北邮数电实验电子琴.doc
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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 3
三、 仿真波形及波形分析 11
四、 源程序 12
五、 功能说明 41
六、 元器件清单及资源利用情况 41
七、 故障及问题分析 43
八、 总结和结论 44
一、设计课题的任务要求
基本要求：
1、用8×8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。
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，蜂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。
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BTN0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
数码管显示
8*8点阵显示
蜂鸣器输出
音符输入
高低音，自动手动
图3 简易电子琴总体结构框图
是否自动播放
查找对应的频率值
结束
开始
输入按键
点阵显示
蜂鸣器输出
数码管显示
选择高低音
是
否
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div0
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=2499。
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:
outstd_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:
outstd_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auto。
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BTN1~BTN7输入的向量当做音符输出yin:
outstd_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（6downto0），以及拨码开关的高低音highlow:
instd_logic_vector（1downto0）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）;。
（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:
outintegerrange0to2000000）。
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
波形分析：
不同的yin，和highlow组合，数码管显示不同的字符。
duan[0]~duan[7]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
波形分析：
不同的yin输入，点阵的col和row会有不同的波形，利用clk_in的上升沿来动态扫描点阵。
从而得显示出指定的图形。
3.自动播放模块仿真波形
波形分析：
当auto置1，clear置0，yin_out输出储存在程序里面的曲子音符，这时候相当于自动播放。
当auto置0，clear置0，yin_out输出从BTN1~BTN7读取的手动输入的信号，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;
entitydiv0is
port（clk_in:
instd_logic; --输入时钟
clk_tmp:
outstd_logic）; --输出时钟
end;
architecturebofdiv0is
signalclk:
std_logic;
begin
p0:
process（clk_in）
variablecnt:
integerrange0to2499;
begin
if（clk_in'eventandclk_in='1'）then
ifcnt=2499then --分频系数为2499
cnt:
=0;
clk<=notclk;
else
cnt:
=cnt+1; --每个输入时钟上升沿到来时cnt加1
endif;
endif;
endprocessp0;
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
highlow:
instd_logic_vector（1downto0）; --输入高低音
auto:
instd_logic; --自动播放
auto1:
instd_logic; --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
p1:
process（clk_in,yin,highlow,auto,auto1）
begin
ifauto='1'then
catt<="111101";duant<="00111111";--显示“8”表示自动播放
elsifauto1='1'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";--显示“1”
when"0000010"=>catt<="111110";duant<="01011011";--显示“2”
when"0000100"=>catt<="111110";duant<="01001111";--显示“3”
when"0001000"=>catt<="111110";duant<="01100110";--显示“4” when"0010000"=>catt<="111110";duant<="01101101";--显示“5” when"0100000"=>catt<="111110";duant<="01111101";--显示“6” when"1000000"=>catt<="111110";duant<="00000111";--显示“7” whenothers=>catt<="111111";duant<="00000000";
endcase;
elsif（clk_in='1'）then
casehighlowis
when"10"=>catt<="111101";duant<="01110100";--显示“L”
when"01"=>catt<="111101";duant<="00111000";--显示“H”
whenothers=>catt<="111111";duant<="00000000";
endcase;
endif;
endif;
endprocessp1;
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; --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
）;
end;
architecturebofdianzhenis
signalcount:
integerrange0to6;
signalrowt:
std_logic_vector（7downto0）;
signalcolt:
std_logic_vector（7downto0）;
begin
p1:
process（clk_in）
begin
if（clk_in'eventandclk_in='1'）then
ifcount=6then
count<=0;
else
count<=count+1; --用count来记数
endif;
endif;
endprocessp1;
p2:
process（count,yin）
begin
if（yin="0000001"）then
casecountis --点阵显示，表示“1”音符
when0=>rowt<="11111110";colt<="01111110";
when1=>rowt<="11111101";colt<="01111110";
when2=>rowt<="11111011";colt<="01111100";
when3=>rowt<="11110111";colt<="01111000";
when4=>rowt<="11101111";colt<="01110000";
when5=>rowt<="11011111";colt<="01100000";
when6=>rowt<="10111111";colt<="01000000";
whenothers=>rowt<="11111111";colt<="00000000";
endcase;
elsif（yin="0000010"）then
casecountis --点阵显示，表示“2”音符
when0=>rowt<="11111110";colt<="01111101";
when1=>rowt<="11111101";colt<="01111100";
when2=>rowt<="11111011";colt<="01111100";
when3=>rowt<="11110111";colt<="01111000";
when4=>rowt<="11101111";colt<="01110000";
when5=>rowt<="11011111";colt<="01100000";
when6=>rowt<="10111111";colt<="01000000";
whenothers=>rowt<="11111111";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<="11111111";colt<="00000000";
endcase;
elsif（yin="0001000"）then
casecountis --点阵显示，表示“4”音符
when0=>rowt<="11111110";colt<="01110111";
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<="11111111";colt<="00000000";
endcase;
elsif（yin="0010000"）then
casecountis --点阵显示，表示“5”音符
when0=>rowt<="11111110";colt<="01101111";
when1=>rowt<="11111101";colt<="01101110";
when2=>rowt<="11111011";colt<="01101100";
when3=>rowt<="11110111";colt<="01101000";
when4=>rowt<="11101111";colt<="01100000";
when5=>rowt<="11011111";colt<="01100000";
when6=>rowt<="10111111";colt<="01000000";
whenothers=>rowt<="11111111";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<="11110111";colt<="01011000";
when4=>rowt<="11101111";colt<="01010000";
when5=>rowt<="11011111";colt<="01000000";
when6=>rowt<="10111111";colt<="01000000";
whenothers=>rowt<="11111111";colt<="00000000";
endcase;
elsif（yin="1000000"）then
casecountis --点阵显示，表示“7”音符
when0=>rowt<="11111110";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<="11111111";colt<="00000000";
endcase;
else
casecountis --点阵显示，表示不输入音符
when0=>rowt<="11111110";colt<="01111111";
when1=>rowt<="11111101";colt<="01111110";
when2=>rowt<="11111011";colt<="01111100";
when3=>rowt<="11110111";colt<="01111000";
when4=>rowt<="11101111";colt<="01110000";
when5=>rowt<="11011111";colt<="01100000";
when6=>rowt<="10111111";colt<="01000000";
whenothers=>rowt<="11111111";colt<="00000000";
endcase;
endif;
end
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