Verilog hdl—簡易電子琴設(shè)計

1、 湖北文理學院 簡易電子琴設(shè)計專業(yè)：自動化學號：2012118064姓名：一天虹影實驗目的使用VerilogHDL語言進行前端設(shè)計，并使用Quaruts軟件在GW48PK2實驗上實現(xiàn)仿真，實現(xiàn)硬件電子琴。電子琴要求有8個音階，使用外部時鐘信號3MHz，能同步顯示音階。設(shè)計要求1、 設(shè)計一個簡易電子琴。要求能演奏的音域為D調(diào)的do到E調(diào)do。 2、 用GW48PK2中的8個按鍵作為琴鍵。 3、 GW48PK2中有蜂鳴器。4、 可以使用GW48PK2上的12MHz作為輸入時鐘信號設(shè)計思路通過可編程邏輯器件（PLD）和VHDL硬件描述語言來實現(xiàn)電子琴的基本要求。 設(shè)計的主體是數(shù)控分頻器，對輸入的頻率

2、按照與每個音階對應的分頻系數(shù)進行分頻，得到各個音階對應的頻率分別在蜂鳴器和數(shù)碼管上以聲音和頻率數(shù)值的形式作為輸出。 設(shè)計組成與原理下圖為系統(tǒng)的工作原理框圖。 分頻置 數(shù)按鍵分頻器12MHZ蜂 鳴 器數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計1. 音名與頻率的關(guān)系音樂的12平均率規(guī)定：每2個八度音（如簡譜中的中音1與高音1）之間的頻率相差1倍。在2個八度音之間，又可分為12個半音。靈位，音符A（簡譜中的低音6）的頻率為440HZ，音符B到C之間、到之間為半音，其余為全音。由此可以計算出簡譜中所有的音符的頻率，在這我們只需計算出中音到高音的頻率即可。如下所示： 表一 簡譜音名與頻率的對應關(guān)系音名中音中音中音中音中音中音中

3、音高音頻率/HZ523.3587.3659.3698.5784880987.81046.5由于各音符對應的頻率多為非整數(shù)，而分頻系數(shù)又不能為小數(shù)，故必須將計算得到的分頻數(shù)四舍五入取整。若分頻器時鐘頻率過低，則由于分頻系數(shù)過小，四舍五入取整后的誤差較大；若時鐘頻率過高，雖然誤差變小，但分頻數(shù)將變大。實際的設(shè)計應綜合考慮兩方面的因素，在盡量減少頻率誤差的前提下取合適的時鐘頻率。本實驗要求用12MHZ的時鐘脈沖信號，所以不必考慮這方面的因素。實際上，只要各個音符間的相對頻率關(guān)系不變，彈奏出來的音調(diào)聽起來是不會走調(diào)的。2. 分頻系數(shù)與初始值（預置數(shù)） 本例設(shè)計的音樂電子琴選取12MHZ的系統(tǒng)時鐘頻率。

4、在數(shù)控分頻器模塊中，由于數(shù)控分頻器輸出的波形是脈寬極窄的脈沖波，為了更好地驅(qū)動揚聲器發(fā)生，減少輸出的偶次諧波分量，在到達揚聲器之前需要均衡占空比，從而生成各音符對應頻率的對稱方波輸出。這個過程實際上進行了一次二分頻，頻率變?yōu)樵瓉淼亩种唬?MHZ。 因此，分頻系數(shù)的計算可以按照下面的方法進行。以中音1為例，對應的頻率值為523.3HZ，它的分頻系數(shù)應該為：Divider=6MHz/523.3=6*106 /523.3=11466 至于其他音符，同樣由上式求出對應的分頻系數(shù)，這樣利用程序可以輕松地得到相應的樂聲。各音名對應的分頻系數(shù)如下表： 表二 各音名對應的分頻系數(shù)音名中音1中音2中音3中

5、音4中音5中音6中音7高音1分頻系數(shù)（divider）1146610216910185907653681860745733 由于最大的分頻系數(shù)為11466，故采用14位二進制計數(shù)器已能滿足分頻要求。將分頻系數(shù)設(shè)為0，其初始值為16383（214 -1 ）即可，此時揚聲器不會發(fā)聲。對于不同的分頻系數(shù)，加載不同的初始值即可。本實驗參考王金明：Verilog HDL程序設(shè)計教程，采用差值法進行分頻。把差值作為初始值，為不同音階的發(fā)聲的來源。各音名對應的初始值如下表：表三 各音名對應的初始值音名中音1中音2中音3中音4中音5中音6中音7高音1初始值（origin）4917616772827793873

6、0956510309106503. 數(shù)控分頻器數(shù)控分頻器是對基準頻率進行分頻，得到與各個音階對應的頻率輸出。數(shù)控分頻模塊是由一個初始值可變的14位加法計數(shù)器構(gòu)成，該計數(shù)器的模為214=16384，當計數(shù)器記滿時，產(chǎn)生一個進位信號，該信號就是用作發(fā)音的頻率信號。其分為預分頻和脈沖展寬兩部分。a) 預分頻 assign preclk=(divider=16383)?1:0; always(posedge clk) begin if(preclk) divider=origin; else divider=divider+1; end b) 脈沖展寬（二分頻） always(posedge prec

