基于FPGA的电子琴设计

毕业设计（论文）课题名称：基于FPGA的电子琴设计指导教师：系别：电子信息系专业：应用电子技术班级：姓名：1基于FPGA的电子琴设计【摘要】介绍了基于FPGA的电子琴的工作原理和设计过程。用Altera公司的EP2C8Q208C8N芯片为核心器件，通过运用硬件编程语言VHDL描述，在QuartusII平台上，实现了电子琴的手动弹奏和自动演奏功能。本系统主要由音频发生模块，键盘控制模块和存储器模块组成。选择手动弹奏模式按键时，按下音符键后就会选通相应的频率输出；选择自动演奏模式按键时，储存器会将编写好的音乐信息依次取出，去选通各个对应的频率输出，实现自动演奏。音频发生器由分频器来实现，可产生16个频率，这些频率经放大后驱动喇叭，从而发出声音。【关键词】FPGA；QuartusII；VHDL；电子琴;音符2目录第1章引言....................................................................................................................................31.1课题分析.............................................................................................................................31.2VHDL语言和QUARTUSII环境简介.............................................................................31.2.1VHDL简介..............................................................................................................31.2.2QuartusII简介........................................................................................................4第2章方案选择及原理分析.........................................................................................................52.1设计方案............................................................................................................................52.2电子琴设计原理................................................................................................................62.2.1分频模块设计方法.................................................................................................62.2.2按键模块设计方法..................................................................................................62.2.3顶层模块设计方法...................................................................................................62.3系统设计的主要组成部分.................................................................................................6第3章硬件设计............................................................................................................................83.1现场可编程门阵列FPGA简介.........................................................................................83.2按键模块及其功能.............................................................................................................83.3显示电路模块及功能.........................................................................................................9第4章软件设计..........................................................................................................................104.1系统的流程.......................................................................................................................104.2设计模块...........................................................................................................................104.2.1自动演奏模块........................................................................................................114.2.2音阶发生器模块....................................................................................................134.2.3数控分频模块........................................................................................................15第5章软硬件的系统测试...........................................................................................................18结论................................................................................................................................................18致谢................................................................................................................................................18参考文献........................................................................................................................................193第一章引言电子琴作为音乐与科技的产物，在电子化和信息化的时代，为音乐的大众化做出了很大的贡献，歌曲的制作大多数都要由电子琴来完成，然后通过媒介流传开来，电视剧和电影的插曲、电视节目音效、甚至你的手机铃声，都很可能包含电子琴的身影。1.1课题分析随着电子技术的高速发展，由于FPGA/CPLD具有高速、高可靠性、串并行工作方式等突出优点，所以在电子设计中受到广泛的应用，并且它代表着未来EDA设计的方向。FPGA/CPLD的设计采用了高级语言，例如VHDL语言，AHDL语言。从而进一步打破了软硬件之间的界限，加速了产品的开发过程，缩短了设计周期。所以采用FPGA/CPLD取代传统的标准集成电路、接口电路已经成为电子技术发展的必然趋势。EDA（电子设计自动化)代表了当今电子设计技术的最新发展方向，它的基本特征是：设计人员按照“自顶向下”的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片集成电路（FPGA/CPLD)实现。电子琴是数字电路中的一个典型应用。在实际的硬件设计中用到的器件非常多，连线比较复杂，同时会产生比较大的延时，从而造成测量误差较大，可靠性不好。以EDA工具作为开发手段，运用VHDL硬件描述语言将使整个系统大大简化，提高了电子琴整体的性能和可靠性。1.2VHDL语言和QUARTUSII环境简介1.2.1VHDL语言简介VHDL是超高速集成电路硬件描述语言，是一种用于电路设计的高级语言。它出现于80年代后期，最初是由美国国防部开发出来的，是为了供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。VHDL主要是应用在数字电路的设计中。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中，同时也被一些实力较为雄厚的单位用来设计ASIC。VHDL具有多层次描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下和基于库的设计特点。其开发流程：在顶层用方框图或硬件语言对电路的行为进行描述后，进行系统仿真验证和纠错。再用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表。然后通过适配器将网表文件配置于指定的目标器件，产生最终下载文件或配置文件。最后把适配后生成的下载或配置文件通过编程器或编程电缆下载到具体的FPGA/CPLD器件中去，以便进行硬件调试和验证，而实现可编程的专用集成电路ASIC的设计。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL系统设计与其他硬件描述语言相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。[1]41.2.2QuartusII简介QuartusII是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整CPLD设计流程。QuartusII支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。MaxplusII作为Altera的上一代PLD设计软