簡(jiǎn)易電子琴的vhdl仿真與實(shí)現(xiàn)

1、簡(jiǎn)易電子琴的 VHDL設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一 設(shè)計(jì)課題與任務(wù)要求:設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡(jiǎn)易電子琴演奏器。原理概述：根據(jù)聲樂知識(shí)，產(chǎn)生音樂的兩個(gè)因素是音樂頻率的持續(xù)時(shí)間，音樂的十二平均率規(guī)定，每?jī)蓚€(gè)八音度之間的頻率相差一倍，在兩個(gè)八音度之間，又可分為12個(gè)半音。每?jī)蓚€(gè)半音的頻率比為4。另外，音名 A （樂譜中的低音6）的頻率為440HZ音名B到C之間，E到F 之間為半音，其余為全音。由此可以計(jì)算出樂譜中從低音1到高音1之間每個(gè)音名的頻率如下表所示。表1簡(jiǎn)譜中的音名與頻率的關(guān)系音名頻率（Hz）音名頻率（Hz）音名頻率（Hz）低音1261.63中音1523.25咼音11046.50低音2293.67中音2587.33

2、咼音21174.66低音3329.63中音3659.25咼音31318.51低音4349.23中音4698.46咼音41396.92低音5391.99中音5783.99咼音51567.98低音6440中音6880咼音61760低音7493.88中音7987.76咼音71975.52基本要求：1、用8 X 8點(diǎn)陣顯示“ 1 2 3 4 5 6 7 ”七個(gè)音符構(gòu)成的電子琴鍵盤。其中點(diǎn)陣的第一列 用一個(gè)LED點(diǎn)亮表示音符“1”，第二列用二個(gè)LED點(diǎn)亮表示音符“2”，依此類推, 如下圖所示。OOOOOOOO00*9 oooo ooooo* oooooo44spkoutA Rt-I u圖3 頂層設(shè)計(jì)Ke

3、yplay模塊設(shè)計(jì)：將輸入 key6.O, mode編碼為 index_key4.O。index_key4.O的高兩位表示 高、中、低音，00表示低音，01表示中音、11表示高音。index_key4.0低三位 表示音調(diào)，001表示do， 010表示re,以此類推，000表示不發(fā)音。這樣可以實(shí)現(xiàn) 對(duì)不同按鍵模式下的編碼，而這些編碼會(huì)為后續(xù)模塊例如seg7, lattice所使用。1hdeK_keykeyplay ：nit j de圖4keyplay模塊設(shè)計(jì)autoplay模塊設(shè)計(jì)：把50MHz的輸入時(shí)鐘分頻為16Hz，作為節(jié)拍。將要自動(dòng)演奏的歌曲預(yù)先寫為 index_auto 的格式(inde

4、x_auto格式與index_key格式相同)。以16Hz的頻率將index_auto輸出。這里 需要用到計(jì)數(shù)器，此計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度由演奏的歌曲長(zhǎng)度而定。In.dei_autautoplay 圖5autoplay模塊設(shè)計(jì)查表及顯示模塊table設(shè)計(jì)：(1) 輸入按鍵button,replay用于選擇模式。由于是琴鍵式，不能根據(jù)button本身的 值來選擇模式。button為1且replay為0則把index_auto賦給內(nèi)部信號(hào)index, button為0且replay為0則把index_key賦給它，button為0且replay為1則把 in dex_store 賦給它。(2) 用index

5、來查表，獲得分頻系數(shù)tone,輸出。(3) 同時(shí)根據(jù)index獲得編碼表示的高、中、低音的音調(diào)，輸出給數(shù)碼管和點(diǎn)陣。Index kevIndex autnIndex storeelktabletonerep 1 nybuttontable模塊設(shè)計(jì)分頻模塊fen pin設(shè)計(jì)：輸入分頻系數(shù)to neo設(shè)置內(nèi)部信號(hào)i用于計(jì)數(shù)，clk_data作為分頻結(jié)果。，每次elk上升沿檢測(cè)i是 否等于tone,相等則把i清零，并使clk_data翻轉(zhuǎn)，否則i自增1。(2)把clk_data賦給輸出信號(hào)buzz，由buzz驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。1B JellLbuzzP-=fenpin3-ton圖7fen pin模塊設(shè)

