简易电子琴的vhdl仿真与实现

1、简易电子琴的 VHDL设计与实现一 设计课题与任务要求:设计制作一个简易电子琴演奏器。原理概述：根据声乐知识，产生音乐的两个因素是音乐频率的持续时间，音乐的十二平均率规定，每两个八音度之间的频率相差一倍，在两个八音度之间，又可分为12个半音。每两个半音的频率比为4。另外，音名 A （乐谱中的低音6）的频率为440HZ音名B到C之间，E到F 之间为半音，其余为全音。由此可以计算出乐谱中从低音1到高音1之间每个音名的频率如下表所示。表1简谱中的音名与频率的关系音名频率（Hz）音名频率（Hz）音名频率（Hz）低音1261.63中音1523.25咼音11046.50低音2293.67中音2587.33

2、咼音21174.66低音3329.63中音3659.25咼音31318.51低音4349.23中音4698.46咼音41396.92低音5391.99中音5783.99咼音51567.98低音6440中音6880咼音61760低音7493.88中音7987.76咼音71975.52基本要求：1、用8 X 8点阵显示“ 1 2 3 4 5 6 7 ”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。OOOOOOOO00*9 oooo ooooo* oooooo44spkoutA Rt-I u图3 顶层设计Ke

3、yplay模块设计：将输入 key6.O, mode编码为 index_key4.O。index_key4.O的高两位表示 高、中、低音，00表示低音，01表示中音、11表示高音。index_key4.0低三位 表示音调，001表示do， 010表示re,以此类推，000表示不发音。这样可以实现 对不同按键模式下的编码，而这些编码会为后续模块例如seg7, lattice所使用。1hdeK_keykeyplay ：nit j de图4keyplay模块设计autoplay模块设计：把50MHz的输入时钟分频为16Hz，作为节拍。将要自动演奏的歌曲预先写为 index_auto 的格式(inde

4、x_auto格式与index_key格式相同)。以16Hz的频率将index_auto输出。这里 需要用到计数器，此计数器的长度由演奏的歌曲长度而定。In.dei_autautoplay 图5autoplay模块设计查表及显示模块table设计：(1) 输入按键button,replay用于选择模式。由于是琴键式，不能根据button本身的 值来选择模式。button为1且replay为0则把index_auto赋给内部信号index, button为0且replay为0则把index_key赋给它，button为0且replay为1则把 in dex_store 赋给它。(2) 用index

5、来查表，获得分频系数tone,输出。(3) 同时根据index获得编码表示的高、中、低音的音调，输出给数码管和点阵。Index kevIndex autnIndex storeelktabletonerep 1 nybuttontable模块设计分频模块fen pin设计：输入分频系数to neo设置内部信号i用于计数，clk_data作为分频结果。，每次elk上升沿检测i是 否等于tone,相等则把i清零，并使clk_data翻转，否则i自增1。(2)把clk_data赋给输出信号buzz，由buzz驱动扬声器发声。1B JellLbuzzP-=fenpin3-ton图7fen pin模块设

6、计seg7数码管模块设计：由button和replay进行调用选择，选择采用 index_key或index_auto或者 index_store作为对应的信号index输入。(1)index分别对应不同的数码管显示输出。IndrfjHiTc ldrsic -Tctteat扎bB d弩贏;dpsegmentnxxieseg7模块设计图8lattice数码管模块设计：由button和replay进行调用选择，选择采用 index_key或index_auto或者 index_store作为对应的信号index输入index分别对应不同的点阵输出显示IndexIndexIndex keyComla

7、tticeclrlattice模块设计lieStore存储模块设计：Store模块使用了 store1和replay控制录音和录音播放的选择。这里使用了一个 二维数组来存储输入的按键信息，然后录音播放时可以按照输入的频率进行对应 的播放。三、仿真波形及仿真分析lattice模块仿真:習 Fif Eiit VFew Projwt 里signwwnts ProcKsirq TmIs Winda# Help-j K母b Majitr Time SeriBSmi彳FioHcrJCmrft1刚就ii.a+n；Sint-Errt|r1iceirlai?ice - dbce - imuhtjon R?par

