北邮数电实验电子琴.docx
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北邮数电实验电子琴.docx
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北邮数电实验电子琴
VHDL硬件描述语言程序设计
简易电子琴演奏器
姓名:
chi
设计课题的任务要求4
系统设计5
三、仿真波形及波形分析1..0
四、源程序1.3.
五、功能说明3.7.
六、元器件清单及资源利用情况37
七、故障及问题分析39
八、总结和结论4.0
设计课题的任务要求
基本要求:
1、用8X8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。
oooooooOoooeeee*ooooataeoooooeeeooooooeeooooooo*
图1点阵显示的电子琴键盘
2、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。
•ooooooo
••oooooo
oooooooo
••••oooo
0
0
0
■
•
•
•
0
0
•
•
■
•
•
•
oooooooo
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BTNO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
1.设计思路
简易电子琴的制作主要是利用不同频率的波来驱动蜂鸣器发出声响。
通过输入不同的音
符来设置不同的分频系数,使得50MHz的主频分频出不同频率的波。
同时,演奏的音符还可以通过数码管和8*8点阵来动态显示。
根据系统设计要求,该电子琴设计采用自顶向下的设计方法。
整体的功能通过不同的底
层模块配合来完成电子琴的功能。
底层模块主要包括乐曲自动演奏模块、分频预置值产生模
块和数控分频模块,数码管显示模块,8*8点阵显示模块五部分组成。
用这种设计思路把整
个系统分为了若干个模块,然后再在顶层文件中将各个模块组合在一起,从而体现出超、高
速硬件描述语言VHDL的优势,
关于提高要求中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,我打算将一首曲子的音符储存在自动播放的数组里面,然后通过计数器来顺序播放储存的音符。
关于提高要求中的手动演奏的音符存储、播放功能,我打算通过编程实现类似数据结构中队列的模块,来储存手动输入的音符,然后在要播放的时候,队列里面的音符依次出队,从而实现音符储存播放的功能。
2.总体框图
图3简易电子琴总体结构框图
图4简易电子琴逻辑流程图
图5简易电子琴VHDL电路原理图
3.分块设计
(1)分频模块divO
由于实验电路板的主频是50Mhz,为了数码管和点阵的刷新显示,我们必须将50Mhz
的频率进行分频。
分频的程序来自电路中心的网站上面。
在这个模块里,我设置分频系数为
cnt=2499。
从实验结果看,这个分频对数码管和点阵的显示有很好的效果
(2)数码管显示模块shuma
我使用了2个数码管,第一个数码管显示1~7的音符,第二个数码管显示相关的信息,比如高音用H表示,低音用L表示,自动播放用A表示。
两个数码管分别刷新,但由于刷新频率太快,人眼不能察觉,以为是两个数码管是同时亮的。
在程序中我们通过duan:
out
的显示。
当输入不同的音符和不同的控制信息时,duan和cat向量都有不同的值与之对应。
(3)8*8点阵显示模块dianzhen
8*8点阵的显示和数码管的显示运用了同样的原理,在程序中我们通过row:
out
std_logic_vector(7downto0)和col:
outstd」ogic_vector(7downto0)这两个向量来控
制点阵的显示。
当输入不同的音符时,点阵显示相应的形状。
(4)音符产生模块auto。
这个模块的功能是,选择的不同模式来产生不同的音符。
当选择自动播放模式时,随着
计数器count的值增加,即地址值递增时,程序自动读取出事先储存的音符,并把这个音符输出。
当选择手动演奏模式时,直接将通过BTN1~BTN7输入的向量当做音符输出
yin:
outstd_logic_vector(6downto0);。
(5)分频预置值产生模块
该模块的功能是通过音符以及高低音选项来查表找到对应的频率值。
在程序中设置了全
部音符对应的分频预置数。
通过判断音符产生模块输出的音符yin:
instd」ogic_vector(6
downto0),以及拨码开关的高低音highlow:
instd」ogic_vector(1downto0)控制键,
来查找出该音符的频率值,然后将该频率赋值给tone:
outintegerrange0to2000000);。
(6)数控分频发声模块
从实验板上面输入的时钟是50MHz的,必须经过分频后由clk_out输出,驱动蜂鸣器
发声。
Clk_out的输出频率就对应着音符的音调。
分频系数由来自分频预置值模块的
极窄的脉冲式信号。
为了利用驱动蜂鸣器,需要再增加一个进程,多波形进行整理,均衡占
空比
三、仿真波形及波形分析
1.数码管显示模块仿真波形