6、計(jì)seg7數(shù)碼管模塊設(shè)計(jì)：由button和replay進(jìn)行調(diào)用選擇，選擇采用 index_key或index_auto或者 index_store作為對(duì)應(yīng)的信號(hào)index輸入。(1)index分別對(duì)應(yīng)不同的數(shù)碼管顯示輸出。IndrfjHiTc ldrsic -Tctteat扎bB d弩贏;dpsegmentnxxieseg7模塊設(shè)計(jì)圖8lattice數(shù)碼管模塊設(shè)計(jì)：由button和replay進(jìn)行調(diào)用選擇，選擇采用 index_key或index_auto或者 index_store作為對(duì)應(yīng)的信號(hào)index輸入index分別對(duì)應(yīng)不同的點(diǎn)陣輸出顯示IndexIndexIndex keyComla

7、tticeclrlattice模塊設(shè)計(jì)lieStore存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)：Store模塊使用了 store1和replay控制錄音和錄音播放的選擇。這里使用了一個(gè) 二維數(shù)組來存儲(chǔ)輸入的按鍵信息，然后錄音播放時(shí)可以按照輸入的頻率進(jìn)行對(duì)應(yīng) 的播放。三、仿真波形及仿真分析lattice模塊仿真:習(xí) Fif Eiit VFew Projwt 里signwwnts ProcKsirq TmIs Winda# Help-j K母b Majitr Time SeriBSmi彳FioHcrJCmrft1剛就ii.a+n；Sint-Errt|r1iceirlai?ice - dbce - imuhtjon R?par

8、i - &mdd!inn XVavrTornii;era/Kl FlIi訶ASlmulfftion Repi fe+ j| Legal Notict 歸 Row$umi*w |ffl How Settirg |J Simulator gQ Surnma 身露 Settings 豹 Sirrdatk I 爭(zhēng)_15irrdatk 身基INI U開g gW Messagfira寸日IUHOH疔冃呼7斷1LD U皿吃M L3廿ML5Lb襯LT祎LBy -.Q 3 -.2 1 -切El 13 E- T b -.S) - - - 3 - 1) IM-.T . bl - 4-.I-.DI:； 5 niXIX

9、IIIXIAlII11t廠邸帥煩郵功審舊：馬B：xinniJ：ir廠可聞廠冏伽(ri序訂r廠辟何任獅廠回:(,rLrJ11l iJi-L11J11n_1_J LL1rii rL111111L11_I1.:.1l_ .11.1L01)嗣Y圄51】i HE I-加胡1X 創(chuàng)K【】m J腳】53 t：羽Ll 】KT 1 歸 If【旳【叩】sr1L1rLDJK CEi： Ml )( i X 22 J： 0:;；餌 J( 3I -n Jt Po)L * XrjlK jHKsage: Ddlll* llraifJ匾捉1jFbr He. pr卿 Fl*d rNUM波形分析：這里我只選擇性地選取了鍵盤輸入的對(duì)

10、應(yīng)點(diǎn)陣顯示， 首先鍵盤輸入時(shí)button 信號(hào)為低電平，所以可以從仿真圖中看到button信號(hào)為低電平，且此時(shí)的復(fù)位信 號(hào)無效，為低電平，此時(shí)key輸入信號(hào)有效。在對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘時(shí)鐘信號(hào)輸入下，當(dāng)鍵盤輸入信號(hào)key對(duì)應(yīng)相應(yīng)的輸入時(shí)，點(diǎn)陣的行列也會(huì)有對(duì)應(yīng)的輸出。由于行的 輸出是掃描信號(hào)，所以對(duì)應(yīng)時(shí)鐘輸入，點(diǎn)陣的行信號(hào)在對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘分頻下，分別對(duì)應(yīng)一行輸出低電平有效，表示掃描至該行，下一個(gè)時(shí)鐘分頻對(duì)應(yīng)下一行的低電 平輸出。而對(duì)應(yīng)列掃描，根據(jù)key輸入的情況，分別對(duì)應(yīng)列掃描的電平輸出。如圖，例如輸入 do 時(shí)，有 lie 11011111, row 01100000。fenpin模塊仿真：爭(zhēng) 臼 E* 里

