基于FPGA的音乐硬件演奏电路设计

信息工程学院

2014 / 2015学年第二学期

课程设计报告

题目：基于FPGA的音乐硬件演奏电路设计

课程名称FPGA系统开发

班级学号23/15/16

学生姓名

指导教师

2015年7月3日

课程设计报告任务书

课程设计报告成绩

摘要

数据采集系统是信号与信息处理系统中不可缺少的重要组成部分，同时也是软件无线电系统中的核心模块，在现代雷达系统以及无线基站系统中的应用越来越广泛。其中FPGA作为本系统的控制核心和传输桥梁，发挥了极其重要的作用。通过FPGA不仅完成了系统中全部数字电路部分的设计，并且使系统具有了较高的可适应性、可扩展性和可调试性。FPGA是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其具有高集成度、高速、可编程等优点，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，缩短了单片数字系统的设计周期、提高了设计的灵活性和可靠性，在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。本文对FPGA的数据采集与处理技术进行研究，基于FPGA在数据采样控制和信号处理方面的高性能和单片系统发展的新热点，把FPGA作为整个数据采集与处理系统的控制核心。

关键词：FPGA，采集和控制，单片机，电路板，VHDL

目录

第一章绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2EDA简介 (1)

1.3FPGA简介 (1)

1.4 VHDL语言简介 (2)

1.5 Quartus II简介 (3)

1.6 数据采集技术简介 (4)

第二章总体设计 (5)

2.1 硬件设计 (5)

2.1.1 线性电源模块 (5)

2.1.2 数据采集模块 (5)

2.1.3 数据输出模块 (8)

2.1.4 按键控制模块 (11)

2.2 软件设计 (12)

2.2.1 ADCINT设计 (12)

2.2.2 CNT10B设计 (12)

2.2.3 RAM8设计 (13)

2.2.4时钟控制设计 (13)

2.2.5系统顶层设计 (14)

第三章系统软硬件调试 (15)

结论 (17)

致谢 (18)

参考文献 (19)

附录 (20)

第一章绪论

1.1引言

随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。随着技术的发展，各种各样基于数字化的产品不断推陈出新，给我们的生活带来了极大的好处。数字化之所以能如此得到广泛拓展开来，其主要在于以下两个优点：1、数字处理灵活、方便。在软件无线电领域，正在构建～个较通用的平台，通过软件来实现现在许多“僵化”硬件平台的功能。这正是基于数字化带来的灵活性。2、数字系统稳定可靠。在早期，较之模拟系统，数字系统的最优点就在于有良好的稳定性。

1.2EDA简介

EDA是电子设计自动化（ElectrONic Design AUTOMATION）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL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，极大地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。

1.3FPGA简介

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作

为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有

1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

1.4VHDL语言简介

VHDL 的英文全名是VHSIC Hardware Description Language(VHSIC硬件描