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具有自动乐曲演奏功能的电子琴设计先给出设计结果视频链接:具有自动乐曲演奏功能的电子琴-视频实录本文为本人于2012年下学期做的EDA数字系统设计，文章详细介绍了“具有自动乐曲演奏功能的电子琴”的FPGA设计原理与方法，使用了ROM存储音符和节拍，矩阵键盘控制整个系统。一、选题目的电子设计自动化，简称EDA（ElectronicDesignAutomation），发展迅速，应用范围日益扩大。它以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。本文应用VHDL硬件描述语言，以QuartusⅡ8.0为开发工具设计了一个具有自动演奏乐曲功能的电子琴系统，它能将预先存储在ROM中的多首乐曲自动播放出来，并同时显示音符，此外，还具有电子琴弹奏的功能。选题新颖、实用，趣味性、综合性较强。二、设计目标1.采用44矩阵键盘作为：电子琴按键，高、中、低音选择键，自动播放和电子琴弹奏功能选择键，乐曲选择键。2.使用ROM存储乐曲，达到只要在其中存储乐曲音符节拍的信息即可自动播放的目的，对乐曲的编码要简单易用。3.可自动播放《世上只有妈妈好》、《长亭送别》、《十年》三首歌曲，带选歌和自动循环播放的功能。4.实时显示正在播放的音符。5.设计要具有模块化，层次化的特点。6.波形仿真时采用时序仿真，以更加贴近实际，使系统的实际效果达到最佳。三、实现方案1.原理框图具有自动乐曲演奏功能的电子琴系统的原理结构框图如下：图1硬件系统结构框图图2软件系统结构框图图3乐曲自动播放模块结构框图图4乐曲弹奏模块结构框图2.设计流程图具有自动乐曲演奏功能的电子琴系统的VHDL程序设计流程图如下图5：图5程序设计流程图四、设计过程1.音乐基础知识简谱应该说是一种比较简单易学的音乐记谱法。它的最大好处是仅用7个阿拉伯数字----1234567，就能将万千变化的音乐曲子记录并表示出来，并能使人很快记住而终身不忘；同时涉及其他的音乐元素也基本可以正确显示。简谱虽然不是出现在中国，但是好像只有在中国得到非常广泛的传播。乐音的特性：它由四个方面组成：音高、音值、音量、音色。音高：由物体在一定的时间内震动的次数决定，震动次数多，因则高，反之，则低。音值：即音的长短，是由音的延续时间的不同而决定的，音的延续时间长，音则长，反之，则短。音量：即音的强与弱，由震幅的大小决定，震幅大，音则强，反之，则弱。音色：有发音体的性质决定，发音体的形状及泛音的多少决定音色的不同，例如，小提琴、钢琴等各种乐器的音色都是不同的，在合奏时，人们可清楚地辨认。乐音体系：在音乐使用中有固定音高的音的总和叫乐音体系。音级：乐音体系中的各音叫音级，音级有基本音级与变化音级两种。基本音级：在音乐中经常使用的七个具有独立名称的音叫基本音级。基本音级的名称用字母或唱名两种方式来标记。音名：用C、D、E、F、G、A、B来标记基本音级的叫音名，它表示一定的音高，简谱中用1,2,3,4,5,6,7来标记。唱名：用do、re、mi、fa、sol、la、si作为音级名称的叫唱名。音符：用以记录音的长短高低的符号叫音符（以符头在谱表上的位置来表示音的高低，以形状表示音的长短，音符有符头、符干、符尾三部分或其中某些部分组成，而在简谱中以1234567或其上下加点来表示不同音高，以短下划线(_)或横(—)来表示音的长短）。下面重点介绍组成音乐的两个最基本的要素：每个音符发音的频率及其持续的时间。1.1音符和频率的关系乐曲的十二平均律规定：每2个八度音（如简谱中的中音1与高音1）之间的频率相差一倍。在2个八度音之间，又可分为12个半音，每2个半音的频率比为。另外，简谱中的低音6的频率为440Hz，音符7到1之间、3到4之间为半音，其余为全音。由此可计算出简谱中从低音1至高音7之间每个音符的频率，如下表1所示：表1简谱中音符与频率的关系音名频率（Hz）音名频率（Hz）音名频率（Hz）低音1261.6中音1523.3高音11046.5低音2293.7中音2587.3高音21174.7低音3329.6中音3659.3高音31318.5低音4349.2中音4698.5高音41396.9低音5392中音5784高音51568低音6440中音6880高音61760低音7493.9中音7987.8高音71975.51.2音符的长短表示音乐的长短需要有一个相对固定的时间概念。简谱里将音符分为全音符、二分音符、四分音符、十六分音符、三十二分音符等，如下表2。在这几个音符里面最重要的是四分音符，它是一个基本参照度量长度，即四分音符为一拍。这里一拍的概念是一个相对时间度量单位。一拍的长度没有限制，可以是1秒也可以是2秒或半秒。假如一拍是一秒的长度，那么二拍就是两秒；一拍定为半秒的话，两拍就是一秒的长度。一旦这个基础的一拍定下来，那么比一拍长或短的符号就相对容易了。正如五线谱的附点一样，数字后方加一点会将音符长度增加一半。表2简谱中音符长度音符名称记法时值编码全音符5———四拍16二分音符5—二拍8四分音符5一拍4八分音符半拍2十六分音符四分之一拍1三十二分音符八分之一拍2.VHDL程序设计2.1顶层文件采用原理图输入法设计，其原理图如下：图6music_player原理图各模块的设计如下。2.2音符的编码及音乐的存储2.2.1音符的编码休止符的编码为：0；音符长度的编码见表2。音名的编码如下表3所示：表3音名的编码音名编码音名编码音名编码低音111中音11高音121低音212中音22高音222低音313中音33高音323低音414中音44高音424低音515中音55高音525低音616中音66高音626低音717中音77高音7272.2.2音乐的存储以十进制将音乐分别存储于note_rom和tick_rom两个模块中，前者为音符，后者为音符的长度，下面给出《世上只有妈妈好》的存储过程。