VHDL硬件描述语言程序设计简易电子琴演奏器

VHDL硬件描述语言程序设计

简易电子琴演奏器

姓名：chi

目录

一、设计课题的任务要求...............................................3

二、系统设计.........................................................4

三、仿真波形及波形分析...............................................7

四、源程序..........................................................9

五、功能说明........................................................20

六、元器件清单及资源利用情况.......................................21

七、故障及问题分析..................................................22

八、总结和结论......................................................23

设计课题的任务要求

基本要求：

1、用8X8点阵显示“1234567”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。

oooo。0O

oooo。•O

oooo・•O

oooe••O

oooe••O

ooee•O

oete••O

ee^e••O

・

1234567

图1点阵显示的电子琴键盘

2、用BTN1〜BTN7七个按键模拟电子琴手动演奏时的“1234567”七个音符。当某

个按键按下时，数码管显示相应的音符，点阵上与之对应的音符显示列全灭，同时

蜂鸣器演奏相应的声音；当按键弹开时数码管显示的音符灭掉，点阵显示恢复，峰

鸣器停止声音的输出。下图所示为按下BTN3按键时点阵的显示情况。

ooOo。0O

ooOo。•O

ooOo・•O

ooOe••O

ooOe••O

ooOe•O

oeOe••O

eeO••O

*・

1234567

图2按键按下后的点阵显示

3、由拨码开关切换选择高、中、低音，并用数码管进行相应的显示。

4、通过按键BTNO进行复位，控制点阵显示图1的初始状态。

提高要求：

1、可通过一个拨码开关进行手动/自动演奏的切换，并与点阵显示配合增加自动演奏

乐曲的功能。

2、增加手动演奏的音符存储、播放功能。

二、系统设计

1.设计思路

简易电子琴的制作主要是利用不同频率的波来驱动蜂鸣器发出声响。通过输入不同的音

符来设置不同的分频系数，使得50MHz的主频分频出不同频率的波。同时，演奏的音符还

可以通过数码管和8*8点阵来动态显示。

根据系统设计要求，该电子琴设计采用自顶向下的设计方法。整体的功能通过不同的底

层模块配合来完成电子琴的功能。底层模块主要包括乐曲自动演奏模块、分频预置值产生模

块和数控分频模块，数码管显示模块，8*8点阵显示模块五部分组成。用这种设计思路把整

个系统分为了若干个模块，然后再在顶层文件中将各个模块组合在一起，从而体现出超、高

速硬件描述语言VHDL的优势，

关于提高要求中通过一个拨码开关进行手动/自动演奏的切换，并与点阵显示配合增加自

动演奏乐曲的功能，我打算将一首曲子的音符储存在自动播放的数组里面，然后通过计数器

来顺序播放储存的音符。

关于提高要求中的手动演奏的音符存储、播放功能，我打算通过编程实现类似数据结构

中队列的模块，来储存手动输入的音符，然后在要播放的时候，队列里面的音符依次出队，

从而实现音符储存播放的功能。

2.总体框图

图3简易电子琴总体结构框图

图4简易电子琴逻辑流程图

图5简易电子琴VHDL电路原理图

3.分块设计

(1)分频模块divO

由于实验电路板的主频是50Mhz，为了数码管和点阵的刷新显示，我们必须将50Mhz的

频率进行分频。分频的程序来自电路中心的网站上面。在这个模块里，我设置分频系数为

cnt=2499o从实验结果看，这个分频对数码管和点阵的显示有很好的效果

(2)数码管显示模块shuma

我使用了2个数码管，第一个数码管显示1~7的音符，第二个数码管显示相关的信息,

比如高音用H表示，低音用L表示，自动播放用A表示。两个数码管分别刷新，但由于刷

新频率太快，人眼不能察觉，以为是两个数码管是同时亮的。在程序中我们通过duan:out

std_logic_vector(7downto0)和cat:outstd_logic_vector(5downto0)来控制数码管的显示。当

