基于FPGA的简易电子琴设计

简易电子琴电路设计一、设计要求：(1) 设计一个简易电子琴。

(2) 利用实验箱的脉冲源产生1，2，3，……共7 个或14 个音阶信号。

(3) 用指示灯显示节拍。

(4) 能产生颤音效果。

二、原理说明：简易电子琴实现自动播放和手动弹奏两种模式，由一个开头选择。

自动播放功能可以预置多首乐曲，可以通过手动选择，本设计预置了两首乐曲《梁祝》和《两只老虎》。

手动弹奏设置了7个按键做琴键，分别对应7个音阶。

系统由8个模块组成，图1是顶层设计文件，其内部有7个功能模块：Speakera.v(例2) 和ToneTaba.v (例3)，NoteTabs.v (例4)，div_27.v，div-50.v，Keyboard.v，Dir.v。

模块ToneTaba音阶发生器，当4位发声控制输入Index中某一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将从端口Tone输出，作为获得该音阶的分频预置值；同时由Code输出对应该音阶简谱的LED显示，音阶越高，LED亮的数目越多。

模块Speakera中的主要电路是一个数控分频器，它由一个初值可预置的加法计数器构成，当模块Speakera由端口Tone获得一个2进制数后，将以此值为计数器的预置数，对端口Clk12MHZ输入的频率进行分频，之后由Spkout 向扬声器输出发声。

模块NoteTabs用于产生节拍控制（Index数据存留时间）和音阶选择信号，即在NoteTabs模块放置两个乐曲曲谱真值表，通过song来选择播放的音乐，00代表复位，01选乐曲《梁祝》，10选《两只老虎》，由一个计数器的计数值来控制此真值表的输出，而由此计数器的计数时钟信号作为乐曲节拍控制信号，从而可以设计出一个纯硬件的乐曲自动演奏电路。

模块div-27和div_50是分频模块，通过计数的方式进行分频。

div_27是由板上27M时钟分频产生4Hz的频率用于节拍控制，div_50是板上50M时钟产生12.5MHz用于Sperkera模块。

基于FPGA的简易电子琴实现李全摘要本系统是采用EDA技术设计的一个简易的八音符电子琴，该系统基于计算机中时钟分频器的原理，采用自顶向下的设计方法来实现，它可以通过按键输入来控制音响。

多功能电子琴的设计是在原有普通电子琴的基础上进行扩充的一个设计。

该电子琴的设计大体可以由三个模块构成，分别是电子琴音调发生器模块、数控分频模块和自动演奏模块。

用超高速硬件描述语言VHDL编程可以实现各个模块的功能。

能够实现弹琴和自动演奏的功能。

系统实现是用硬件描述语言VHDL按照模块化方式进行设计，然后进行编程、时序仿真、总体整合。

本系统的功能比较齐全，有一定的现实使用的价值。

本文中介绍了电子琴系统的整体的设计,并基于超高速硬件描述语言VHDL在相关的芯片上编程实现的。

关键字电子琴；EDA；现场可编程逻辑器件FPGA；超高速硬件描述语言VHDL；音调发生；数控分频；1引言我们生活在一个信息高速发达的时代，各种各样电子产品层出不穷。

对于广大老百姓来说，电子琴可以说已经不再是什么“新鲜玩意”了，它现在作为一种休闲和娱乐的产品早就推出市面，面向百姓，进入了我们的生活。

作为一个电子信息科学与技术专业的学生，了解这些电子产品的基本的组成和设计原理是十分必要的，我们学习过了计算机组成的理论知识，而我所做的课程设计正是对我学习的理论进行实践和巩固。

本设计主要介绍的是一个用超高速硬件描述语言VHDL设计的一个具有若干功能的简易电子琴；集科学性，先进性，创新性，实用性于一体，其理论基础源自于计算机组成原理的时钟分频器。

1.1 设计的目的本次设计的目的就是在掌握计算机组成原理理论相关的基础上，了解EDA技术，掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想，通过学习的VHDL 语言结合电子电路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识，例如本课程设计就是基于所学的计算机原理中的时钟分频器和定时器的基础之上的，通过本课程设计，达到巩固和综合运用计算机原理中的知识，理论联系实际，巩固所学理论知识，并且提高自己通过所学理论分析、解决计算机相关的实际问题的能力。

简易电子琴的设计学生姓名：王春指导老师：郑大腾摘要本系统是采用EDA技术设计的一个简易的八音符电子琴，该系统基于计算机中时钟分频器的原理，采用自顶向下的设计方法来实现，它可以通过按键输入来控制音响。

