基于FPGA的电子琴设计

基于FPGA的电子琴的设计

基于FPGA的电子琴的设计

指导老师：王 彦 韦惠明 王 亮 田世颖

摘 要：文中介绍了基于FPGA的电子琴的整个设计和仿真实现过程。该设计以可编程逻

辑器件FPGA为核心控制部件,并基于超高速硬件描述语言VHDL在Xilinx公司的SpartanⅡ系列的XC2S2005PQ-208芯片上编程实现；成功地完成了设计的基本要求和发挥部分的要求，使系统除可实现电子琴基本功能外，还可实现模拟电子琴自动演奏乐曲的功能。

关键词：VHDL;PLD;电子琴；自动循环演奏

Design of the electronic organ based on FPGA

Tutor :Wang Yan

Wei Hui_ming Wang Liang Tian Shi_ying

Abstract : It will introduce the integrated design and the course of

simulator achiever of the electronic organ based on FPGA。The programmable logic device of FPGA is the core controller unit of the design 。The design will be achieved in the 2sc200PQ208-5 chip of Xilinx corporation by programming with the VHDL(Very High-speed Description Language),and successfully completed the design's basic requests and the expand part of requests。It makes the system realized that it can send out the different tone by pressing any one key。 It also can realize that it performances automatically and circularly imitating the electronic organ。

Key words ：VHDL; PLD; electronic organ; To performance automatically and circularly

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基于FPGA的电子琴的设计

目 录

0.引 言 ???????????????????????????3 1. 系统设计

1.1设计要求 ???????????????????????????3 1.2 方案比较 ???????????????????????????3 1.3方案论证 ????????????????????????????3 1.3.1总体思路 ???????????????????????????3 1.3.2设计方案 ???????????????????????????3

2. 单元电路设计

2.1顶层模块 ????????????????????????????4 2.2输入转换模块 ??????????????????????????4 2.3音阶发生器模 ?????????????????????????4 2.4数控分频器模块 ?????????????????????????5

3. 软件设计

3.1VHDL硬件描述语言简介 ?????????????????????5 3.2 程序流程 ???????????????????????????5 3.3程序清单及仿真 ?????????????????????????6

4. 系统测试 ??????????????????????????6 5. 结束语 ???????????????????????????6 参考文献 ????????????????????????????6 附 录 ??????????????????????????????6

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基于FPGA的电子琴的设计

0．引言

电子琴之所以受到群众们喜爱,是因为它能模拟各种乐器的音色,如笛、号、琴、颤音、和旋音等以及打击乐板音、鼓乐、沙锤等。本设计介绍一种除有普通电子琴功能外,还有不需要按琴键就能模拟电子琴自动演奏乐曲的电子琴音乐的产生和演奏电路。若与音响放大器相结合,则乐曲的音响效果会更好。 20世纪80年代中期，出现的现场可编程门阵列(FPGA)具有体系结构、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点，可实现大规模和超大规模的集成电路，而且编程灵活。采用FPGA设计电路，可提高开发效率，缩短研发周期，降低研发成本，且易于进行功能扩展。本设计采用FPGA设计电子琴，使得系统实现方法灵活，且调试方便。

1 系统设计

1．1 设计要求

（1）基本要求：设计一电子琴，由键盘任意键输入控制其发出不同的音调。

（2）发挥部分：系统按预置程序进行乐曲的自动循环演奏，且可在按键输入/自动演奏

间任意切换。

1．2 方案比较

方案一：采用单片机设计电子琴，成本低，但由于其外围电路较多，抗干扰性差，不易调试。 方案二：采用可编程逻辑控制器PLC体积小，可靠性高，但成本较高。

方案三：采用可编程逻辑器件PLD,其体积小，成本低，稳定性好，易调试。

分析以上三种方案的优缺点，显然第三种方案具有更大的优越性、灵活性，所以采用第三种方案进行设计。 1．3 方案论证 1．3．1 总体思路

乐曲演奏电路的原理：组成乐曲的每个音符的频率值（音调）及其持续的时间（音长）是乐曲能连续演奏所需的两个基本数据，因此只要控制输出到扬声器的激励信号的频率的高低和每个频率信号持续的时间，就可以使扬声器发出连续的乐曲声。由于时间和水平的限制，本系统仅通过控制音调来实现电子琴的功能。 1．3．2 设计方案

所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频而得来的。由于音阶频率都为非整数，而分频系数由不能为小数，故必须将计算得到的分频数四舍五入取整。若基准频率过低，则由于分频比太小，四舍五入取整后的误差较大。若基准频率过高，虽然误差变小，但分频数将变大。实际的设计应综合考虑两方面的因素，在尽量减小频率误差的前提下取合适的基准频率。本系统选取32MHz为基准频率。

频率的高低决定了音调的高低，系统可分四个模块：顶层映射模块，输入转换模块，音阶发生器模块和数控分频器模块，来完成对音调的控制，发出1、2、3、4、5、6、7、1八个音调。

基本原理：通过输入转换模块实现键盘输入/自动循环演奏间的切换。若切换到键盘输入电路，则通过键盘输入得到对应的分频比，经数控分频器分频后得到不同的频率，带动扬声器发声。为达到发挥部分的要求，设计了自动循环演奏电路。其与键盘输入相比，增加了输入转换模块，由分频器、计数器、存储器组成（详见第二章），该模块最终循环输出八位二进制数，后经音阶发生器模块和数控分频器模块驱动扬声器工作。电路原理框图如图1.3.1 。

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