EDA應(yīng)用技術(shù) 第2版 課件 01-簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案課件

項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案本項(xiàng)目介紹基于FPGA最小系統(tǒng)板，用VHDL程序設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易電子琴。通過簡(jiǎn)易電子琴控制器電路的VHDL程序設(shè)計(jì)，熟悉VHDL程序平行語句的使用，實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程間信號(hào)的通訊。教學(xué)目標(biāo)項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案技能目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)(1)能將實(shí)際的數(shù)字系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)化為數(shù)字電子系統(tǒng)硬件語言描述。(2)能采用VHDL程序設(shè)計(jì)分頻電路。(3)能熟練使用ModelSim軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行功能仿真與時(shí)序仿真。(4)會(huì)創(chuàng)建與編輯功能仿真測(cè)試文件。(5)能用蜂鳴器、數(shù)碼管、開關(guān)等元件設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的輸入與輸出。(1)掌握VHDL程序平行語句的特點(diǎn)。(2)熟悉簡(jiǎn)單信號(hào)賦值語句格式。(3)熟悉條件信號(hào)選擇語句的格式。(4)熟悉多進(jìn)程語句的格式。(5)掌握多進(jìn)程語句間信號(hào)的傳遞

。(1)培養(yǎng)通過書籍、網(wǎng)絡(luò)獲得相關(guān)信息開展自主學(xué)習(xí)的能力。(2)培養(yǎng)具制訂計(jì)劃及執(zhí)行計(jì)劃的能力。(3)培養(yǎng)勤于動(dòng)手、樂于實(shí)踐的習(xí)慣。任務(wù)描述項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)易電子琴功能要求：能夠?qū)崿F(xiàn)某一大調(diào)音樂的演奏功能，同時(shí)，在演奏時(shí)能夠顯示該大調(diào)每個(gè)音符的簡(jiǎn)譜值及區(qū)分相同簡(jiǎn)譜值的音高。設(shè)計(jì)要求：在QuartusPrime20.1軟件平臺(tái)上用VHDL程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電子琴控制器電路，用ModelSim-Altera2020.1仿真軟件仿真檢查設(shè)計(jì)結(jié)果；選用FPGA最小系統(tǒng)板、按鈕開關(guān)、數(shù)碼管、LED燈、蜂鳴器等硬件資源進(jìn)行硬件驗(yàn)證。設(shè)計(jì)方案項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案

基于FPGA最小系統(tǒng)板的簡(jiǎn)易電子琴用2個(gè)按鈕開關(guān)的組合控制大調(diào)的不同八度音輸入；7個(gè)按鈕開關(guān)控制同一八度音的7個(gè)音符輸入；用3LED表示發(fā)出音符不同八度音，用數(shù)碼管顯示音符的簡(jiǎn)譜值，用蜂鳴器發(fā)聲。簡(jiǎn)易電子琴工作過程：琴鍵信號(hào)通過輸入電路輸入基于FPGA設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易電子琴控制器；簡(jiǎn)易電子琴控制器將FPGA最小系統(tǒng)板的板載基頻，根據(jù)輸入信號(hào)不同，分頻為不同音符的頻率，通過輸出端驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲；同時(shí)，簡(jiǎn)易電子琴控制器輸出驅(qū)動(dòng)顯示簡(jiǎn)譜數(shù)值的數(shù)碼管信號(hào)和區(qū)分不同八度音的3LED電平。1.輸入電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（1）琴鍵信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)：用按鈕開關(guān)控制“1234567”7個(gè)琴鍵信號(hào)的輸入，當(dāng)按鈕開關(guān)閉合時(shí)，向FPGA輸入高電平，指示發(fā)光二極管發(fā)光；當(dāng)按鈕開關(guān)斷開時(shí)，向FPGA輸入低電平，指示二極管不發(fā)光。7個(gè)琴鍵信號(hào)輸入電路的原理圖如圖4.1所示。圖4.1琴鍵信號(hào)輸入電路原理圖1.輸入電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（2）控制不同八度音信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)：用2個(gè)按鈕開關(guān)的組合來控制3個(gè)不同音高的八度音，如圖4.2所示。當(dāng)c1、c2均不閉合時(shí)，發(fā)低八度音；當(dāng)c1閉合、c2不閉合時(shí)，發(fā)原音；當(dāng)c1不閉合、c2閉合時(shí)，發(fā)高八度音。圖4.2控制不同八度音信號(hào)的輸入電路原理圖2.VHDL控制器設(shè)計(jì)項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（1）相同大調(diào)不同八度音頻率。鋼琴上每個(gè)琴鍵對(duì)應(yīng)一定的音名，每個(gè)音名對(duì)應(yīng)一定的頻率。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)D大調(diào)具有3個(gè)八度音的簡(jiǎn)易電子琴。表4.2列出了D大調(diào)3個(gè)八度音的音名、頻率及對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)譜。項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（2）各音符頻率的產(chǎn)生

不同音符的頻率可通過對(duì)基準(zhǔn)頻率分頻產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)輸入基準(zhǔn)頻率為FPGA最小系統(tǒng)板載晶振產(chǎn)生的50MHz頻率。考慮到預(yù)置數(shù)2進(jìn)制計(jì)數(shù)器分頻的位數(shù)關(guān)系，對(duì)50MHz基準(zhǔn)頻率先進(jìn)行50分頻，分頻為1MHz的基頻，然后用帶預(yù)置數(shù)的12位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器分頻，帶預(yù)置數(shù)計(jì)數(shù)器分頻所產(chǎn)生的是非等占空比脈沖信號(hào)，該非等占空比脈沖信號(hào)，不具有驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的能力，故需對(duì)此脈沖信號(hào)再次進(jìn)行2分頻，使輸出頻率成為等占空比的信號(hào)，以推動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。計(jì)算可控分頻器的分頻系數(shù)表達(dá)式，Tone=212-（50000000/50*2f），其中f值為音符的頻率。項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（2）各音符頻率的產(chǎn)生根據(jù)各音符的頻率及計(jì)算公式可計(jì)算出D大調(diào)3個(gè)八度各音符的分頻系數(shù)，如表4.3所示。項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（2）各音符頻率的產(chǎn)生根據(jù)各音符的頻率及計(jì)算公式可計(jì)算出D大調(diào)3個(gè)八度各音符的分頻系數(shù)，如表4.3所示。項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（2）各音符頻率的產(chǎn)生根據(jù)各音符的頻率及計(jì)算公式可計(jì)算出D大調(diào)3個(gè)八度各音符的分頻系數(shù)，如表4.3所示。項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（3）控制器的VHDL程序設(shè)計(jì)根據(jù)前面的分析，簡(jiǎn)易電子琴控制器的VHDL程序設(shè)計(jì)如下：進(jìn)程1：用琴鍵輸入電平，控制不同八度音，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)琴鍵的分頻系數(shù)、3LED電平、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。進(jìn)程2：將50MHZ的頻率分頻為1MHz頻率。進(jìn)程3：在進(jìn)程1分頻系數(shù)信號(hào)的控制下，通過可預(yù)置分頻系數(shù)的計(jì)數(shù)器，將1MHz的頻率分頻為各音符脈沖信號(hào)。進(jìn)程4：將進(jìn)程3各音符脈沖信號(hào)2分頻后輸出驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。3.輸出電路設(shè)計(jì)項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（1）顯示不同八度音發(fā)光二極管電路顯示不同八度音的發(fā)光二極管輸出電路原理圖，如圖4.3所示。圖4.3顯示不同八度音的發(fā)光二極管輸出電路項(xiàng)目4簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案（2）數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)電路數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)輸出電路