输入不同的音符和不同的控制信息时，duan和cat向量都有不同的值与之对应。

(3)8*8点阵显示模块dianzhen

8*8点阵的显示和数码管的显示运用了同样的原理，在程序中我们通过row:out

std_logic_vector(7downto0)和col:outstd_logic_vector(7downto0)这两个向量来控制点阵的

显示。当输入不同的音符时，点阵显示相应的形状。

(4)音符产生模块autOo

这个模块的功能是，选择的不同模式来产生不同的音符。当选择自动播放模式时，随着

计数器count的值增加，即地址值递增时，程序自动读取出事先储存的音符，并把这个音符

输出。当选择手动演奏模式时，直接将通过BTNLBTN7输入的向量当做音符输出yin:out

std_logic_vector(6downto0);«

(5)分频预置值产生模块

该模块的功能是通过音符以及高低音选项来查表找到对应的频率值。在程序中设置了全

部音符对应的分频预置数。通过判断音符产生模块输出的音符yin:instd_logic_vector(6

downto0),以及拨码开关的高低音highlow:instd_logic_vector(ldownto0)控制键，来查找出

该音符的频率值，然后将该频率赋值给

tone:outintegerrange0to2000000);o

(6)数控分频发声模块

从实验板上面输入的时钟是50MHz的，必须经过分频后由clk_out输出，驱动蜂鸣器发

声。Clk_out的输出频率就对应着音符的音调。分频系数由来自分频预置值模块的tone:out

由于直接从数控分频器中出来的输出信号是脉宽极窄的脉冲式

integerrangeOto2000000)o

信号。为了利用驱动蜂鸣器，需要再增加一个进程，多波形进行整理，均衡占空比

三、仿真波形及波形分析

1,数码管显示模块仿真波形

MasterTimeBar:17.425nsPointer:12.48usInterval:12.46usStart:)p$Erw

)PS1.28us2.56us3.84us5.12us6.4us7.68us8.96us10.24us

Name

17.43ns17.425ns

・0clk_inA0_r-1_rT____I_I____I~~L-L__rn__i_iJ-I__I_L_r1__

•1autoA0

是2田HRA[16][16]X[0]XC161X0][16]X0]X[8][0][2]x

♦10国highlowA[2][2X[0X[1]X[0]

⑥13□atA>>；*=X?X=x>x?>X?瓜?XX

014-...5]A1

315-...4]A1

♦16-...3]A1

-...2]A1

318-...1]A1l_J

L.0]1_1

~19A0-LJ-u1_1

⑥20曰duanAmj[0]0]：m*[0])[0]

Q21-.7]A0

222-...6]A11_r_L_-Ln_I_I

323-...5]A1—1___iii_-LL

324-...4]A0r-L_r

Q25-...3]A1n_11_-LJ_L_

»26-...2]A1—I_rn

327A0

-...1]—J—L_

।।।

<i]>|

波形分析：不同的yin,和highlow组合，数码管显示不同的字符。duan[O]~duan⑺对应着数

码管的a段到h段，cat[0]~cat[5]控制不同的数码管

2.点阵显示模块仿真波形

3.自动播放模块仿真波形

这时候相当于手动演奏。

4,分频预置值产生模块仿真波形

波形分析:输入不同的高低音highlow,和音符yin,输出不同的tone。而tone将作为发声模块

的分频预置值

四、源程序

1.分频模块源程序

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

entitydivOis

port(clk_in:instdjogic;■■输入时钟

clk_tmp:outstdjogic);-输出时钟

end;

architecturebofdivOis

signalelk:std_logic;

begin

pO:process(clk_in)

variableent:integerrange0to2499;

begin

if(clkjn'eventandclkjn='l')then

ifcnt=2499then-分频系数为2499

cnt:=O;

clk<=notelk;

else

cnt:=cnt+l;-每个输入时钟上升沿到来时

ent加1

endif;

endif;

endprocesspO;

clk_tmp<=clk;

endb;