8、i - &mdd!inn XVavrTornii;era/Kl FlIi诃ASlmulfftion Repi fe+ j| Legal Notict 归 Row$umi*w |ffl How Settirg |J Simulator gQ Surnma 身露 Settings 豹 Sirrdatk I 爭_15irrdatk 身基INI U開g gW Messagfira寸日IUHOH疔冃呼7斷1LD U皿吃M L3廿ML5Lb衬LT祎LBy -.Q 3 -.2 1 -切El 13 E- T b -.S) - - - 3 - 1) IM-.T . bl - 4-.I-.DI:； 5 niXIX

9、IIIXIAlII11t厂邸帅烦邮功审旧：馬B：xinniJ：ir厂可闻厂冏伽(ri序订r厂辟何任獅厂回:(,rLrJ11l iJi-L11J11n_1_J LL1rii rL111111L11_I1.:.1l_ .11.1L01)嗣Y圄51】i HE I-加胡1X 创K【】m J腳】53 t：羽Ll 】KT 1 歸 If【旳【叩】sr1L1rLDJK CEi： Ml )( i X 22 J： 0:;；饵 J( 3I -n Jt Po)L * XrjlK jHKsage: Ddlll* llraifJ匾捉1jFbr He. pr卿 Fl*d rNUM波形分析：这里我只选择性地选取了键盘输入的对

10、应点阵显示， 首先键盘输入时button 信号为低电平，所以可以从仿真图中看到button信号为低电平，且此时的复位信 号无效，为低电平，此时key输入信号有效。在对应的时钟时钟信号输入下，当键盘输入信号key对应相应的输入时，点阵的行列也会有对应的输出。由于行的 输出是扫描信号，所以对应时钟输入，点阵的行信号在对应的时钟分频下，分别对应一行输出低电平有效，表示扫描至该行，下一个时钟分频对应下一行的低电 平输出。而对应列扫描，根据key输入的情况，分别对应列扫描的电平输出。如图，例如输入 do 时，有 lie 11011111, row 01100000。fenpin模块仿真：爭 臼 E* 里

11、凶甲T AMKrmvrta Dcnaip Toah WF-dowff ND CS L 口 at/攀零越 4*气耸疏時彎 叭1 也I u)| 毋 Swdaliwi- sUunWnSuM31M ktU4C driita TlftlEkCR 加eT祕曲Illrri土和换 IMIM血I14214mSik |E械誉乓*;略乳VIEEriUX h-4 .M：L_l U U U U L_l U U LIlln n rjirULW-inrutnrtrrirLrLWLWuLnrtnnrLmnRTinrLnrLrTirLmjiRWuLnnrnrLrjuirLuirLinrULnrLrvuirLU1|r)I( 1对

12、(ii| g |舒35；3|)r；( T| 、；議 |1 T|ht|斜工ClSlyai切li.3XI-.2li11II-.0liisirrelA0”,4】ki-.3ii-.!Ai IAiitVtlu15 LTJ血删1咄伽伽啊顺伽伽血伽mwnnimrmmHfflm_-Lr_rLr_-L-_rLr_rLrLrLr_rLrLrLrLrLr_-L-LrLr_rLLTLr_rLrLrL-1L3L9JJ如图，对应时钟上升沿若有按键，则记录；replay有效后，可以看到index_store 有对应的赋值，表示有效的按键信息已经被存储。可以看到根据手动录入的index-key 情况，对应 replay 时的

13、 index_store输出分别为 10001,10110,01011Seg7模块仿真:脣丄也血mJlOSutHeiwi*.的炖SlwlEnd |如图所示，对应的 cat输出为时钟扫描信号，所着时钟变化，cat0,cat1,cat2,cat3,cat4,cat5依次出现低电平，表示对应的选通管有效，而 A,B,C,D,E,F,G,DP则 根据输入的key而变，可以看到，对应mi的输入的时候，数码管A,B,C,D,E,F,G,DP 分别对应1,1,1,1,0,0,1,0,恰好可以显示数码管上的3字样。四、源程序(要有注释)electrorga n. vhl-顶层文件library IEEE;us

14、e IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity electrorgan is-作为顶层文件，它包含实现功能用到的所有端口port ( clk :in std_logic;key:in std_logic_vector(6 downto 0);mode:i n std_logic_vector(1 dow nto 0);cat:out std_logic_vector(5 downto 0);clr:in std_logic;butt on:i n stdo

15、 gic;replay:in std_logic;spkout :out std_logic;store1: in std_logic;Atop:OUT std_logic;Btop:OUT std_logic;Ctop:OUT std_logic;Dtop:OUT std_logic;Etop:OUT std_logic;Ftop:OUT std_logic;Gtop:OUT std_logic;DPtop:OUT std_logic;lietop:out std_logic_vector(7 downto 0); -列 comtop:out std_logic_vector(7 downt