多功能电子琴的设计是在原有普通电子琴的基础上进行扩充的一个设计。

该电子琴的设计大体可以由三个模块构成，分别是电子琴发声模块、存储器模块和选择控制模块。

用超高速硬件描述语言VHDL编程可以实现各个模块的功能。

不仅能实现弹琴和演奏的功能，它还能实现“复读”的功能，就是可以存储任意一段音乐，并且可以即时的播放出来。

系统实现是用硬件描述语言VHDL 按照模块化方式进行设计，然后进行编程、时序仿真、总体整合。

本系统的功能比较齐全，有一定的现实使用的价值。

本文中介绍了电子琴系统的整体的设计,并基于超高速硬件描述语言VHDL在相关的芯片上编程实现的。

关键字电子琴；EDA；VHDL；音调发生；现场可编程逻辑器件FPGA；超高速硬件描述语言VHDL；电子琴系统；AbstractThis system is designed using EDA technology a simple eight-note keyboard, the system clock divider based on the principle of the computer, using top-down design methodology to implement, it can be controlled through the key input audio. Multi-function keyboard is designed to be an ordinary keyboard in the original expansion on the basis of a design. The design of the keyboard in general consists of three modules, namely the keyboard soundmodules, memory modules and select the control module. Ultra high-speed hardware description language VHDL programming function of each module. Not only can realize the function of playing and playing, it can achieve "repeat" function, which can store any piece of music, and real-time play out. System implementation is to use hardware description language VHDL modular way by design, then programming, timing simulation, integration. The system features a relatively complete, there is a certain value. This paper introduces the overall design of the keyboard system, and based on high speed hardware description language VHDL in Xilinx's Spartan Ⅱ series 2sc200PQ208-5 chip programming.KeywordKeyboard; EDA; VHDL; tone occurred;field programmable logic device FPGA;ultra high-speed hardware description language VHDL; organ systems;皖西学院毕业论文设计第3页共36页目录1 引言..................................................................1.1设计的目的...........................................................1.2设计的基本内容.......................................................2 FPGA、EDA、VHDL简介....................................................2.1FPGA工作原理 ........................................................2.1.2 FPGA的基本特点....................................................2.2EDA技术...............................................................2.3硬件描述语言——VHDL ...................................................2.3.1 VHDL的简介.......................................................2.3.2 VHDL语言的特点...................................................2.3.3VHDL语言上机操作条件.............................................2.3.4 VHDL的设计流程...................................................3 音乐知识介绍............................................................4 简易电子琴设计..........................................................4.1系统设计的总思路.....................................................4.2程序设计的流程图.....................................................4.3简易电子琴的工作流程图...............................................4.4简易电子琴中各模块的设计.............................................4.4.1 乐曲自动演奏模块...................................................4.4.2 音调发生模块.......................................................4.4.3 数控分频模块.......................................................4.4.4 顶层设计...........................................................5 系统仿真.................................................................6 结束语..................................................................第3页致谢..................................................................... 参考文献................................................................. 附录.....................................................................1 引言我们生活在一个信息高速发达的时代，各种各样电子产品层出不穷。

基于FPGA的简易电子琴的实现作者：卢婷来源：《环球市场信息导报》2014年第11期该文采用VHDL语言为硬件描述语言，Quartus II作为程序运行平台，在FPGA芯片上将所开发的程序通过调试运行、波形仿真验证，初步实现了设计目标，实现了具有音乐自动播放和键盘演奏的功能。

一、系统结构框图图1是整个系统的结构框图。

整个系统具备两个主要功能：键盘演奏和音乐的自动播放，可以通过按键开关来实现切换音乐自动播放还是键盘演奏功能。

图1 系统结构框图二、主要模块设计分频器模块。

整个系统的工作需要多个频率的信号。

其中第一个分频器的主要目的是获得4HZ的频率用来产生最小音乐节拍，通过改变这个分频器的分频系数就可以改变最小音乐节拍。

这里要注意的是，如果改变了最小音乐节拍，则音符存储电路中音符的存储以及琴键音符查表电路中琴键节奏的读取都要做相应的改变。

对该模块进行编译仿真得到仿真图如图2所示。

图2 分频器模块仿真图音符产生电路模块。

该模块的作用是产生各音符的分频预置值。

根据各音名与频率的关系以及声音输出控制模块（speaker模块）中数控分频器的设计，分别计算出高音区、中音区、低音区不同音符的分频预置值，程序中Index为AUTOMUSIC模块传人的音符编码，high0，med0，low0为AUTOMUSIC模块传入表示音符所处音区，如high0=‘1’表示音符处于高音区；low0=‘1’表示音符处于低音区；程序中Tone为输出音符分频预置值，因最大的预置数为6668，为节省硬件资源及提高系统运行速度，将T0ne取值范围定为0～16#lE00#；high，med，low输出音符所处音区，接外电路的发光二极管，高电平有效；CODE端口接数码管，输出音符的显示数码。