11、兇甲T AMKrmvrta Dcnaip Toah WF-dowff ND CS L 口 at/攀零越 4*氣聳疏時(shí)彎 叭1 也I u)| 毋 Swdaliwi- sUunWnSuM31M ktU4C driita TlftlEkCR 加eT祕(mì)曲Illrri土和換 IMIM血I14214mSik |E械譽(yù)乓*;略乳VIEEriUX h-4 .M：L_l U U U U L_l U U LIlln n rjirULW-inrutnrtrrirLrLWLWuLnrtnnrLmnRTinrLnrLrTirLmjiRWuLnnrnrLrjuirLuirLinrULnrLrvuirLU1|r)I( 1對(duì)

12、(ii| g |舒35；3|)r；( T| 、；議 |1 T|ht|斜工ClSlyai切l(wèi)i.3XI-.2li11II-.0liisirrelA0”,4】ki-.3ii-.!Ai IAiitVtlu15 LTJ血?jiǎng)h1咄伽伽啊順伽伽血伽mwnnimrmmHfflm_-Lr_rLr_-L-_rLr_rLrLrLr_rLrLrLrLrLr_-L-LrLr_rLLTLr_rLrLrL-1L3L9JJ如圖，對(duì)應(yīng)時(shí)鐘上升沿若有按鍵，則記錄；replay有效后，可以看到index_store 有對(duì)應(yīng)的賦值，表示有效的按鍵信息已經(jīng)被存儲(chǔ)。可以看到根據(jù)手動(dòng)錄入的index-key 情況，對(duì)應(yīng) replay 時(shí)的

13、 index_store輸出分別為 10001,10110,01011Seg7模塊仿真:脣丄也血mJlOSutHeiwi*.的燉SlwlEnd |如圖所示，對(duì)應(yīng)的 cat輸出為時(shí)鐘掃描信號(hào)，所著時(shí)鐘變化，cat0,cat1,cat2,cat3,cat4,cat5依次出現(xiàn)低電平，表示對(duì)應(yīng)的選通管有效，而 A,B,C,D,E,F,G,DP則 根據(jù)輸入的key而變，可以看到，對(duì)應(yīng)mi的輸入的時(shí)候，數(shù)碼管A,B,C,D,E,F,G,DP 分別對(duì)應(yīng)1,1,1,1,0,0,1,0,恰好可以顯示數(shù)碼管上的3字樣。四、源程序(要有注釋)electrorga n. vhl-頂層文件library IEEE;us

14、e IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity electrorgan is-作為頂層文件，它包含實(shí)現(xiàn)功能用到的所有端口port ( clk :in std_logic;key:in std_logic_vector(6 downto 0);mode:i n std_logic_vector(1 dow nto 0);cat:out std_logic_vector(5 downto 0);clr:in std_logic;butt on:i n stdo

15、 gic;replay:in std_logic;spkout :out std_logic;store1: in std_logic;Atop:OUT std_logic;Btop:OUT std_logic;Ctop:OUT std_logic;Dtop:OUT std_logic;Etop:OUT std_logic;Ftop:OUT std_logic;Gtop:OUT std_logic;DPtop:OUT std_logic;lietop:out std_logic_vector(7 downto 0); -列 comtop:out std_logic_vector(7 downt

16、o 0);-行 end electrorgan;architecture behave of electrorgan iscomponent autoplay -這里聲明了頂層文件中包含的各模塊 port ( clk: in std_logic;clr:in std_logic;index_auto : out std_logic_vector(4 downto 0); end component;component store is port(index_key : in std_logic_vector(4 downto 0);clk : in std_logic; clr : in st

