EDA简易电子琴的设计

课 程 设 计 说 明 书题 目 EDA简易电子琴的设计 姓 名 专 业 班 级 系（部） 指导教师 2011年 1 月 3 日 EDA 课程设计、课程（学年）论文任务书课程编号 课内/外周数（学时数） 1周 指导地点 1-501 集中分散.学生姓名： 系（部）、专业：电子信息工程 班级： 题目EDA简易电子琴完成的任务（包括内容及要求、设计流程、论文提纲、阅读资料文献等具体要求等）：1、基本要求（1）利用数控分频器设计一个电子琴硬件电路和音乐发生器。（2）演奏时可以选择手动按键演奏。（3）演奏也可以选择自动播放已存入的乐曲，并自动重复播放。2、选做部分（至少选做一项）（1）自动重复播放。（2）其他。 论文字数须达到3000至5000字，正文包含标题、摘要、关键词、正文和参考文献5个部分。参考文献5篇，其中外文文献1篇，论文中引文按规范标出。具体教学进程、时间安排与具体内容：第10周：布置选题 第11周-15周：完成设计 第16周：完成课程设计说明书 第17周：作品演示及考核参考文献：1 卢毅，赖杰。VHDL与数字电路设计【M】。北京：科学出版社，2001.32陈雪松，滕立忠。VHDL入门与应用。北京：人民邮电出版社。3焦素敏，eda技术基础。北京：清华大学出版社。2009.84VHDL Language Reference Guide ，Alde Inc . Henderson NV USA ，1999其他要求：完成选做部分要求至少一项。指导教师 (签名） 2010年 11 月 5 日 教研室审定意见（选题、资料、工作量等是否合适）：选题合适，工作量适宜，资料收集齐全，同意使用。 教研室主任（签名） 2010年 11 月 5 日注：本表打印，一式三份，学生个人、系（部）（归档）、教务处（备案）各一份摘 要 本课程设计主要采用EDA技术设计一个简易的八音符电子琴，它可通过按键输入来控制音响从而演奏出已存入的乐曲。在课程设计中，系统开发平台为Windows XP，程序设计采用VHDL语言，程序运行平台为MAX+plus。然后编写程序实现电子琴的各项功能，使不同的音阶对应不同频率的正弦波，按下不同的键时发出对应频率的声音。程序通过调试运行，时序仿真，电路功能验证，顺利地实现了设计目标。关键词 电子琴；EDA；VHDL；音阶；频率Abstract The main use of this curriculum design EDA technology to design a simple eight-note organ, it can be key to control the audio input so as to have been deposited in a concert of music. In the course design, system development platform for Windows 2000, the procedures VHDL design language, platform for running MAX + plus . And then program to achieve the various functions of the organ, so that different scale corresponds to a different frequency sine wave, press different keys when the voice of the corresponding frequency. Running through the debugging process, timing simulation, functional verification circuit, successfully achieved the goal of the design.Key Words Electric piano; EDA; VHDL; scale; frequency1 引 言 随着信息科学的进步，现代电子产品的性能越来越高，复杂度越来越大，更新步伐也越来越快，电子技术的发展进入了划时代的阶段。其中电子技术的核心便是电子设计自动化EDA（Electronic Design Automatic）技术。EDA是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新成果而开发出的电子CAD通用软件包，它根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局布线及仿真，直至完成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。本课程设计就是采用EDA技术描述语言VHDL编程实现简易电子琴的各项功能，是EDA技术应用于实际的一个很好的例子。1.1 课程设计目的 运用VHDL语言对简易电子琴的各个模块进行设计，并使用EDA 工具对各模块进行仿真验证。本设计包含如下三个模块：乐曲自动演奏模块，音调发生模块，数控分频模块，最后把各个模块整合后，通过电路的输入输出对应关系连接起来1.2 课程设计内容（1）设计一个简易的八音符电子琴，它可通过按键输入来控制音响。（2）系统演奏时可以选择是手动演奏（由键盘输入）还是自动演奏已存入的乐曲。