音符存储模块。

音符存储模块是音乐自动播放中的乐谱查表和音乐节拍控制电路，它决定了当前输出哪一个音符以及该音符的持续时间。

可以在其中设置一个二进制加法计数器作为音符ROM的地址发生器，这个计数器的位数与用来记录音符的ROM空间有关，如果用了256个ROM单元，则位数就是8；计数频率就是通过12MHZ分频过来的4HZ，这样在每一计数值上的停留时间为1/4秒，也就是一个最小音乐节拍。

Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ ＦＰＧＡ ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｉａｎｏ；Ｂｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｖｉｄｅｒ；ｎｉｘｉｅ ｔｕｂｅ
数 字 音 乐 电 子 琴 是 是 现 代 电 子 科 技 与 音 乐 结 合 的产 物 ，相 比体 积 庞 大 、价 格 昂 贵 的钢 琴 ，数 字 音 乐 电子 琴 以其操 作 简单 、价 格 低 廉 的 优 势 受 到 喜 爱 … 。 本 文 介 绍 的 简易 电 子 琴 的 设 计 ，采 用 Ａｌｔｅｒ公 司 的 现 场 可 编 程 门 阵 列 （Ｆｉｅｌｄ—Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ， ＦＰＧＡ）ＥＰ３Ｃ４０Ｑ２４０Ｃ８芯 片 作 为核 心 控 制 器 件 ，以 该 公 司提 供 的 Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ ９．０为 软 件 平 台 ，可 实 现 电 子 琴 以下 几 个 功 能 ：（１）２１个 琴 键 手 动 弹奏 ，高 、中 、低 音 各 ７个 ；（２）５首 预存 简 谱 乐 曲 自动 循 环 演 奏 ，曲 目 可通过 数 字按 钮 任 意选 择 ，可快 进 、后 退 、暂停 、复 位 ；（３）数码 管动态显 示 当前 音名 的简谱码 ，中音 直 接 显 示 ，低音 在 数 码 管 下 方 加 发 光 管 点 亮 表 示 ，高 音 在数 码 管 上 方 加 发 光 管 点 亮 表 示 ，发 声 通 过 扬 声 器 或接 耳 机 实 现 。 由 于 该 设 计 的 主 体 部 分 在 ＦＰＧＡ 中
实现 ，且 采用 自顶 向下 的设 计 方 法 ，提 高 了 开 发 和 研 制 的 效 率 ，使 整 个 设 计 和 修 改 过 程 变 得 方 便 、 高效 。
１ 总体 设计方案
系统结构 图如 图 １所示 ，其 中虚线 框 内部 分 在 ＦＰＧＡ 中实 现 。

时基于 FPGA 的电子琴设计还具有体积小、系统可靠性
高 、开 发 周 期 短 和 研 制 成 本 低 的 优 点 [5 ⁃ 7]。 所 以 本 文 在
FPGA 器件上设计一个简易触摸屏电子琴电路，来实现
触摸控制弹奏和自动播放乐曲的功能。
收稿日期：2014⁃06⁃15
基金项目：安康学院 2013 年国家级大学生创新创业训练
710129）
要：简易触摸电子琴是以 FPGA 芯片作为系统控制核心，通过数控分频的原理实现音乐自动播放、琴键演奏的功
能，有限状态机实现触摸控制和 LCD 显示驱动，再采用友晶科技的 4.3 寸液晶触摸显示屏（LTM）完成简易触摸电子琴模式选
择控制和琴键显示控制。在 DE0⁃Nano FPGA（Altera Cyclone Ⅳ）开发板上的测试表明，所设计的低成本简易触摸电子琴可
inch LCD touch panel Module（LTM）of Terasic to complete a simple touch electronic piano mode selection control and key dis⁃
play control. The test on DE0⁃NanoFPGA（Altera Cyclone IV）development board show that the design of low⁃cost simple touch
计划项目（201311397005）；安康学院 2013 年校
级大学生创新创业训练计划项目（2013aku015）
图1
简易触摸电子琴的结构图
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崔智军，等：基于 FPGA 的简易触摸电子琴设计