2.数码管显示源程序

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

entityshumais

port(clk_in:instd_logic;-以分频的时钟输入

yin:instd_logic_vector(6downto0);-输入音符

highlowinstd_logic_vector(ldownto0);-输入高低音

auto:instdjogic;-自动播放

autol:instdjogic;-自动播放1

duan:outstd_logic_vector(7downto0);

cat:outstd_logic_vector(5downto0)

end;

architecturebofshumais

signalduant:std_logic_vector(7downto0);

signalcatt:std_logic_vector(5downto0);

begin

pl:process(clk_in,yin,highlow,auto,autol)

begin

ifauto='l'then

catt<="111101";duant<=,,00111111";-显小"8"表不自动播放

elsifautol='l'then

catt<=,,111101";duant<="01111111";-显示“0”表示试音

elsifauto='0'then

if(clk_in='0')then

caseyinis

when"0000001"=>catt<="111110";duant<="00000110";"1”

when“0000010”=>catt<=”111110”;duant<=“01011011”;--显示“2”

when“0000100”=>catt<=”111110”;duant<="OlOOini”;--显示“3”

when”0001000”=>catt<=”111110”;duant<=“01100110”;--显示“4”

when”0010000”=>catt<二"llino”;duant<=“01101101”;--显示“5”

when"0100000"=>catt<="111110";duant<="01111101";-S^"6”

when“1000000”=>catt<=”111110”;duant<=”00000111”;--显示“7”

whenothers=>catt<="llllll";duant<="00000000";

endcase;

elsif(clk_in='l')then

casehighlowis

when"10"=>catt<="111101";duant<="01110100";一显示“L”

when"01"=>€3«<="111101"^03^<="00111000";一显示"H”

whenothers=>catt<="llllll";duant<="00000000";

endcase;

endif;

endif;

endprocesspl;

cat<=catt;

duan<=duant;

endb;

3.点阵显示源程序

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

entitydianzhenis

port(clk_in:instd_logic;一时钟输入

yin:instd_logic_vector(6downto0);-输入音符

row:outstd_logic_vector(7downto0);-点阵行向量

col:outstd_logic_vector(7downto0)-点阵列向量

Vb

end;

architecturebofdianzhenis

signalcount:integerrange0to6;

signalrowt:std_logic_vector(7downto0);

signalcolt:std_logic_vector(7downto0);

begin

pl:process(clk_in)

begin

if(clkjn'eventandclk_in=T)then

ifcount=6then

count<=0;

else

count<=count+l;一用count来记数

endif;

endif;

endprocesspl;

p2:process(count,yin)

begin

if(yin="0000001")then

casecountis--点阵显示，表示“1”音符

when0=>rowt<=Ulinil0”;coltv=5111110”；

when1=>rowt<="11111101,,;colt<=,,01111110";

when2=>rowt<=Ulin0"';colt<=”01111100”；

when3=>rowt<=,,11110111";colt<=,,01111000";

when4=>rowt<=,,11101111";colt<="01110000";

when5=>rowt<=,,11011111,,;colt<="01100000";

when6=>rowt<=,,10111111";colt<="01000000";

whenothers=>rowt<="llllllll";colt<="00000000";

endcase;

elsif(yin="0000010")then

casecountis--点阵显示，表示“2”音符

when0=>rowt<=,,11111110";colt<="01111101";

when1=>rowt<二”llini01”;colt<="01111100”；

when2=>rowt<=,,11111011,,;colt<="01111100";

when3=>rowt<=,,11110111,,;colt<="01111000";

when4=>rowt<=,,11101111,,;colt<="01110000";

when5=>rowt<=U10ni"';colt<=”01100000”；

when6=>rowt<="10111111";colt<=,,01000000";

whenothers=>rowt<="llllllll";colt<="00000000";

endcase;

elsif(yin="0000100")then

casecountis--点阵显示，表示“3”音符

when0=>rowt<=,,11111110";colt<="01111011";

when1=>rowt<="11111101";colt<="01111010";

when2=>rowt<=,,11111011";colt<=,,01111000";

when3=>rowt<="11110111";colt<="01111000";