（3）能够自动演奏多首乐曲，且乐曲可重复演奏。1.3 课程设计原理本课程设计目的在于灵活运用EDA技术编程实现一个简易电子琴的乐曲演奏，它要求在实验箱上构造一个电子琴电路，不同的音阶对应不同频率的正弦波。按下每个代表不同音阶的按键时，能够发出对应频率的声音。故系统可分为乐曲自动演奏模块（AUTO）、音调发生模块（TONE）和数控分频模块(FENPIN)三部分。系统的整体组装设计原理图如图1-1所示。1.4简易电子琴工作流程图开始按键按下是否成功TO初始化并开中断允放TO中断识别按键功能根据按键功能，装入音符T到TO中启动TO工作按键释放是否成功？停止TO工作TO中断入口重装THO，TLO初值P1.0取反中断返回 图1-1 系统的整体组装设计原理图由于设计分模块组成，每个单独的模块都是一个完整的源程序，分别实现不同性质的功能，但是每个模块又是紧密关联的，前一个模块的输出很可能是后一模块的输入。如AUTO模块的音符信号输出就是TONE模块的音符信号输入。另外，时钟脉冲信号在本课程设计中用的最多，用处也最大，一般情况下时钟信号处上升沿有效，判断和控制各个计数器计数多少。2 EDA、VHDL简介 EDA技术是以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。EDA可提供文本输入以及图形编辑的方法将设计者的意图用程序或者图形方式表达出来，而我们经常用到的VHDL语言便是用于编写源程序所需的最常见的硬件描述语言（HDL）之一。2.1 EDA技术 EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）缩写，是90年代初从CAD、CAM、CAT和CAE的概念发展而来的。EDA技术是电子设计的发展趋势，利用EDA工具可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作。EDA工具从数字系统设计的单一领域，发展到今天，应用范围已涉及模拟、微波等多个领域，可以实现各个领域电子系统设计的测试、设计方针和布局布线等。 现在对EDA的概念或范畴用得很宽，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA主要辅助进行三个方面的设计工作：IC设计、电子电路设计和PCB设计。2.2 VHDL语言常用硬件描述语言有VHDL、Verilog和ABEL语言，而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的结构特点是将设计实体的内部功能和算法完成部分。相对于其他硬件语言，VHDL有许多优点。比如VHDL的行为描述能力更强，而且具有丰富的仿真语句和库函数，随时可对系统进行仿真模拟，使设计者对整个工程的结构和功能可行性做出判断；另外，由于具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变类属参量和函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。3 简易电子琴的设计过程根据系统设计要求，系统该系统基于计算机中时钟分频器的原理，设计采用自顶向下的设计方法，通过按键输入来控制音响或者自动演奏已存入的歌曲。它由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块三部分组成。3.1 乐曲自动演奏模块乐曲自动演奏模块的作用是产生8位发生控制输入信号。当进行自动演奏时，由存储在此模块的8位二进制数作为发声控制输入，从而自动演奏乐曲。该模块的VHDL源程序主要由3个工作进程组成，分别为PULSE0，MUSIC和COM1。PULSE0的作用是根据键盘输入（自动演奏）的值（0或1）来判断计数器COUNT以及脉冲CLK2的输出值。部分源程序如下： PULSE0:PROCESS(CLK,AUTO) -工作进程开始 VARIABLE COUNT:INTEGER RANGE 0 TO 8; -定义计数器变量，值从0到8 IF AUTO=1THEN -键盘输入为1 COUNT:=0;CLK2INDEX0INDEX0TONE0=912;CODE=;HIGHTONE0=1372;CODE=;HIGHTONE0=2047;CODE=;HIGH=0;显然，该模块最主要的作用就是给音符输入预设频率值，因为，电子琴最终实现乐曲演奏就是输出不同频率的正弦波，此模块就是将二进制发声信号转化为对应的频率。3.3 数控分频模块数控分频模块是对时基脉冲进行分频，得到与0、1、2、3、4、5、6、7八个音符相对应的频率。FENPIN模块的源程序符号编辑图如图3-3。 该模块主要由4个工作进程组成。首先，根据系统时钟信号的输入得到时基脉冲以及计数器的值，而时钟信号在AUTO模块中便已给出，两者之间的设置关系类似于AUTO模块中第一个工作进程的设置。第二个PROCESS是此模块的核心，即由时基脉冲值转化为音符的频率。