毕业设计基于FPGA的乐曲演奏电路设计摘要设计了一种基于FPGA的电子琴，该电子琴由用VHDL硬件描述语言设计的核心部件和适当的外围电路构成，可从琴键上进行演奏也可自动进行乐曲演奏。

基于FPGA(现场可编程门阵列)芯片，利用VHDL语言，介绍了一种通用乐曲演奏电路的设计，可实现多个八度音阶的乐曲演奏，与简谱的对应关系简单，编程方便，占用资源少，通用性好，可作为IP core模块引用，构成复杂的SOPC系统．关键词：电子琴；现场可编程门阵列（FPGA）；智力产权核（IP core）；超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)；乐曲AbstractAn electronic piano is designed based on FPGA，which consists of core paris that designed by using VHDL hardware description languages，as well as some periphery circuits.The musical perform ance can be donenot only by keys but also with automatic type in the electronic piano．Based on FPGA，by VHDL language，this paper introduces a universal music circuit design，it can play high，middle and low multiple tonality，simple corresponding relation with simple musical notation，which programs easily using little resource．It can be used universally for IP core in making complicated SOPC system．Key words：electronic piano；Field Programmable Gate Array（FPGA）；Intelligence Property core(IP core) ；Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language(VHDL)；music目录1.简易电子琴与音乐发生器设计的介绍 (4)1.1简易电子琴设计介绍 (4)1.2音乐发生器设计介绍 (4)2.F P G A功能与使用简介 (6)2.1F P G A简介 (6)2.1.1F P G A的产生 (6)2.1.2F P G A的基本结构 (7)2.1. 3 MAX+PLUSII (7)2.2硬件描述语言V H D L (10)2.2.1V H D L语言的优点 (10)2.2.2利用V H D L语言设计数字系统的特点 (11)2.2.3V H D L语言的基本结构 (13)2.2.4V H D L的设计流3.简易电子琴设计及程序 (16)3.1简易电子琴设计总体框图 (16)3.2模块设计 (16)3.2.1模块Q I N设计 (16)3.2.2模块F A N A设计 (17)4.音乐发生器设计及程序 (20)4.1使用的乐谱 (20)4.2音乐发生器设计及程序 (20)4.2.1音乐发生器总框图 (20)4.2.2可变分频器设计 (20)4.2.3到计时模块设计 (31)5.仿真 (3)45.1概述 (34)5.2仿真验证与实5.2.1电子琴电路的仿真 (35)5.2.2音乐发生器仿真 (35)6.结论 (3)77.致谢 (3)88．参考文献 (39)1.简易电子琴与音乐发生器设计的介绍1.1简易电子琴设计介绍电子琴因其操作简单，且能模拟各种传统乐器的音色，而深受消费者喜爱。

基于FPGA的简易触摸电子琴设计作者：崔智军刘昭元张瑜来源：《现代电子技术》2014年第22期摘要：简易触摸电子琴是以FPGA芯片作为系统控制核心，通过数控分频的原理实现音乐自动播放、琴键演奏的功能，有限状态机实现触摸控制和LCD显示驱动，再采用友晶科技的4.3寸液晶触摸显示屏（LTM）完成简易触摸电子琴模式选择控制和琴键显示控制。

在DE0⁃Nano FPGA（Altera Cyclone Ⅳ）开发板上的测试表明，所设计的低成本简易触摸电子琴可以实现触摸控制弹奏和自动播放乐曲的功能，同时具有较高的实用价值。

关键词： FPGA；电子琴；液晶显示屏；有限状态机中图分类号： TN710⁃34； TP332 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）22⁃0114⁃03Design of simple touch electronic piano based on FPGACUI Zhi⁃jun1， LIU Zhao⁃yuan2， ZHANG Yu1（1. Department of Electronics and Information Engineering， Ankang University， Ankang 725000， China；2. Xi’an ZTE New Software Co.， Ltd，Xi’an 710129， China）Abstract： The simple touch electronic piano， which takes FPGA chip as system control core， employs the principle of NC divider to achieve automatic music playing， finite state machine to realize the touch control and LCD display drive， and 4.3 inch LCD touch panel Module （LTM）of Terasic to complete a simple touch electronic piano mode selection control and key display control. The test on DE0⁃NanoFPGA （Altera Cyclone IV） development board show that the design of low⁃cost simple touch electronic piano can achieve the functions of touch control and automatic music playing， and also has high practical value.Keywords： field programmable gate array； electronic piano； liquid crystal display； finite state machine0 引言电子琴因其操作简单，且能模拟各种传统乐器的音色，而深受消费者喜欢。