波形分析:
不同的yin,和highlow组合,数码管显示不同的字符。
duan[0]~duan[7]对
2.点阵显示模块仿真波形
波形分析:
不同的yin输入,点阵的col和row会有不同的波形,利用clk_in的上升沿来
动态扫描点阵。
从而得显示出指定的图形。
3.自动播放模块仿真波形
波形分析:
当auto置1,clear置0,yin_out输出储存在程序里面的曲子音符,这时候相
当于自动播放。
当auto置0,clear置0,yin_out输出从BTN1~BTN7读取的手动输入的信号,这时候相当于手动演奏。
4.分频预置值产生模块仿真波形
MascerirreBar:
1SI7Ens,Porker
17.5-us
Inter/a:
17.4SsStart:
波形分析:
输入不同的高低音highlow,和音符yin,输出不同的tone。
而tone将作为发声
模块的分频预置值
四、源程序
1.分频模块源程序
libraryieee;
useieee.std」ogic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entitydiv0is
--输入时钟
port(clk_in:
instd_logic;
--输出时钟
clk_tmp:
outstd_logic);
end;
architecturebofdiv0is
signalclk:
std_logic;
begin
pO:
process(clk_in)
variableent:
integerrange0to2499;begin
--分频系数为2499
--每个输入时钟上升沿到
if(clk_in'eventandclk_in='1')thenifcnt=2499then
cnt:
=0;
clk<=notclk;
else
cnt:
=cnt+1;
来时cnt加1
endif;
endif;
endprocessp0;
clk_tmp<=clk;
endb;
2.数码管显示源程序
libraryieee;
useieee.std」ogic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entityshumais
port(clk_in:
instd_logic;
--以分频的时钟输入
yin:
instd_logic_vector(6downto0);
--输入音符
highlow
:
instd_logic_vector(1downto0);
--输入高低音
auto
instd_logic;
--自动播放
auto1
:
instd」ogic;
--自动播放1
duan:
outstd_logic_vector(7downto0);
cat:
outstd_logic_vector(5downto0)
);
end;
architecturebofshumais
signalduant:
std_logic_vector(7downto0);
signalcatt:
std_logic_vector(5downto0);
begin
p1:
process(clk_in,yin,highlow,auto,auto1)
begin
--显示“8”表示自
ifauto='1'then
catt<="111101";duant<="00111111";
动播放
elsifautol='1'then
catt<="111101";duant<="01111111";--显示“0”表示
试音
elsifauto='0'then
if(clk_in='0')then
caseyinis
when"0000001"=>catt<="111110";duant<="00000110";--
显示“1”
when"0000010"=>catt<="111110";duant<="01011011";--
显示“2”
when"0000100"=>catt<="111110";duant<="01001111";--
显示“3”
when"0001000"=>catt<="111110";duant<="01100110";--
显示“4”when"0010000"=>
catt<="111110";duant<="01101101";--显示“5”when
"0100000"=>catt<="111110";duant<="01111101";--显示“6”
when"1000000"=>catt<="111110";duant<="00000111";--显示“7”
whenothers=>catt<="111111";duant<="00000000";
endcase;
elsif(clk_in='1')then
--显示
casehighlowis
when"10"=>catt<="111101";duant<="01110100";
--显示
--时钟输入
--输入音符
when"01"=>catt<="111101";duant<="00111000";
“H”
whenothers=>catt<="11111
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