部分源程序如下：VARIABLE COUNT11:INTEGER RANGE 0 TO 2047; -定义频率计数器，从0到2047Hz IF(PRECLKEVENT AND PRECLK=1)THEN -时基脉冲为1时 IF COUNT11TONE1 THEN -频率计数器小于音符分频系数 COUNT11:=COUNT11+1;FULLSPKS=1; -计数加1，扬声器音频为1 ELSE COUNT11:=0;FULLSPKS=0;最后一个PROCESS则是用来设置扬声器输出信号的，扬声器信号由0和1控制，当且仅当前一个PROCESS中的FULLSPKS输出为1时，扬声器才有输出，再根据计数器取值来确定输出是1还是0。部分源程序如下：IF(FULLSPKSEVENT AND FULLSPKS=1)THEN -扬声器音频信号为1COUNT2:=NOT COUNT2;IF COUNT2=1THENSPKS=1; -扬声器输出为1ELSE SPK=0; 3.4 顶层设计该DIANZIQIN模块是整个电子琴设计的核心，也是VHDL程序的主程序，前面3个源程序都是作为子程序分别实现电子琴的某一功能，而DIANZIQIN模块则通过调用子程序最终实现乐曲演奏的目的，奏出美妙的乐曲。利用VHDL语言COMPONENT将三个模块组合起来，其中3个模块和DIANZIQIN模块的输入输出是一一对应的，比如AUTO对应HANDTOAUTO,TONE0对应TONE2，SPKS对应SPKOUT等，该模块的符号编辑图如图3-4。图3-4 DIANZIQIN模块的符号编辑图该图描述的是DIANZIQIN模块输入输出的变量表示，整个系统的整体组装设计原理图就是这4幅编辑图按输入输出关系顺序连接而成的。4 系统仿真系统仿真是在实际系统上进行实验研究比较困难时适用的必不可少的工具，它是指通过系统模型实验去研究一个已经存在或正在设计的系统的过程，通俗地讲，就是进行模型实验。因而，系统仿真的结果决定整个课程设计任务完成的到位程度。4.1 时序仿真编译完成后，可以对所进行的设计进行仿真，下面简单介绍一下仿真的步骤。（1） 打开波形编辑器，在Node菜单中选择Enter Nodes from SNF项，列出所有的信号，选择所需要的信号，然后画出输入信号的波形，最后将该文件以.scf的扩展名存盘。 （2） 在MAS+plus菜单中打开仿真器窗口，单击Start按钮，当仿真器结束工作时，单击Open SCF按钮，就可以看到仿真的结果。本课程设计的仿真平台是MAX+plus,通过对VHDL源程序进行编译检错，然后创建波形文件（后缀名为.scf），加入输入输出变量，选择适用的芯片（EP1K30QC208-2）以及设定仿真结束时间（100us），设置好输入初值进行仿真，得到仿真波形图。由于电子琴4个模块都是独立的程序，可分别对各个程序仿真，验证输入输出的正确性，但在最终能演奏出乐曲的则是顶层设计模块。（1） 乐曲自动演奏模块的仿真如图4-1所示。图4-1 乐曲自动演奏模块的仿真图该图输入系统时钟信号CLK初值设为0，自动演奏AUTO设为1，键盘输入信号INDEX2为00，INDEX0为音符信号输出，是8位的二进制代码它根据COUNT0的值改变而改变。（2） 音调发生模块的仿真如图4-2所示。图4-2 音调发生模块的仿真图 该图输入音符信号INDEX初值为00，输出是音符显示信号CODE为01，高低音显示信号为0，音符的分频系数为即2047Hz。（3） 数控分频模块的仿真如图4-3所示。图4-3 数控分频模块的仿真图该图输入系统时钟信号CLK1初值为0（各输出值都是在时钟信号的下降沿有效），音符分频系数TONE1为即1290Hz,驱动扬声器的音频信号SPKS输出为1。（4） 简易电子琴整个系统的仿真如图4-4所示。 图4-3 简易电子琴整个系统的仿真图该图输入系统时钟信号CLK32MHZ初值为0，自动演奏信号HANDTOAUTO初值为0，键盘输入信号INDEX1为；输出音符信号CODE1则为，高低音节信号HIGH1变为1，即高音，音频信号SPKOUT即输出0，输出为1时CODE1变为，这时出现10ns的延时。在仿真时由于系统各方面原因影响，出现延时属于正常现象。4.2 电路功能验证 如果说前面的过程都是理论上进行软件设计制作，那么电路验证则是硬件产生实际结果的必要步骤，它是软件编程导入硬件系统得到最终设计目标的一个过程。此课程设计中主要用到的硬件设施有EP1K30QC208-2芯片、一个12MHz的频率元件、扬声器、键盘或脉冲开关、发光二极管等，硬件和软件系统相连接的枢纽就是芯片引脚和VHDL主程序中所有输入输出之间对应的关系，它们满足：CLK7引脚、HANDTOAUTO45、INDEX1046、INDEX1147、INDEX1253、INDEX1354、INDEX1455、INDEX1556、INDEX1657、HIGH119、SPKOUT68引脚。在选择好芯片以及设置引脚值后，下载源程序（后缀名.sof）到此芯片上，确认编程器硬件是否已安装好。按如下步骤打开编程器窗口：在Max+Plus菜单中选择Programmer项，点击Configure项将配置数据下载到一个FLEX器件中。再次对源程序进行编译导入程序然后运行，扬声器发出初设的音符3，5音即报警。手按键盘或拨脉冲开关改变输入信号则扬声器发出对应的频率的声音，键盘（开关）是与芯片引脚对应相连的。4.3 问题分析在完成电路验证这一步时，对频率的选择也是一大难点，有的设计项目对频率的要求很高，需要大频率元件才能满足设计需求，若频率元件选择不恰当，将严重影响设计结果甚至没有结果输出。