic;buzz:outstd_logic);endcomponent;componentlatticeport(clk:instd_logic;lie:outstd_logic_vector(7downto0);--列index_auto:instd_logic_vector(4downto0);clr:instd_logic;replay:instd_logic;button:instd_logic);Endcomponent;index_key:i