在QuartusII主窗体中选择Tools—MegaWizardPluge-InManager…，弹出如下对话框，单击Next继续。图7MegaWizardPluge-InManager第一页按下图选择并填入文件名，点击Next。图8MegaWizardPluge-InManager第二页由于音符编在16到32之间，所以q选为5位即可，容量选为1024个字如下图所示图9数据和地址宽度的选择在下图中取消“q’outputport”前面的勾，点击Next继续。图10寄存器信号的选择在下图中，按图示选择并填入note_rom.mif，点击Next继续。图11指明ROM初始化文件图12完成ROM的定制2.2.3建立ROM初始化文件初始化ROM的数据文件有.mif格式和.hex格式，这里采用.mif格式，可以用文本编辑器编辑，也可以用QuartusII自带的功能产生ROM数据文件。定制一个512*8的ROM的初始化.mif文件可按下列步骤进行：选择菜单File|New，在对话框中选择MemoryInitializationFile，然后输入512和8，如下图13（a）所示，点击OK随即打开.mif文件，如下图13（b）所示，然后可在其中输入数据，默认为十进制。（a）ROM的初始化设置（b）初始化的空的ROM文件图13ROM初始化2.2.4在ROM中存储音乐以《世上只有妈妈好》为例，其简谱如下图所示：图14世上只有妈妈好简谱根据前述对音符的编码规则，可知第一个音为中音6，时值为拍，存储为6和6；再如第二个音符为中音5，时值拍，存储为5和2；又如第五个音符为高音5，时值1拍，存储为21和4。依此类推，可将整首乐曲存储如下：（a）note_rom.mif文件（b）tick_rom.mif文件图15世上只有妈妈好简谱在ROM中的存储其它两首乐曲的存储与此类似，且存储在同一个note_rom.mif和tick_rom.mif文件中即可。3.键盘控制模块3.1扫描及编码矩阵式键盘是一种常见的输入装置，根据其电路连接有共阴极和共阳极两种连接方式，可以采用逐行或逐列扫描法获得按键值。本文根据实验室提供的共阳极矩阵键盘设计，其示意图如图16所示，定义各功能键如下图17所示，其中1~7对应简谱的1~7音符，H、M、L分别为高、中、低音选择键，AP（AutoPlay）为自动播放选择键，EO（ElectronicOrgan）为电子琴弹奏选择键，Song为自动播放时的歌曲选择键，三个短“-”代表休止符。图16共阳极矩阵式键盘示意图图17本系统矩阵键盘功能键示意下面介绍扫描原理，采取逐行扫描法，以0111、1011、1101、1110的顺序依次扫描，然后读取列引脚的电平信号即可判断哪个按键按下。例如，当扫描信号为1011时，表示在扫描第二行，若列读出的电平信号为1101，则可知第3列的键被按下，即第二行第3列的键“7”被按下，其它按键依次类推，下表4中列出了4*4矩阵键盘扫描时的情况表4按键扫描信息对照表列行0111101111011110111101111234无1011567H无1101APEOSongM无1110---L无对该矩阵键盘按从上到下、从左至右的顺序编码，依次为：1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16。扫描时，选取的扫描频率为1KHz，由1MHz分频得到，具体见源程序。3.2消抖通常的按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时,由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，如右图。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。图18按键抖动常见的消抖方法有采样型防抖微分电路、D型触发器、移位寄存器、计数器，结合各消抖法的特点，本文采用计数器法。3.3键盘控制模块如右图9所示图19键盘控制模块键盘控制模块（Key_Control.vhd）仿真波形如下图20所示：图20键盘控制模块仿真波形为方便仿真及观察仿真结果，仿真时采用周期为100ns的clk，且将Key_Control.vhd中的获得clk_kb信号的程序中的ifcnt=499then，（即具体见源程序中斜体注释部分）改为ifcnt=10then，再将延时近程中clk_kb改为clk，count改为3位，然后对KBCol[0..3]赋值（如图），即可得到上图所示结果。注意观察图中圈圈的部分，可以看出，第一个圈，对应“AP”键，他不在音符范围内，故Key_Note为0，且play，sel均为1，表示选择自动播放；第二个圈，对应“5”键，在音符范围内，故Key_Note为5；第三个圈，对应“EO”键，他不在音符范围内，故Key_Note为0，且play，sel均为0，表示选择电子琴弹奏；第四个圈，对应“Song”键，产生一个脉冲，仔细分析还应当发现由于消抖，使输出迟了1个扫描时钟（0.001s），但对本系统无影响。4.乐曲自动播放模块此模块的框图如图3所示，元件符号如右图下21所示，包含以下模块：ROM数据读取控制、音符ROM、节拍ROM，如下图22所示：图21乐曲自动播放模块符号图22乐曲自动播放模块4.1ROM数据读取控制该分模块从tick_rom中读取节拍，控制读取ROM数据的速度，从而实现音乐的节奏。该模块通过可调模值计数器实现，具体参见源程序。乐曲自动播放模块仿真波形如下：图23乐曲自动播放模块仿真波形为方便仿真，将counter_rom.vhd源程序中的CLK_FREQ这一常量的值改为仿真时的时钟信号频率100Hz，三首乐曲的前几个音符如右图所示，第一首的起始音符为中音6，时值一又二分之一拍；第二首的起始音符为中音5，时值为1拍；第三首的起始音符为0，接着为1,2，时值分别为二分之一拍、四分之一拍、