应用VHDL设计数字系统-电子琴和音乐播放器的设计

EDA技术及其应用第4章应用VHDL设计数字系统项目1：电子琴的设计设计目标：设计一个电子琴，具有8个按键，当按下某一个按键的时候，能够演奏8个音符之一：1、2、3、4、5、6、7、H1视频演示知识点：熟练掌握计数器的设计方法；熟练掌握可变分频器的设计方法；熟练掌握IF语句的使用；熟练掌握CASE语句的使用；项目1：电子琴的设计项目分析：设计问题：如何发出不同音调的声音？音符对应频率(Hz)1523.25113061.5554.3652622587.32953582.5622.25396743659.25511384698.45646294.5739.98884545783.9908725.5830.609395268806.5932.3275237987.7666025高音H11046.502261中音音符对应频率(Hz)分频数1523.251130628671.5554.3652622587.329535825542.5622.25396743659.255113822754698.456462921484.5739.98884545783.99087219135.5830.6093952688017056.5932.3275237987.76660251519高音H11046.5022611433中音时钟频率1.5MHz需要：可变分频器（数控分配器）项目1：电子琴的设计项目1：电子琴的设计项目分析：设计关键1：可变分频器（数控分配器）！CNT_NinstCLKCLKRSTRSTENENN[3..0]N[3..0]CNT[3..0]CNT[3..0]COUTCOUT项目1：电子琴的设计LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCNT10ISPORT(CLK,RST,EN:INSTD_LOGIC;CNT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);COUT:OUTSTD_LOGIC);ENDCNT10;知识回顾：10进制计数器设计CNT10instCLKCLKRSTRSTENENCNT[3..0]CNT[3..0]COUTCOUT项目1：电子琴的设计ARCHITECTUREbehavOFCNT10ISBEGINPROCESS(CLK,RST,EN)VARIABLECNTI:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINIFRST='1'THENCNTI:=(OTHERS='0');--计数器异步复位ELSIFCLK'EVENTANDCLK='1'THEN--检测时钟上升沿IFEN='1'THEN--检测是否允许计数（同步使能）IFCNTI9THEN--检测是否小于9CNTI:=CNTI+1;--小于9，允许加1计数ELSECNTI:=(OTHERS=‘0’);--大于等于9，计数值清零ENDIF;ENDIF;ENDIF;IFCNTI=9THENCOUT=‘1’;--计数等于9，输出进位信号ELSECOUT='0';ENDIF;CNT=CNTI;--将计数值向端口输出ENDPROCESS;ENDbehav;知识回顾：10进制计数器设计CNT10instCLKCLKRSTRSTENENCNT[3..0]CNT[3..0]COUTCOUT仿真结果：10进制计数器设计结论：计数器就可以完成分频器的任务！项目1：电子琴的设计项目1：电子琴的设计LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCNT_NISPORT(CLK,RST,EN:INSTD_LOGIC;N:INSTD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);CNT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);COUT:OUTSTD_LOGIC);ENDCNT_N;设计关键：N进制计数器设计——可变分频器CNT_NinstCLKCLKRSTRSTENENN[11..0]N[11..0]CNT[11..0]CNT[11..0]COUTCOUT项目1：电子琴的设计ARCHITECTUREbehavOFCNT_NISBEGINPROCESS(CLK,RST,EN)VARIABLECNTI:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);BEGINIFRST='1'THENCNTI:=(OTHERS='0');--计数器异步复位ELSIFCLK'EVENTANDCLK='1'THEN--检测时钟上升沿IFEN='1'THEN--检测是否允许计数（同步使能）IFCNTIN-1THEN--检测是否小于N-1CNTI:=CNTI+1;--小于N-1，允许加1计数ELSECNTI:=(OTHERS='0');--大于等于N-1，计数值清零ENDIF;ENDIF;ENDIF;IFCNTI=N-1THENCOUT=‘1';--计数等于N-1，输出进位信号ELSECOUT=‘0';ENDIF;CNT=CNTI;--将计数值向端口输出ENDPROCESS;ENDbehav;设计关键：N进制计数器设计——可变分频器CNT_NinstCLKCLKRSTRSTENENN[11..0]N[11..0]CNT[11..0]CNT[11..0]COUTCOUT设计关键：N进制计数器设计——可变分频器结论：1.COUT实现了N分频，2.但是占空比是1/N，能量不足，无法驱动蜂鸣器工作。