when4=>rowt<=,,11101111,,;colt<="01110000";

when5=>rowt<=,,11011111";colt<="01100000";

when6=>rowt<="10111111";colt<="01000000";

whenothers=>rowt<="llllllll";colt<="00000000";

endcase;

elsif(yin="0001000")then

casecountis--点阵显示，表示“4”音符

when0=>rowt<=Ullini0";colt<="01110in”；

when1=>rowt<=,,11111101";colt<="01110110";

when2=>rowt<=,,11111011";colt<=,,01110100";

when3=>rowt<=”11110111”;colt<="01110000”；

when4=>rowt<="11101111";colt<="01110000";

when5=>rowt<=,,11011111";colt<="01100000";

when6=>rowt<="10111111";colt<="01000000";

whenothers=>rowt<="llllllll";colt<="00000000";

endcase;

elsif(yin="0010000")then

casecountis--点阵显示，表示“5”音符

when0=>rowt<=Ullini0";colt<="01101in”；

when1=>rowt<=,,11111101";colt<="01101110";

when2=>rowt<="11111011,,;colt<="01101100";

when3=>rowt<=,,11110111,,;colt<="01101000";

when4=>rowt<=,,11101111,,;colt<="01100000";

when5=>rowt<=”110111ll”;colt<=”01100000”；

when6=>rowt<="10111111";colt<=,,01000000";

whenothers=>rowt<="llllllll";colt<="00000000";

endcase;

elsif(yin="0100000")then

casecountis--点阵显示，表示“6”音符

when0=>rowt<=,,11111110";colt<="01011111";

when1=>rowt<=,,11111101,,;colt<="01011110";

when2=>rowt<=,,11111011";colt<=,,01011100";

when3=>rowt<=U11101ir；colt<="01011000”；

when4=>rowt<="11101111,,;colt<="01010000";

when5=>rowt<=,,11011111";colt<="01000000";

when6=>rowt<=”101111ir；colt<="01000000”；

whenothers=>rowt<="llllllll";colt<="00000000";

endcase;

elsif(yin="1000000")then

casecountis--点阵显示，表示"7"音符

when0=>rowt<=Ullini0";colt<="00111111”；

when1=>rowt<=,,11111101";colt<="00111110";

when2=>rowt<="11111011,,;colt<="00111100";

when3=>rowt<=,,11110111,,;colt<="00111000";

when4=>rowt<=,,11101111";colt<=,>00110000";

when5=>rowt<="11011111,,;colt<="00100000";

when6=>rowt<="10111111";colt<=,,00000000";

whenothers=>rowt<="llllllll";colt<="00000000";

endcase;

else

casecountis--点阵显示，表示不输入音符

when0=>

when1=>rowt<=,,11111101";colt<=,,01111110";

when2=>rowt<="11111011";colt<="01111100";

when3=>rowt<="11110111";colt<="01111000";

when4=>rowt<="11101111";colt<="01110000";

when5=>^1<="11011111"；6011<="01100000";

when6=>rowt<=,,10111111,,;colt<=,,01000000";

whenothers=>rowt<="llllllll";colt<="00000000";

endcase;

endif;

endprocessp2;

row<=rowt;

col<=colt;

endb;

4.选择音符及自动播放源程序

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

entityautois

port(clk_in:instd_logic;-输入时钟

auto:instdjogic;-自动播放

autol:instd_logic;-试音播放

clear:instd_logic;-复位

yin_in:instd_logic_vector(6downto0);-输入音符

yin_out:outstd_logic_vector(6downto0));-输出音符

endauto;

architectureaofautois

signalcount:integerrange0to35;

signaln:integerrange0to6;

signalyin:std_logic_vector(6downto0);

begin

pl:process(clk_in,clear)

variablei:integerrange0to63000000;

begin

ifclear-1'then

count<=0;

elsif(clkjn'eventandclkjn=’1')then

if(i=20000000)then

i:=0;

ifcount=15then

count<=0;-自动播放count记数

else

count<=count+l;

endif;