17、d_logic; store1: in std_logic; replay:in std_logic;index_store : out std_logic_vector(4 downto 0); end component;component fenpin port(clk:in std_logic;tone:in integer range 0 to 100000; buzz:out std_logic); end component;component lattice port(clk:in std_logic;lie:out std_logic_vector(7 downto 0);

18、-列 com:out std_logic_vector(7 downto 0);-行 index_auto : in std_logic_vector(4 downto 0); index_key : in std_logic_vector(4 downto 0); clr:in std_logic;replay:in std_logic; index_store : in std_logic_vector(4 downto 0); button :in std_logic);End component;component tableport(index_auto:in std_logic_v

19、ector(4 downto 0); index_key:in std_logic_vector(4 downto 0); button :in std_logic;clr:in std_logic;replay:in std_logic;index_store : in std_logic_vector(4 downto 0);tone:out integer range 0 to 100000);end component;component keyplayport(key:in std_logic_vector(6 downto 0); mode:in std_logic_vector(

20、1 downto 0); index_key:out std_logic_vector(4 downto 0) );end component;component seg7PORT(mode:in std_logic_vector(1 downto 0); cat:out std_logic_vector(5 downto 0); index_key:IN std_logic_vector(4 downto 0); index_auto:IN std_logic_vector(4 downto 0); replay:in std_logic;index_store : in std_logic

21、_vector(4 downto 0); button :in std_logic;clk:in std_logic;A:OUT std_logic; B:OUT std_logic; C:OUT std_logic; D:OUT std_logic; E:OUT std_logic; F:OUT std_logic; G:OUT std_logic;DP:OUT std_logic );end component;signal index_auto_top :std_logic_vector(4 downto 0); signal index_key_top :std_logic_vecto

22、r(4 downto 0); signal index_store_top :std_logic_vector(4 downto 0); signal tone_top :integer range 0 to 100000;begin-這里聲明了各模塊的端口與頂層端口的映射關(guān)系u1:autoplay port map(clk=clk,clr=clr,index_auto=index_auto_top);u2:fenpin port map(clk=clk,tone=tone_top,buzz=spkout);u3:table port map(replay=replay,index_store

23、=index_store_top,index_auto=index_auto_top,clr= clr,index_key=index_key_top,tone=tone_top,button=button);u4:keyplay port map(key=key,index_key=index_key_top,mode=mode);u5:seg7 port map(replay=replay,index_key=index_key_top,cat=cat,index_store=index_store_ top, clk=clk,button=button,mode=mode,index_a

24、uto=index_auto_top,A=Atop,B= Btop,C=Ctop,D=Dtop,E=Etop,F=Ftop,G=Gtop,DP=DPtop);u6:lattice port map(replay=replay,index_auto=index_auto_top,index_store=index_store_top,clr= clr,index_key=index_key_top,button=button,lie=lietop,com=comtop,clk=clk)Ju7:store port map(index_key=index_key_top,clr=clr,clk=c

25、lk,index_store=index_store_top, store1=store1,replay=replay);end behave;autoplay.vhl- 自動(dòng)播放模塊library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity autoplay isport (clk: in std_logic;clr:in std_logic;-這里聲明了一個(gè)復(fù)位端口index_auto : out std_logic_vector(4

26、 downto 0);end;architecture behave of autoplay issignal count :integer range 0 to 136;- 可根據(jù)樂曲長(zhǎng)度改變signal jiepai: std_logic;signal j: integer range 0 to 1562500;beginjiepai1: process(clk)-分頻產(chǎn)生 16Hz 的節(jié)拍begin if clk event and clk = 1 then if j = 1562500 then j = 0;jiepai = not jiepai; elsej = j+1;end if

27、;end if;end process jiepai1;process(jiepai,clr)begin if(clr=0) then-這里相當(dāng)于一個(gè)計(jì)數(shù)器-可根據(jù)樂曲長(zhǎng)度改變if jiepaievent and jiepai=1 then if count=136 then count=0; else count=count+1; end if;end if;else count index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_au

28、toindex_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_autoindex_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto in

29、dex_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index

30、_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto index_auto ind