西安邮电大学FPGA课程设计报告题目：简易电子琴设计及FPGA功能验证院系：电子工程学院专业班级：学生姓名：导师姓名：黄海生起止时间： 2012-6-18 至 2012-6-292012年 6 月29 日目录1.任务 (2)2.目的 (2)3.使用环境 (2)4.FPGA课程设计详细内容 (2)4.1 技术规范 (2)4.1.1 总体描述 (2)4.1.2 结构框图................................................................ 错误!未定义书签。

4.1.3 引脚描述................................................................ 错误!未定义书签。

4.1.3 应用范围 (5)4.2 设计方案 (5)4.2.1 顶层方案设计 (5)4.2.2 顶层模块程序 (7)4.3 功能验证方案及源程序 (7)4.3.1按键输入控制模块方案设计及源程序 (7)4.3.2控制模块方案设计及源程序 (8)4.3.3LCD驱动模块方案设计及源程序 (11)4.4 电路设计及功能仿真报告 (30)4.5 综合及布局布线报告和引脚分布报告 (21)4.6 硬件测试结果报告 (21)5.课程设计的心得体会 (22)6.参考资料 (22)1．任务：a、设计一个简单电子琴。

（内置2~4首简单音调曲）b、用FPGA开发板的按键可选择演奏内置曲调，用数码管显示当前演奏的哪个演奏曲目或停止。

c、要求电子琴具有自主选择，自动播放所选曲目或停止曲目。

2．目的：a、在掌握计算机组成原理理论相关的基础上，了解 EDA技术，掌握Verilog HDL 硬件描述语言的设计方法和思想，通过学习的 Verilog HDL 语言结合电子电路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识；b、深入学习Verilog H DL、FPGA，了解其编程环境；c、学会运用Modelsim和Quartus II等编程仿真软件；d、将硬件语言编程与硬件实物功能演示相结合，加深理解Verilog HDL、FPGA的学习；3．使用环境(软件/硬件环境，设备等)软硬件环境：软件：Quartus II 7.2, Modelsim6.1；硬件环境：DEII开发板；设备：PC一台，USB下载线，FPGA开发板及电源。

１４个 弹 奏 按 键
图４ 弹奏按键 的标号与音名的对应关系 用 ＶＨＤＬ设计描述本设计模块 ，得 到手动弹奏 音名产生模块 如图 ５所示 。
ｐ Ｌ ＾ Ｖ
图 ５ 手动弹奏音名产生模块 的模块 图 图 ５所 示模 块图 中，ＭＯＤＥ为手动／自动模式开关 的状态输 入端 ，高 电平 ’１’时为手 动弹奏模式 ；ＰＬＡＹＫＥＹ［１３．．Ｏ］为 １４个 弹奏按 键的状态输入 端 ，每一时刻 只有一 个按键被按下 （按键 按下为高 电平 ’１’），如 图４—５所示 ，ＰＬＡＹＫＥＹ（１３）￣０ＰＬＡＹＫＥＹ（７）依 次顺序 对应低音 １～７，ＰＬＡＹＫＥＹ（６）￣０ＰＬＡＹＫＥＹ（０）依次顺 序对应 中音 １ ７；ＰＬＡＹＬＯＷ为手动 弹奏 音名的低音／中音标 志信号输 出端 ，用于 识别低音 和 中音 ，ＰＬＡＹＬＯＷ为 ’１’时表示低音 ，ＰＬＡＹＬＯＷ 为 ’０’时表示 中音 ；ＰＬＡＹＮＡＭＥ［３．．０］为手动弹奏 的低 音 ｌ～７和中音 ｌ～７ 的ＢＣＤ编码输 出端 。
本 简易电子琴 的设计可 以通 过按 键选择手动弹奏和 自动演 奏两种模式。手动弹奏模式 时，可通过按压 １４个不 同的按键 ，使扬 声器 能对 应弹奏从 中音 １到低音 ｌ之 间的全 部音名。 自动演奏模式时 ，扬声器会 自动播放预先设定 的某段 音乐 。在两种工作模式 下 ，扬声器发 出的音名 ，可以通过数码管显示 出来 。
、
简易电子琴 的 ＦＰＧＡ控制电路结构如图 ２所示 。
；
ＦＰＧＡ内部的控制 电路各功能模 块用 ＶＨＤＬ描述 其设 计块
自动节拍产生模块 的设计是基于分频器 的设计 ，用于将高频 的基准频率信号分频产生 自动演奏模式－Ｖ８Ｈｚ的节拍 自动控制信 号 。