ifn=6then

n<=0;-试音播放n记数

else

n<=n+l;

endif;

else

i:=i+l;

endif;

endif;

endprocesspl;

p2:process(count,auto,yin_in,clear)

begin

ifclear='l'then

yin<="0000000";-音符清零

else

ifauto='l'then-自动播放歌曲

casecountis

when1=>yin<="0000100";-3

when2=>yin<="1000000";-7

when3=>yin<="0000100";-3

when4=>yin<="0100000";-6

when5=>yin<="0010000";-5

when6=>yin<="0100000";-6

when7=>yin<="0000001";-1

when8=>yin<="0000100";-3

when9=>yin<="0010000";-5

when10=>yin<="0000100";-3

when11=>yin<="0000100";-3

when12=>yin<="0001000";-4

when13=>yin<="0000100";-2

when14=>yin<="0001000";-4

whenothers=>yin<="0000000";

endcase;

elsifautol='l'then

casenis-试音播放

when0=>yin<="0000001";-1

when1=>yin<="0000010";-2

when2=>yin<="0000100";-3

when3=>yin<="0001000";-4

when4=>yin<="0010000";-5

when5=>yin<="0100000";-6

when6=>yin<="1000000";

whenothers=>yin<="0000000";

endcase;

else

yin<=yin_in;―动手演奏

endif;

endif;

endprocessp2;

yin_out<=yin;

enda;

5.预置分频系数模块源代码

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

entityseletoneis

port(highlow:instd_logic_vector(ldownto0);-高低音

yin:instd_logic_vector(6downto0);-要演奏的音符

tone:outintegerrange0to2000000);-预置分频系数

endseletone;

architectureaofseletoneis

signaltoneO:integerrange0to2000000;

begin

process(highlow,yin)

begin

ifhighlow="00"then

caseyinis--中音剖J分

when"0000001"=>tone0<=523;

when"0000010"=>tone0<=587;

when"0000100"=>tone0<=659;

when"0001000"=>tone0<=698;

when"0010000"=>tone0<=784;

when"0100000"=>tone0<=880;

when"1000000"=>tone0<=988;

whenothers=>tone0<=2000000;

endcase;

elsifhighlow="10"then-高音部分

caseyinis

when"0000001"=>tone0<=1045;

when"0000010"=>tone0<=1174;

when"0000100"=>tone0<=1318;

when"0001000"=>tone0<=1396;

when"0010000"=>tone0<=1568;

when"0100000"=>tone0<=1760;

when"1000000"=>tone0<=1975;

whenothers=>tone0<=2000000;

endcase;

elsifhighlow="01"then-低音部分

caseyinis

when"0000001"=>tone0<=261;

when"0000010"=>tone0<=293;

when"0000100"=>tone0<=329;

when"0001000"=>tone0<=349;

when"0010000"=>tone0<=392;

when"0100000"=>tone0<=440;

when"1000000"=>tone0<=494;

whenothers=>tone0<=2000000;

endcase;

endif;

endprocess;

tone<=tone0;

enda;

6.分频发音模块源代码

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

entitydivis

port(clk_in:instd_logic;-输入时钟

tone:inintegerrange0to2000000;-预置频率

clk_out:outstd_logic);-输出时钟

enddiv;

architectureaofdivis

signalclk_tmp0:std_logic;

signalclk_tmpl:std_logic;

begin

pO:process(clk_in,tone)

variableent:integerrange0to49999999;

begin

if(clkjn'eventandclk_in='l')then

ifent<12999999/tonethen--分频系数

cnt:=cnt+l;

clk_tmpO<='l';

else

cnt:=0;

clk_tmp0<='0';

endif;

endif;

endprocesspO;

pl:process(clk_tmpO)

variablecount:std_logic;

begin

if(clk_tmpO'eventandclk_tmpO='l')then

count:=notcount;

ifcount='l'then

clk_tmpl<='l';-输出平稳的波形

else

clk_tmpl<='0';

endif;

endif;

endprocesspl;

clk_out<=clk_tmpl;

enda;

