电子琴设计

课程名称：FPGA技术及应用实训

设计题目：电子琴设计

学院：电子信息工程学院

学生姓名：陶龙，周伟，陈佳丽，杨宇辰，王博班级：214341

指导教师：金长江

2016年12月19日星期一

课程设计任务书

1. 设计背景

1.1 目的和意义

电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。它在现代音乐扮演着重要的角色，FPGA具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。本文的主要内容是用FPGA为核心控制元件，设计一个电子琴。以FPGA作为主控核心，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有16个按键和扬声器。

本文主要对使用FPGA设计简易电子琴进行了分析，并介绍了基于FPGA电子琴统硬件组成。利用FPGA产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。并且本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。本系统是简易电子琴的设计，扬声器播放器对应的音符。通过设计本系统可了解FPGA 的基本功能。对FPGA的了解有一个小的飞跃。

2. 设计方案

2.1 控制模块选择方案

方案一：用可控硅制作电子琴。将220V交流电经变压器降压，再经过整流、滤波，获得+13.5V直流电压。将单向可控硅SCR和电阻、电容组成驰张振荡器电路。但该设计方案制作成本高且复杂。

方案二：采用AT89C51FPGA进行控制，由于AT89C51不具备ISP功能，

因此Atmel公司已经停产在市面上已经不常见，况且其ROM只有4K在系统将来升级方面没有潜力。

方案三：采用FPGA进行控制，由于其性价比高，完全满足了本作品智能化的要求，它的内部程序存储空间达到8K，使软件设计有足够的内部使用空间并且方便日后系统升级，使用方便，抗干扰性能提高。

选择方案：鉴于上述对比与分析，本设计采用方案三

3. 系统硬件设计及说明

3.1系统组成及总体框图

硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所

要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。

该设计要实现一种由FPGA控制的电子琴，FPGA工作于12MHZ时钟频率，使用其定时/计数器T0，工作模式为1，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号。该设计具有11个音节的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。用FPGA产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。

本例使用s9013三极管来实现音频功放电路。

图3-1系统结构图

3.2 元件简介

3.2.1 CYCLONE2

随着低复杂度FPGA器件成本的不断下降，具有灵活性和及时面市优势的FPGA与ASIC相比更有竞争性，在数字消费市场上的应用也急剧增加。第一代Cyclone系列迄今发售了3百多万片，在全球拥有3,000多位客户，对大批量低成本数字消费市场有着巨大的影响，该市场消纳了三分之一的器件。根据Gartner Dataquest调查，在2004年光消费电子市场对FPGA需求就将达到3亿9千万美元，预计到2008年，将增加到11亿6千万美元，年复合增长率(CAGR)为31.9%。同时，CycloneII器件系列也在电信、计算机外设、工业和汽车市场上获得了巨大的进步。CycloneII器件包含了许多新的特性，

如嵌入存储器、嵌入乘法器、PLL和低成本的封装，这些都为诸如视频显示、数字电视(DTV)、机顶盒(STB)、DVD播放器、DSL调制解调器、家用网关和中低端路由器等批量应用进行了优化。产品简介编辑Altera公司2004年推出了新款Cyclone II系列FPGA 器件。Cyclone II FPGA的成本比第一代Cyclone器件低30%，逻辑容量大了三倍多，可满足低成本大批量应用需求Altera最近推出的NiosII系列软核处理器支持CycloneIIFPGA系列。NiosII系列软核处理器占用的逻辑仅需0.35美元，可以设计到CycloneII器件中。在CycloneIIFPGA中实现NiosII的设计除了大幅度降低实现成本之外，还具有100DMIP的性能，大约比Cyclone器件和Nios处理器提升了100%。设计者使用NiosII处理器，能够在任何一个CycloneII器件上构建完整的可编程系统芯片(SOPC)，是中低规模ASIC的新的替代方案。主要特性编辑Cyclone II器件采用TSMC90nm低K绝缘材料工艺技术，这种技术结合Altera低成本的设计方式，使之能够在更低的成本下制造出更大容量的器件。这种新的器件比第一代Cyclone产品具有两倍多的I/O引脚，且对可编程逻辑，存储块和其它特性进行了最优的组合，具有许多新的增强特性。Altera为配置Cyclone II FPGA提供了低成本的串行配置器件。这些串行配置器件定价为批量应用，成本是相应Cyclone II FPGA的10%。四个串行配置器件(1Mbit，4Mbit，16Mbit和64Mbit)提供了节省空间的8脚和16脚SOIC封装。器件中任何不用于配置的存储器可用于一般存储，进一步增强其价值。Altera也为Cylcone II器件客户提供了40多个可定制IP核，Altera和Altera Megafunction伙伴计划(AMPPSM)合作者提供的不同的IP核是专为Cyclone II架构优化的，包括：Nios II嵌入式处理器；DDR SDRAM控制器；FFT/IFFT；PCI编译器；FIR编译器；NCO编译器；POS-PHY 编译器；Reed Solomon编译器；Viterbi编译器等等。当客户完全满意IP功能，再购买完全的许可。

3.2.2 S9013三极管

型号对比编辑

s9014,s9013，s9015，s9012，s9018系列的晶体小功率三极管，把显示文字平面朝自己，从左向右依次为e发射极b基极c集电极；对于中小功率塑料三极管按图使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为e b c，s8050，8550，C2078 也是和这个一样的。用下面这个引脚图(管脚图)表示：当前，国内各种晶体三极管有很多种，管脚的排列也不相同，在使用中不确定管脚排列的三极管，必须进行测量确定各管脚正确的位置（下面有用万用表测量三极管的三个极的方法），或查找晶体管使用手册，明确三极管的特性及相应的技术参数和资料。

非9014,9013系列三极管管脚识别方法：