课程设计任务书开题报告皖西学院本科毕业论文（设计）中期检查表简易电子琴的设计学生姓名：王春指导老师：郑大腾摘要本系统是采用EDA技术设计的一个简易的八音符电子琴，该系统基于计算机中时钟分频器的原理，采用自顶向下的设计方法来实现，它可以通过按键输入来控制音响。

多功能电子琴的设计是在原有普通电子琴的基础上进行扩充的一个设计。

该电子琴的设计大体可以由三个模块构成，分别是电子琴发声模块、存储器模块和选择控制模块。

用超高速硬件描述语言VHDL编程可以实现各个模块的功能。

不仅能实现弹琴和演奏的功能，它还能实现“复读”的功能，就是可以存储任意一段音乐，并且可以即时的播放出来。

系统实现是用硬件描述语言VHDL 按照模块化方式进行设计，然后进行编程、时序仿真、总体整合。

本系统的功能比较齐全，有一定的现实使用的价值。

本文中介绍了电子琴系统的整体的设计,并基于超高速硬件描述语言VHDL在相关的芯片上编程实现的。

关键字电子琴；EDA；VHDL；音调发生；现场可编程逻辑器件FPGA；超高速硬件描述语言VHDL；电子琴系统；AbstractThis system is designed using EDA technology a simple eight-note keyboard, the system clock divider based on the principle of the computer, using top-down design methodology to implement, it can be controlled through the key input audio. Multi-function keyboard is designed to be an ordinary keyboard in the original expansion on the basis of a design. The design of the keyboard in general consists of three modules, namely the keyboard soundmodules, memory modules and select the control module. Ultra high-speed hardware description language VHDL programming function of each module. Not only can realize the function of playing and playing, it can achieve "repeat" function, which can store any piece of music, and real-time play out. System implementation is to use hardware description language VHDL modular way by design, then programming, timing simulation, integration. The system features a relatively complete, there is a certain value. This paper introduces the overall design of the keyboard system, and based on high speed hardware description language VHDL in Xilinx's Spartan Ⅱ series 2sc200PQ208-5 chip programming.KeywordKeyboard; EDA; VHDL; tone occurred;field programmable logic device FPGA;ultra high-speed hardware description language VHDL; organ systems;目录1 引言..................................................................1.1设计的目的...........................................................1.2设计的基本内容.......................................................2 FPGA、EDA、VHDL简介....................................................2.1FPGA工作原理 ........................................................2.1.2 FPGA的基本特点....................................................2.2EDA技术...............................................................2.3硬件描述语言——VHDL ...................................................2.3.1 VHDL的简介.......................................................2.3.2 VHDL语言的特点...................................................2.3.3VHDL语言上机操作条件.............................................2.3.4 VHDL的设计流程...................................................3 音乐知识介绍............................................................4 简易电子琴设计..........................................................4.1系统设计的总思路.....................................................4.2程序设计的流程图.....................................................4.3简易电子琴的工作流程图...............................................4.4简易电子琴中各模块的设计.............................................4.4.1 乐曲自动演奏模块...................................................4.4.2 音调发生模块.......................................................4.4.3 数控分频模块.......................................................4.4.4 顶层设计...........................................................5 系统仿真.................................................................6 结束语..................................................................致谢..................................................................... 参考文献................................................................. 附录.....................................................................1 引言我们生活在一个信息高速发达的时代，各种各样电子产品层出不穷。

基于FPGA的电子琴设计课程设计摘要乐曲演奏广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话、及智能仪器仪表设备。

实现方法有许多种。

现用可编程逻辑器件（PLD）来完成该设计。

核心是一数控分频器，对输入的脉冲进行分频，得到每个音阶对应的频率，由此实现简易电子琴的发音功能。

电子琴可演奏由键盘输入的音阶，同时在数码管上显示对应音节的频率。

本设计基于超高速硬件描述语言VHDL在Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C5T144C8芯片上编程实现；经仿真，调试基本能够达到技术指标，仿真结果基本正确。

关键词音乐译码电路模块，VHDL，数控分频，电子琴AbstractMusic performances are widely used in automatic answering devices, cell phone ring tones, the Group phones, smart instrumentation and equipment。