7.电子琴顶层设计

libraryieee;

useieee.std_logic_1164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all;

entitydianzqis

port(clkinstdjogic;一时钟输入

yin:instd_logic_vector(6downto0);-音符输入

highlow:instd_logic_vector(ldownto0);-高低音输入

auto_in:instdjogic;-自动播放

autolinstdjogic;-试音播放

clear:instd_logic;-复位

clk_out:outstdjogic;-输出时钟

rowoutstd_logic_vector(7downto0);--点阵显示

col:outstd_logic_vector(7downto0);一点阵显示

duan:outstd_logic_vector(7downto0);-数码管显示

cat:outstd_logic_vector(5downto0));-数码管显示

architectureaofdianzqis

componentdivOis-分频模块

port(clk_in:instdjogic;

clk_tmp:outstdjogic);

endcomponent;

componentdianzhenis-点阵显示模块

port(clk_in:instdjogic;

yin:instd_logic_vector(6downto0);

row:outstd_logic_vector(7downto0);

col:outstd_logic_vector(7downto0)

endcomponent;

componentshumais-数码管显示模块

port(clk_in:instd_logic;

yin:instd_logic_vector(6downto0);

highlow:instd_logic_vector(ldownto0);

auto:instdjogic;

autolinstd_logic;

duan:outstd_logic_vector(7downto0);

cat:outstd_logic_vector(5downto0)

if

endcomponent;

componentautois-自动播放模块

port(clk_in:instdjogic;

autoinstd_logic;

autol:instd_logic;

yinjn:instd_logic_vector(6downto0);

clear:instdjogic;

yin_out:outstd_logic_vector(6downto0));

endcomponent;

componentseletoneis-预置分频系数模块

port(highlow:instd_logic_vector(ldownto0);

yin:instd_logic_vector(6downto0);

tone:outintegerrange0to2000000);

endcomponent;

componentdivis-分频发音模块

port(clk_in:instd_logic;

tone:inintegerrange0to2000000;

clk_out:outstdjogic);

endcomponent;

signalyin_tmp:std_logic_vector(6downto0);

signaltone_tmp:integerrange0to2000000;

signalclk_tmp:stdjogic;

begin

ul:autoportmap

(clk_in=>clk,auto=>auto_in,yin_in=>yin,yin_out=>yin_tmp,clear=>clear,autol=>autol);

u2:seletoneportmap(highlow=>highlow,yin=>yin_tmp,tone=>tone_tmp);

u3:shumaportmap

(duan=>duan,cat=>cat,yin=>yin_tmp,clk_in=>clk_tmp,highlow=>highlow,auto=>auto_in,aut

ol=>autol);

u4:dianzhenportmap(row=>row,col=>col,yin=>yin_tmp,clk_in=>clk_tmp);

u5:divportmap(clk_in=>clk,tone=>tone_tmp,clk_out=>clk_out);

u6:divOportmap(clk_in=>clk,clk_tmp=>clk_tmp);

enda;

五、功能说明

初始状态，8X8点阵显示“1234567”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，

用BTN1〜BTN7七个按键模拟电子琴手动演奏时的“1234567”七个音符。

当某个按键按下时，数码管显示相应的音符，点阵上与之对应的音符显示列全灭，同时

蜂鸣器演奏相应的声音；当按键弹开时数码管显示的音符灭掉，点阵显示恢复，蜂鸣器停止

声音的输出。

由拨码开关切换选择高、中、低音，并用数码管进行相应的显示

可通过一个拨码开关进行手动/自动演奏的切换，并与点阵显示配合增加自动演奏乐曲

的功能。

六、元器件清单及资源利用情况

1.元器件清单

基本功能：Altra公司Maxll系列EPM71270T144C5开发板一块及电源线、下载线各

一根。开发板内元器件利用情况如下：

元器件数量

8X8点阵显示屏1

拨码开关4

按键8

数码管2

蜂鸣器1

2.管脚设置

NodeNameDirectionLocationI/OBankVREFGroupI/OStandard

1•autolInput