对于设计电子琴时，由于要求输出不同频率的声音，频率变化范围大，故需要一个12MHz的元件，对于小于这一值的频率不足以满足电路需求，仿真时只有一堆杂音输出。在对于设计时遇到的不同问题时，首先应该理解问题关键所在，因为用语言编写程序需要仔细认真的态度，一点点错误漏洞将导致整个源程序无法编译运行，阻碍下一步工作完成进度。5 结束语通过这次VHDL课程设计，不仅增强了我们的实践动手能力，也让我们对课堂上所学到的理论知识的理解加深了许多，这给我们提供了一个在学习生活中很难得的理论联系实际的机会。能够借此机会了解到部分EDA技术的知识和学习运用其中一种硬件描述语言VHDL编程实现各种常用器件的功能，这是在哪堂讲课上都得不到的一笔财富。另一方面我们也发现了在平时学习过程中难于发现的许多缺点跟不足。比如实践机会过少，所学的理论知识不能灵活运用，在遇到实际的问题时无法正确处理；再者在课堂上获得的专业知识过于浅显，很多的有关基本操作原理、操作方法都理解不了；课外知识了解的也过少，导致在课程设计初期，面对完全陌生的设计课题无从下手，不知所措。这就提醒我们在平时的学习生活中不能一味埋头于面前的课本知识，毕竟当今社会竞争越发激烈，而学校能教授的东西有限，要想在人才市场中脱颖而出就只能靠我们自己。当然，在学习之余我们更应该积极参加各种有关专业知识的实践活动和比赛，巩固所学理论，多注意培养初步的实际工作能力和专业技术能力，这样在以后的工作岗位上不会显得那么仓促与生疏。参考文献 1 卢毅，赖杰。VHDL与数字电路设计【M】。北京：科学出版社，2001.32陈雪松，滕立忠。VHDL入门与应用。北京：人民邮电出版社。 3VHDL Language Reference Guide ，Alde Inc . Henderson NV USA ，19994焦素敏，eda技术基础。北京：清华大学出版社。2009.8附录1：乐曲自动演奏源程序清单-程序名称：AUTO.VHD-程序功能：采用VHDL语言编程产生8位发声控制输入信号。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY AUTO IS PORT(CLK: IN STD_LOGIC; -系统时钟信号 AUTO: IN STD_LOGIC; -键盘输入/自动演奏 CLK2: BUFFER STD_LOGIC; -时钟输出 INDEX2: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -键盘输入信号 INDEX0: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -音符信号输出END AUTO;ARCHITECTURE BEHAVIORAL OF AUTO IS SIGNAL COUNT0:INTEGER RANGE 0 TO 31; -定义信号计数器，有32个信号元素BEGINPULSE0:PROCESS(CLK,AUTO) -PULSE0工作进程开始 VARIABLE COUNT:INTEGER RANGE 0 TO 8; -定义变量计数器，从0到8BEGIN IF AUTO=1THEN -键盘输入为1 COUNT:=0;CLK2=0; -计数器值为0，时钟信号2幅值为0 ELSIF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN -输入的时钟信号为其他值 COUNT:=COUNT+1; -计数器加1即为1 IF COUNT=4 THEN CLK2=1; ELSIF COUNT=8 THEN CLK2=0;COUNT:=0;END IF;END IF;END PROCESS;MUSIC:PROCESS(CLK2) -MUSIC工作进程开始BEGIN IF(CLK2EVENT AND CLK2=1)THEN -时钟信号2为1 IF(COUNT0=31)THEN -计数器值为31 COUNT0=0; -计数器清0ELSE COUNT0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0INDEX0NULL;END CASE;ELSE INDEX0TONE0=773;CODE=;HIGHTONE0=912;CODE=;HIGHTONE0=1036;CODE=;HIGHTONE0=1116;CODE=;HIGHTONE0=1197;CODE=;HIGHTONE0=1290;CODE=;HIGHTONE0=1372;CODE=;HIGHTONE0=1410;CODE=;HIGHTONE0=2047;CODE=;HIGH=0;END CASE;END PROCESS;END ART;附录3：数控分频源程序清单-程序名称：FENPIN.VHD-程序功能：采用VHDL语言编程对时基脉冲进行分频，得到8个音符相对应的频率。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY FENPIN ISPORT(CLK1: IN STD_LOGIC; TONE1: IN INTEGER RANGE 0 TO 2047; -系统时钟信号 SPKS: OUT STD_LOGIC); -音符分频系数END ENTITY FENPIN; -驱动扬声