N分频，占空1/N项目1：电子琴的设计项目1：电子琴的设计LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYCNT_NISPORT(CLK,RST,EN:INSTD_LOGIC;N:INSTD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);CNT:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);COUT:OUTSTD_LOGIC);ENDCNT_N;设计关键：改进的N进制计数器——可变分频器，COUT占空比50%CNT_NinstCLKCLKRSTRSTENENN[11..0]N[11..0]CNT[11..0]CNT[11..0]COUTCOUT项目1：电子琴的设计ARCHITECTUREbehavOFCNT_NISBEGINPROCESS(CLK,RST,EN)VARIABLECNTI:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0);BEGINIFRST='1'THENCNTI:=(OTHERS='0');--计数器异步复位ELSIFCLK'EVENTANDCLK='1'THEN--检测时钟上升沿IFEN='1'THEN--检测是否允许计数（同步使能）IFCNTIN-1THENCNTI:=CNTI+1;--小于N/2，允许加1计数ELSECNTI:=(OTHERS='0');--大于等于N/2，计数值清零ENDIF;ENDIF;ENDIF;IFCNTICONV_INTEGER(N)/2THENCOUT=‘0';ELSECOUT=‘1';ENDIF;CNT=CNTI;COUT=COUTI;--将计数值向端口输出ENDPROCESS;ENDbehav;设计关键：改进的N进制计数器——可变分频器，COUT占空比50%CNT_NinstCLKCLKRSTRSTENENN[11..0]N[11..0]CNT[11..0]CNT[11..0]COUTCOUTIFCNTI=N-1THENCOUT='1';--计数等于N-1，输出进位信号ELSECOUT='0';ENDIF;占空比非50%占空比接近50%结论：1.COUT实现了N分频，2.当N比较大时，占空比是接近50%，能量足以驱动蜂鸣器工作。设计关键：改进的N进制计数器——可变分频器，COUT占空比50%项目1：电子琴的设计项目1：电子琴的设计项目分析：设计关键2：向可变分频器（数控分配器）提供分频数字，需要一个“频率”到“分频数”的转换模块。converterinstkey[7..0]key[7..0]enendiv_num[11..0]div_num[11..0]CODE[3..0]CODE[3..0]HIGHHIGHCNT_NinstCLKCLKRSTRSTENENN[11..0]N[11..0]CNT[11..0]CNT[11..0]COUTCOUT项目1：电子琴的设计LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYconverterISPORT(key:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);en:OUTSTD_LOGIC;div_num:OUTintegerrange0to4095;CODE:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);HIGH:OUTSTD_LOGIC);ENDentityconverter;设计关键2：“频率”到“分频数”的转换模块。converterinstkey[7..0]key[7..0]enendiv_num[11..0]div_num[11..0]CODE[3..0]CODE[3..0]HIGHHIGH项目1：电子琴的设计ARCHITECTUREoneOFconverterISBEGINPROCESS(converter)BEGINCASEkeyIS--译码电路，查表方式，控制音调的预置数WHEN00000000=div_num=0;en='0';CODE=0000;HIGH='0‘;--不按键，0Hz，不响WHEN00000001=div_num=2867;en='1';CODE=0001;HIGH='0';--按键1，中音1，523.25Hz;WHEN00000010=div_num=2554;en='1';CODE=0010;HIGH='0';--按键2，中音2，587.33Hz;WHEN00000100=div_num=2275;en='1';CODE=0011;HIGH='0';--按键3，中音3，659.26Hz;WHEN00001000=div_num=2148;en='1';CODE=0100;HIGH='0';--按键4，中音4，698.46Hz;WHEN00010000=div_num=1913;en='1';CODE=0101;HIGH='0';--按键5，中音5，783.99Hz;WHEN00100000=div_num=1705;en='1';CODE=0110;HIGH='0';--按键6，中音6，880Hz;WHEN01000000=div_num=1519;en='1';CODE=0111;HIGH='0';--按键7，中音7，987.77Hz;WHEN10000000=div_num=1433;en='1';CODE=0001;HIGH='1';--按键8，高音1，1046.5Hz;WHENothers=div_num=0;en='0';CODE=0000;HIGH='0';--同时按多个键，0Hz，不响ENDCASE;ENDPROCESS;ENDone;设计关键2：“频率”到“分频数”的转换模块。converterinstkey[7..0]key[7..0]enendiv_num[11..0]div_num[11..0]CODE[3..0]CODE[3..0]HIGHHIGH项目1：电子琴的设计设计关键2：“频率”到“分频数”的转换模块。音符对应频率(Hz)分频数1523.251130