The design is accomplished using a programmable logic device (PLD). The core is a numerical control frequency divider, the input pulse frequency, the frequency of each scale corresponding to the frequency, thus achieving the function of simple electronic piano. The electronic piano can be played by the keyboard input of the scale, while in the digital tube display the corresponding syllable frequency. The design based on ultra high speed hardware description language VHDL on Altera's cyclone II Series ep2c5t144c8 chip programming; the simulation and debugging can basically meet the technical indicators, and the result of simulation is correct.Keywords Music decoder circuit module，VHDL，Numerical control pointing frequency modules，electronic organ目录摘要 (I)Abstract (II)1 引言 (1)2 VHDL简述及应用 (2)2.1VHDL简述 (2)2.2 VHDL的应用 (2)3 FPGA的简述 (3)3.1 FPGA的介绍 (3)3.2 FPGA的整体结构 (3)3.3 Altera公司的FPGA (3)4 电子琴演奏系统设计原理分析 (4)4.1电子琴演奏设计的基本要求 (4)4.2电子琴演奏原理 (4)4.3音名与频率的关系 (5)4.4控制音长的节拍发生器 (6)5 电子琴硬件演奏电路的层次化设计方案 (8)5.1按键控制模块 (8)5.2自动演奏模块 (8)5.3自动播放控制模块 (9)5.4数控分频模块设计 (9)5.5数码管译码显示 (10)5.6音频驱动模块 (10)结论 (11)致谢 (12)参考文献 (13)附录1 (14)附录2 (15)1 引言我们生活在一个信息高速发达的时代，各种各样电子产品层出不穷。

摘要文中介绍了电子琴系统的整体设计,并基于超高速硬件描述语言VHDL在Xilinx公司的SpartanⅡ系列的EMP240T100C5N芯片上编程实现.电子琴系统的设计包含四个模块,分别是控制输入电路、FPGA、显示电路和扬声器电路。

其中FPGA模块的设计是整个电子琴系统设计的核心内容。

四个模块的有机组合完成了电子琴自动演奏的功能。

文中还详细介绍了FPGA功能模块的原理及其工作时序仿真图。

本产品的特点是成本较低，性能稳定，精度高，有一定的开发价值。

目录摘要 (2)一、整体设计方案 (4)1.1设计要求 (4)1.2整体设计原理 (4)1.3方案比较 (5)二、单元电路设计 (5)2.1实验原理 (5)2.2顶层模块的设计 (6)2.3音调发生器(tone)模块的设计 (6)2.4数控分频模块（speaker）的设计 (7)三、软件设计 (7)3.1 VHDL硬件描述语言简介 (7)3.2 软件设计 (8)四、系统测试 (9)4.1测试使用的仪器 (9)4.2测试方法 (9)4.3指标测试和测试结果 (9)五、心得 (11)附录 (12)参考文献 (15)一、整体设计方案1.1 设计要求利用数控分频器设计硬件电子琴，当按下琴键时，扬声器发出该琴键相对应的音阶，同时数码管显示音阶数字，若为高音时，二极管点亮。

1.2 整体设计原理本设计可以通过多种方案来实现，下面就主要的三种方案进行阐述和比较。

方案一:采用数字逻辑电路制作，用IC 拼凑焊接实现，这种电路很直观，简单方便。

但应用数字逻辑电路制作的话，使用的器件较多，连接复杂，体积大，功耗大。

电路中焊点和线路较多会,使成品的稳定度和精度大大降低。

方案二:采用现场可编程逻辑器件（FPGA）制作，利用EDA软件中的VHDL硬件描述语言编程进行控制，然后烧制实现.采用FPGA来设计的原理图如图1.1所示.它由控制输入电路、FPGA、显示电路和扬声器电路组成。

图1.1 采用FPGA设计的电子琴原理方框图控制输入电路主要是为用户设计的,起到一个输入控制的作用.FPGA是现场可编程逻辑器件,也是本设计方案的核心内容,它是实现电子琴运作的主要控制模块.由设计者把编好的VHDL程序烧制到现场可编程逻辑器件FPGA中,然后通过控制输入电路把乐谱输入到FPGA,产生不同的频率驱动扬声器,发出不同的乐谱.同时也把发出的乐谱符号通过显示器输出.方案三:单片机现在已经达到很成熟的阶段了,它的应用也十分广泛. 采用单片机来实现电子琴,它的原理方框图与用FPGA来实现的原理方框图类似,如图1.2所示。

FPGA课程设计报告题目：简易电子琴设计及FPGA功能验证院系：专业班级：学生姓名： XX导师姓名： XX起止时间： 2012、6、18至2012、6、29一、课程设计任务：本设计一个简易电子琴，具体功能如下：1、具有手动弹奏和自动播放功能；2、以按键或开关作为电子琴的琴键，输出7个音节的音阶；3、可以自动播放曲目至少两首。

