数字系统设计大作业报告A6

数字系统设计大作业报告——基于FPGA的带指示功能的简易电子琴

学院电子与信息学院

专业

学生姓名

一、题目要求

（一）制作一个有16个琴键的简易电子琴。

（二）音符从低音fa到高音suo。

（三）由开关控制用LED指示演示一首歌曲的弹奏方法。如《一闪一闪亮晶晶》其简谱如下图所示：

（一）模块关系图

（二）底层模块介绍

1.键盘编码模块

输入：键盘信号。

输出：分频比，为受控分频模块提供的复位信号。

设计思路：该模块为纯组合逻辑，将键盘输入信号编码为受控分频模块的分频比和复位信号。在没有键按下或无法编码的按键情况时，输出有效的复位信号（高电平）；按下某个键时，输出相应的分频比，同时清除复位信号（低电平）。

2.受控分频模块

输入：分频比、系统时钟、复位信号。

输出：音频信号。

设计思路：该模块为受控分频器，用来输出相应的音频波。分频输出的频率受输入分频比的控制。分频器用计数器实现，计数器复位，用键盘编码模块产生的复位信号，溢出判断量是键盘编码模块输出的分频比。该模块输出为占空比50%的方波，以此来驱动功放或扬声器发声。

3.固定分频模块

输入：系统时钟、复位信号

输出：5Hz时钟信号。

设计思路：该模块为固定频率的分频器，用来输出约5Hz的信号，为LED驱动波形产生模块提供基准频率。分频器用计数器实现，计数器时钟和复位信号由外部提供，固定溢出量，产生占空比50%的方波以此为LED驱动波形产生模块提供基准频率。

4.LED驱动波形产生模块

输入：5Hz时钟信号、音乐指示开关信号。

输出：LED驱动信号。

功能：产生驱动乐曲指示灯的信号。

设计思路：该模块为一个进位计数器，最小计数变量在停止标记无效（高电平）的情况下在低频时钟上升沿计数，每计数5次进位一次。对应一个音符中4次LED流水和一次停顿。最小音符单元在最小计数变量进位时自增一次，该演示曲每句6个时值为1的音，一个时值为2的音，因此最小音符单元计数满8时进位一次。最小音符单元用来指示这是每句中的第几个音。句子变量在最小音符单元进位时自增一次，该演示曲共六句，计数满后所有变量恢复初始状态，停止标记变为有效（低电平），使演示只进行一遍。同时流水灯‚行‛驱动波形产生进程中在每句前6个时值为1的每个音符弹奏时间内产生较短的4次LED流水信号，在每句后1个时值为2的每个音符弹奏时间内产生较长的4次LED流水信号。流水灯‚列‛驱动波形产生进程中根据句子变量和最小音符单元的值，产生音符选择信号（流水灯‚列‛驱动信号）。

（三）模块连接图

1．键盘与发音部分

KBD为键盘编码模块

ccd为受控分频模块

2．弹奏指示部分

LC2为固定分频模块

LC1为LED驱动波形产生模块

3．顶层设计

TDisp为弹奏指示部分

tomp为键盘与发音部分

（四）关键代码

1.琴键编码器

……

if(KB(15)='0') then

rst_ag<='0'; ds_ag<=x"117A8";--_4----0

elsif(KB(14)='0') then

rst_ag<='0'; ds_ag<=x"0F920";--_5----1

elsif(KB(13)='0') then

rst_ag<='0'; ds_ag<=x"0DDF2";--_6----2

elsif(KB(12)='0') then

rst_ag<='0'; ds_ag<=x"0C5BA";--_7----3--低音

……

elsif(KB(0)='0') then

rst_ag<='0'; ds_ag<=x"03E48";--5.----15--高音

else

rst_ag<='1'; --------------------未按键

end if;

……

这部分代码采用if-elsif-else 语句，构成16路优先编码器，将按键情况编码为分频比。

2.受控分频器

……

elsif(rising_edge(clk)) then

if(cnt < ds_i) then--分频计数器计数

cnt <= cnt + x"00001";

else---------分频计数溢出

div_in <= not div_in;

cnt<=x"00001";

end if;

……

这部分代码用if 语句构成计数器，用来生成方波，由于计数器溢出值为变量，该变量受键盘编码器控制，因此产生的方波频率受到键盘控制，以便产生不同音调的琴声。

3.固定分频器

……

if(rst_i='0') then

cnt<=0;

div_in<='0';

elsif(rising_edge(clk)) then

if(cnt < 4999900) then--4个9

cnt <= cnt + 1;

else

div_in <= not div_in;

cnt<=0;

end if;

end if;

……

这部分代码是用if语句构成的计数器，计数溢出值固定，用以生成驱动LED 的基本低频时钟信号。

4.LED驱动器

……

if(rst_i='0') then--计数复位

micnt<=0;

minu<=1;

stns<=1;

stp<='1';

elsif(rising_edge(clk5) and stp='1') then

if(micnt /= 5) then--正常计数

micnt <= micnt + 1;

elsif(minu /= 8) then--最小计数变量溢出

micnt<=1;

minu <= minu + 1;--最小音符单元加‘1’

elsif(stns /= 6) then--最小音符单元溢出

micnt<=1;

minu<=1;

stns <= stns + 1;--句子加‘1’

else--所有句子完毕

stns<=1;

minu<=1;

micnt<=0;

stp<='0';--停止计数，只计数一次

end if;

end if;

……

这部分代码为三个计数器，micnt给minu进位，minu给stns进位，通过判断这三个计数器的计数值，程序将产生驱动LED所需的不同形状的波形。

（五）模块资源使用情况

设计有16个琴键输入口，10个LED控制输出口，一个复位端口，一个时钟输入口，一个播放控制口，一个音频输出口，共30个I/O口。采用ask2cd系列FPGA 开发板，板载芯片为EP2C8Q208C，该开发板资源丰富，本设计中，主要使用其并行接口、按键开关、拨码开关、蜂鸣器等资源，使用时将自制的键盘，LED指示等电路通过并行接口与开发板连接，即可满足硬件要求。