具有自动乐曲演奏功能的电子琴设计说明

具有自动乐曲演奏功能的电子琴设计

先给出设计结果视频: 具有自动乐曲演奏功能的电子琴-视频实录

本文为本人于2012年下学期做的EDA数字系统设计，文章详细介绍了“具有自动乐曲演奏功能的电子琴”的FPGA设计原理与方法，使用了ROM存储音符和节拍，矩阵键盘控制整个系统。

一、选题目的

电子设计自动化，简称EDA（Electronic Design Automation），发展迅速，应用围日益扩大。它以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。

本文应用VHDL硬件描述语言，以QuartusⅡ8.0为开发工具设计了一个具有自动演奏乐曲功能的电子琴系统，它能将预先存储在ROM中的多首乐曲自动播放出来，并同时显示音符，此外，还具有电子琴弹奏的功能。选题新颖、实用，趣味性、综合性较强。

二、设计目标

1. 采用44矩阵键盘作为：电子琴按键，高、中、低音选择键，自动播放和电子琴弹奏功能选择键，乐曲选择键。

2. 使用ROM存储乐曲，达到只要在其中存储乐曲音符节拍的信息即可自动播放的目的，对乐曲的编码要简单易用。

3. 可自动播放《世上只有妈妈好》、《长亭送别》、《十年》三首歌曲，带选歌和自动循环播放的功能。

4. 实时显示正在播放的音符。

5. 设计要具有模块化，层次化的特点。

6. 波形仿真时采用时序仿真，以更加贴近实际，使系统的实际效果达到最佳。

三、实现方案

1. 原理框图

具有自动乐曲演奏功能的电子琴系统的原理结构框图如下：

图1 硬件系统结构框图

图2 软件系统结构框图

图3 乐曲自动播放模块结构框图

图4 乐曲弹奏模块结构框图

2. 设计流程图

具有自动乐曲演奏功能的电子琴系统的VHDL程序设计流程图如下图5：

图5 程序设计流程图

四、设计过程

1. 音乐基础知识

简谱应该说是一种比较简单易学的音乐记谱法。它的最大好处是仅用7个阿拉伯数字----1234567，就能将万千变化的音乐曲子记录并表示出来，并能使人很快记住而终身不忘；同时涉及其他的音乐元素也基本可以正确显示。简谱虽然不是出现在中国，但是好像只有在中国得到非常广泛的传播。

乐音的特性：它由四个方面组成：音高、音值、音量、音色。

音高：由物体在一定的时间震动的次数决定，震动次数多，因则高，反之，则低。

音值：即音的长短，是由音的延续时间的不同而决定的，音的延续时间长，音则长，反之，则短。

音量：即音的强与弱，由震幅的大小决定，震幅大，音则强，反之，则弱。

音色：有发音体的性质决定，发音体的形状及泛音的多少决定音色的不同，例如，小提琴、钢琴等各种乐器的音色都是不同的，在合奏时，人们可清楚地辨认。

乐音体系：在音乐使用中有固定音高的音的总和叫乐音体系。

音级：乐音体系中的各音叫音级，音级有基本音级与变化音级两种。

基本音级：在音乐中经常使用的七个具有独立名称的音叫基本音级。基本音级的名称

用字母或唱名两种方式来标记。

音名：用C、D、E、F、G、A、B来标记基本音级的叫音名，它表示一定的音高，简谱中用1,2,3,4,5,6,7来标记。

唱名：用do、re、mi、fa、sol、la、si作为音级名称的叫唱名。

音符：用以记录音的长短高低的符号叫音符（以符头在谱表上的位置来表示音的高低，以形状表示音的长短，音符有符头、符干、符尾三部分或其中某些部分组成，而在简谱中以1 2 3 4 5 6 7或其上下加点来表示不同音高，以短下划线(_)或横(—)来表示音的长短）。

下面重点介绍组成音乐的两个最基本的要素：每个音符发音的频率及其持续的时间。

1.1 音符和频率的关系

乐曲的十二平均律规定：每2 个八度音（如简谱中的中音1与高音1）之间的频率相差一倍。在2个八度音之间，又可分为12个半音，每2个半音的频率比为。另外，简谱中的低音6的频率为440Hz，音符7到1之间、3到4之间为半音，其余为全音。由此可计算出简谱中从低音1至高音7之间每个音符的频率，如下表1所示：

表1 简谱中音符与频率的关系

1.2

表示音乐的长短需要有一个相对固定的时间概念。简谱里将音符分为全音符、二分音符、四分音符、十六分音符、三十二分音符等，如下表2。在这几个音符里面最重要的是四分音符，它是一个基本参照度量长度，即四分音符为一拍。这里一拍的概念是一个相对时间度量单位。一拍的长度没有限制，可以是1秒也可以是2秒或半秒。假如一拍是一秒的长度，那么二拍就是两秒；一拍定为半秒的话，两拍就是一秒的长度。一旦这个基础的一拍定下来，那么比一拍长或短的符号就相对容易了。正如五线谱的附点一样，数字后方加一点会将音符长度增加一半。

表2 简谱中音符长度

半拍

四分之一拍

三十二分音符八分之一拍

2. VHDL程序设计

2.1 顶层文件

采用原理图输入法设计，其原理图如下：

图6 music_player原理图

各模块的设计如下。

2.2 音符的编码及音乐的存储

2.2.1 音符的编码

休止符的编码为：0；音符长度的编码见表2。音名的编码如下表3所示：

表3音名的编码

2.2.2 音乐的存储

以十进制将音乐分别存储于note_rom和tick_rom两个模块中，前者为音符，后者为音符的长度，下面给出《世上只有妈妈好》的存储过程。在Quartus II 主窗体中选择Tools—MegaWizard Pluge-In Manager…，弹出如下对话框，单击Next继续。