7、lk) begin speaker=speaker;目的是將預分頻產(chǎn)生的占空比很小的波形進行拓寬，使得波形有足夠長的高電平來驅(qū)動揚聲器。實驗仿真（一） 測試使用的儀器與軟件儀器康芯GW48系列EDA設(shè)備-GW48-PK2實驗電路圖和適用范圍：本實驗適用模式3，其結(jié)構(gòu)圖如下1.Altera公司的Cyclone系列的EP2C5T144C8芯片2.康芯教學實驗箱軟件Quartus IIQuartus II 是Altera公司的綜合性PLD開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌

8、自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程以下為使用Quartus II軟件得到的RTL級視圖(二) 測試方法 注：選擇模式3，此模式下按鍵為琴鍵式，適合本實驗演奏。1.打開Quartus軟件，file-NewProjectWizard-選擇程序e_piano2.2.Assignment-Device-設(shè)置芯片為Cyclone系列的EP2C5T144C83.定義管腳如下clkPIN_128index2PIN_3code0PIN_39index3PIN_4code1PIN_40index4PIN_5code2PIN_41index5PIN_6code3PIN_42i

9、ndex6PIN_7dPIN_47index7PIN_10index0PIN_1spkPIN_129index1PIN_2下圖為管腳定義界面4.定義完成后再次編譯，再執(zhí)行Programmer，選中e_piano.sof,開始下載。下圖為編譯下載界面5.下載完成后控制按鍵，觀察音調(diào)準確，聲音清晰，數(shù)碼管能夠正常顯示音調(diào)。實驗總結(jié) 根據(jù)老師的要求，我們先一起通過所學知識討論了設(shè)計原理，不懂的問了下其他同學，最后定制出了大致計劃。在具體設(shè)計過程中，我們根據(jù)步驟逐次檢驗，查閱了有關(guān)資料，主要包括王金明：Verilog HDL程序設(shè)計教程以及潘松，黃繼業(yè)，潘明的EDA技術(shù)實用教程在初次編寫分頻模塊時候，

10、使用的是比較基本的計數(shù)器分頻法，編寫程序后在modelsim軟件中進行了仿真，發(fā)現(xiàn)無法觀察到分頻情況。經(jīng)過分析，原因是由于分頻比過大，因此在波形圖中很難觀察到。而且由于預分頻的占空比很小，更難以觀察到高電平。在原因找到后，為了考察程序的性能，我們將輸入頻率減小。同時適當縮小分頻比，這樣就得到了模塊仿真中的分頻波形。通過此次實驗，我們不僅學會了Quartus II軟件的使用方法，還對集成電路設(shè)計有了更深的認識，對專業(yè)知識得到了加強。同時認識到了自己的不足，比如有些知識已經(jīng)模糊，所以有待于復習，所謂“溫故而知新”，我們要學習的東西還很多。這次的學習將對自己以后的研究生學習和將來的工作有很大的幫助，

11、也是一次實踐的鍛煉！參考文獻1. 王金明：Verilog HDL程序設(shè)計教程 2. 潘松，黃繼業(yè)，潘明EDA技術(shù)實用教程3. 其他網(wǎng)上資料附錄：程序源代碼 /信號定義與說明：/clk:用于產(chǎn)生各種音階頻率的基準頻率；/key:電子琴音符輸入端口；/speaker:用于激勵揚聲器的輸出信號，本例中為方波信號；/med,high:分別用于顯示中音，高音音符，各驅(qū)動一個數(shù)碼顯示管和LED來顯示；/origin:為數(shù)控分頻模塊提供音符頻率的初始值；module dianziqin(clk,key,speaker,med,high); input clk; /12MHZ input 7:0 key; o

12、utput speaker; output high; /高音顯示 output 3:0 med; /中音顯示 reg 13:0 divider; /分頻系數(shù)和初始值 reg 13:0 origin; reg speaker; reg high; reg 3:0 med; wire preclk; assign preclk=(divider=16383)?1:0; /14位，對時鐘頻率進行預分頻 always(posedge clk) begin if(preclk) divider=origin; else divider=divider+1; end always(posedge pre

13、clk) begin speaker=speaker; /進行2分頻，拓寬波形，產(chǎn)生方波信號 end parameter do=8'b00000001, re=8'b00000010, mi=8'b00000100, fa=8'b00001000, so=8'b00010000, la=8'b00100000, xi=8'b01000000, do_=8'b10000000; /狀態(tài)編碼，采用獨熱碼編碼方式 always(key) /分頻比預置 case(key) do: begin origin=4917; med=1; high=0; end re: begin origin=6167; med=2; high=0; end mi: begin origin=7282; med=3; high=0; end fa: begin origin=7793; med=4; high=0; end so: begin origi