EDA应用技术 第2版 课件 01-简易电子琴设计方案课件

项目4简易电子琴设计方案本项目介绍基于FPGA最小系统板，用VHDL程序设计制作简易电子琴。通过简易电子琴控制器电路的VHDL程序设计，熟悉VHDL程序平行语句的使用，实现多进程间信号的通讯。教学目标项目4简易电子琴设计方案技能目标知识目标素质目标(1)能将实际的数字系统需求转化为数字电子系统硬件语言描述。(2)能采用VHDL程序设计分频电路。(3)能熟练使用ModelSim软件对设计电路进行功能仿真与时序仿真。(4)会创建与编辑功能仿真测试文件。(5)能用蜂鸣器、数码管、开关等元件设计数字系统的输入与输出。(1)掌握VHDL程序平行语句的特点。(2)熟悉简单信号赋值语句格式。(3)熟悉条件信号选择语句的格式。(4)熟悉多进程语句的格式。(5)掌握多进程语句间信号的传递

。(1)培养通过书籍、网络获得相关信息开展自主学习的能力。(2)培养具制订计划及执行计划的能力。(3)培养勤于动手、乐于实践的习惯。任务描述项目4简易电子琴设计方案简易电子琴功能要求：能够实现某一大调音乐的演奏功能，同时，在演奏时能够显示该大调每个音符的简谱值及区分相同简谱值的音高。设计要求：在QuartusPrime20.1软件平台上用VHDL程序设计简易电子琴控制器电路，用ModelSim-Altera2020.1仿真软件仿真检查设计结果；选用FPGA最小系统板、按钮开关、数码管、LED灯、蜂鸣器等硬件资源进行硬件验证。设计方案项目4简易电子琴设计方案

基于FPGA最小系统板的简易电子琴用2个按钮开关的组合控制大调的不同八度音输入；7个按钮开关控制同一八度音的7个音符输入；用3LED表示发出音符不同八度音，用数码管显示音符的简谱值，用蜂鸣器发声。简易电子琴工作过程：琴键信号通过输入电路输入基于FPGA设计的简易电子琴控制器；简易电子琴控制器将FPGA最小系统板的板载基频，根据输入信号不同，分频为不同音符的频率，通过输出端驱动蜂鸣器发声；同时，简易电子琴控制器输出驱动显示简谱数值的数码管信号和区分不同八度音的3LED电平。1.输入电路设计项目4简易电子琴设计方案（1）琴键信号输入电路设计：用按钮开关控制“1234567”7个琴键信号的输入，当按钮开关闭合时，向FPGA输入高电平，指示发光二极管发光；当按钮开关断开时，向FPGA输入低电平，指示二极管不发光。7个琴键信号输入电路的原理图如图4.1所示。图4.1琴键信号输入电路原理图1.输入电路设计项目4简易电子琴设计方案（2）控制不同八度音信号输入电路设计：用2个按钮开关的组合来控制3个不同音高的八度音，如图4.2所示。当c1、c2均不闭合时，发低八度音；当c1闭合、c2不闭合时，发原音；当c1不闭合、c2闭合时，发高八度音。图4.2控制不同八度音信号的输入电路原理图2.VHDL控制器设计项目4简易电子琴设计方案（1）相同大调不同八度音频率。钢琴上每个琴键对应一定的音名，每个音名对应一定的频率。本项目设计D大调具有3个八度音的简易电子琴。表4.2列出了D大调3个八度音的音名、频率及对应的简谱。项目4简易电子琴设计方案（2）各音符频率的产生

不同音符的频率可通过对基准频率分频产生。本设计输入基准频率为FPGA最小系统板载晶振产生的50MHz频率。考虑到预置数2进制计数器分频的位数关系，对50MHz基准频率先进行50分频，分频为1MHz的基频，然后用带预置数的12位2进制计数器分频，带预置数计数器分频所产生的是非等占空比脉冲信号，该非等占空比脉冲信号，不具有驱动蜂鸣器的能力，故需对此脉冲信号再次进行2分频，使输出频率成为等占空比的信号，以推动蜂鸣器发声。计算可控分频器的分频系数表达式，Tone=212-（50000000/50*2f），其中f值为音符的频率。项目4简易电子琴设计方案（2）各音符频率的产生根据各音符的频率及计算公式可计算出D大调3个八度各音符的分频系数，如表4.3所示。项目4简易电子琴设计方案（2）各音符频率的产生根据各音符的频率及计算公式可计算出D大调3个八度各音符的分频系数，如表4.3所示。项目4简易电子琴设计方案（2）各音符频率的产生根据各音符的频率及计算公式可计算出D大调3个八度各音符的分频系数，如表4.3所示。项目4简易电子琴设计方案（3）控制器的VHDL程序设计根据前面的分析，简易电子琴控制器的VHDL程序设计如下：进程1：用琴键输入电平，控制不同八度音，输入信号转换为对应琴键的分频系数、3LED电平、数码管驱动信号。进程2：将50MHZ的频率分频为1MHz频率。进程3：在进程1分频系数信号的控制下，通过可预置分频系数的计数器，将1MHz的频率分频为各音符脉冲信号。进程4：将进程3各音符脉冲信号2分频后输出驱动蜂鸣器。3.输出电路设计项目4简易电子琴设计方案（1）显示不同八度音发光二极管电路显示不同八度音的发光二极管输出电路原理图，如图4.3所示。图4.3显示不同八度音的发光二极管输出电路项目4简易电子琴设计方案（2）数码管显示驱动电路数码管显示驱动输出电路