16、o 0);-行 end electrorgan;architecture behave of electrorgan iscomponent autoplay -这里声明了顶层文件中包含的各模块 port ( clk: in std_logic;clr:in std_logic;index_auto : out std_logic_vector(4 downto 0); end component;component store is port(index_key : in std_logic_vector(4 downto 0);clk : in std_logic; clr : in st

17、d_logic; store1: in std_logic; replay:in std_logic;index_store : out std_logic_vector(4 downto 0); end component;component fenpin port(clk:in std_logic;tone:in integer range 0 to 100000; buzz:out std_logic); end component;component lattice port(clk:in std_logic;lie:out std_logic_vector(7 downto 0);

18、-列 com:out std_logic_vector(7 downto 0);-行 index_auto : in std_logic_vector(4 downto 0); index_key : in std_logic_vector(4 downto 0); clr:in std_logic;replay:in std_logic; index_store : in std_logic_vector(4 downto 0); button :in std_logic);End component;component tableport(index_auto:in std_logic_v

19、ector(4 downto 0); index_key:in std_logic_vector(4 downto 0); button :in std_logic;clr:in std_logic;replay:in std_logic;index_store : in std_logic_vector(4 downto 0);tone:out integer range 0 to 100000);end component;component keyplayport(key:in std_logic_vector(6 downto 0); mode:in std_logic_vector(

20、1 downto 0); index_key:out std_logic_vector(4 downto 0) );end component;component seg7PORT(mode:in std_logic_vector(1 downto 0); cat:out std_logic_vector(5 downto 0); index_key:IN std_logic_vector(4 downto 0); index_auto:IN std_logic_vector(4 downto 0); replay:in std_logic;index_store : in std_logic

21、_vector(4 downto 0); button :in std_logic;clk:in std_logic;A:OUT std_logic; B:OUT std_logic; C:OUT std_logic; D:OUT std_logic; E:OUT std_logic; F:OUT std_logic; G:OUT std_logic;DP:OUT std_logic );end component;signal index_auto_top :std_logic_vector(4 downto 0); signal index_key_top :std_logic_vecto

22、r(4 downto 0); signal index_store_top :std_logic_vector(4 downto 0); signal tone_top :integer range 0 to 100000;begin-这里声明了各模块的端口与顶层端口的映射关系u1:autoplay port map(clk=clk,clr=clr,index_auto=index_auto_top);u2:fenpin port map(clk=clk,tone=tone_top,buzz=spkout);u3:table port map(replay=replay,index_store

23、=index_store_top,index_auto=index_auto_top,clr= clr,index_key=index_key_top,tone=tone_top,button=button);u4:keyplay port map(key=key,index_key=index_key_top,mode=mode);u5:seg7 port map(replay=replay,index_key=index_key_top,cat=cat,index_store=index_store_ top, clk=clk,button=button,mode=mode,index_a

24、uto=index_auto_top,A=Atop,B= Btop,C=Ctop,D=Dtop,E=Etop,F=Ftop,G=Gtop,DP=DPtop);u6:lattice port map(replay=replay,index_auto=index_auto_top,index_store=index_store_top,clr= clr,index_key=index_key_top,button=button,lie=lietop,com=comtop,clk=clk)Ju7:store port map(index_key=index_key_top,clr=clr,clk=c

25、lk,index_store=index_store_top, store1=store1,replay=replay);end behave;autoplay.vhl- 自动播放模块library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity autoplay isport (clk: in std_logic;clr:in std_logic;-这里声明了一个复位端口index_auto : out std_logic_vector(4

26、 downto 0);end;architecture behave of autoplay issignal count :integer range 0 to 136;- 可根据乐曲长度改变signal jiepai: std_logic;signal j: integer range 0 to 1562500;beginjiepai1: process(clk)-分频产生 16Hz 的节拍begin if clk event and clk = 1 then if j = 1562500 then j = 0;jiepai = not jiepai; elsej = j+1;end if

27、;end if;end process jiepai1;process(jiepai,clr)begin if(clr=0) then-这里相当于一个计数器-可根据乐曲长度改变if jiepaievent and jiepai=1 then if count=136 then count=0; else count=count+1; end if;end if;else count index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_au

28、toindex_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_autoindex_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto in

29、dex_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index

30、_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto ind