二、课程设计目的：1、培养综合运用知识和独立开展实践创新的能力；2、深入学习Verilog HDL，了解其编程环境；3、学会运用Modelsim和Quartus II等编程仿真软件；4、将硬件语言编程与硬件实物功能演示相结合，加深理解Verilog HDL的学习；三、使用环境：1、软件：Modelsim和Quartus II等编程仿真软件；2、硬件：FPGA开发板。

四、课程设计详细方案及功能验证：1、总体实现方案：1、简易电子琴的设计通过软硬件结合实现，硬件系统包括主控器芯片、9个按键、LED、蜂鸣器等，软件资源包括编写Verilog HDL程序的应用软件Modelsim和仿真软件Quartus II。

电子琴有按键代替琴键的弹奏功能和自动播放功能。

2、整个程序总共分5个模块：主模块，按键模块，曲目1模块，曲目2模块，曲目3模块。

整个方案总共用了9个按键（key1~key9），按键key1~key7作为琴键，通过这七个按键键入不同的音阶。

主模块中key8、key9两个按键用于选择是自动播放还是弹奏曲目，令mm=（key8、key9），用mm值的不同选择调用不同模块。

如果mm=00，则程序调用按键模块；如果mm=01，则调用曲目1模块，播放曲目1；如果mm=10，则调用曲目2模块，播放曲目2；如果mm11，则调用曲目3模块，播放曲目3。

本次设计的框图：2、输入输出信号描述：3、顶层划分：key1.key2.key3.key4.key5.key6.key7.key8.key94、主要模块：主模块：功能描述：是四个子模块的核心，通过主模块分别调用四个不同的子模块。

fpga电子琴课程设计一、课程目标知识目标：1. 掌握FPGA的基本原理和电子琴的基础知识；2. 学习并理解电子琴的音阶产生原理和演奏方法；3. 了解数字信号处理在电子琴中的应用。

技能目标：1. 学会使用FPGA设计电子琴的硬件电路；2. 能够编写Verilog或VHDL代码实现电子琴的音阶发生器；3. 掌握电子琴演奏的基本技巧，并能够通过FPGA实现简单的乐曲演奏。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对电子琴和FPGA技术的好奇心和探索精神；2. 增强学生的团队合作意识，提高沟通协作能力；3. 培养学生严谨的科学态度和良好的工程实践习惯。

课程性质：本课程为实践性较强的课程，结合理论知识与实际操作，使学生能够在实践中掌握FPGA电子琴的设计与制作。

学生特点：学生具备一定的电子技术和编程基础，对FPGA和电子琴有一定了解，但实践经验不足。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，强调动手实践，培养学生解决实际问题的能力。

通过课程学习，使学生能够独立完成FPGA电子琴的设计与制作，提高其综合素质。

教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。

二、教学内容1. 电子琴基础知识：介绍电子琴的原理、结构和演奏方法，包括音阶产生、音色合成等。

教材章节：《数字电子技术》第6章“数字信号处理基础”2. FPGA原理与应用：讲解FPGA的基本原理、硬件描述语言（Verilog/VHDL）编程和应用实例。

教材章节：《FPGA原理与应用》第1章“FPGA概述”、第3章“Verilog/VHDL编程基础”3. 电子琴硬件设计：学习电子琴硬件电路设计，包括键盘输入、音阶发生器、音色控制等。

教材章节：《电子电路设计》第4章“数字电路设计”4. 电子琴软件编程：编写Verilog或VHDL代码实现电子琴的音阶发生器、音色控制等功能。

教材章节：《FPGA原理与应用》第5章“数字信号处理与应用”5. 电子琴系统集成与测试：介绍如何将硬件和软件结合，进行系统集成与测试，确保电子琴功能的实现。

基于FPGA的电子琴设计电子琴由于操作相对比较简单，并且能够模拟几乎所有传统乐器的音色，因而深受广大消费者的喜爱。

近年来，在数字系统的设计领域融入了一种新型的设计技术：数字系统设计的自动化技术EDA（Electronic Design Automation）。

该技术优越之处在于系统设计的效率高、保密性强、集成度好、易于修改和实现等。

因此，一跃成为当下数字系统设计领域的主流技术，并被越来越广泛地应用到相关领域中，其中，被应用到电子琴的设计与实现中去就是一个相当重要的尝试及应用。

本文所设计的电子琴基于一种可编程逻辑控制器件：FPGA（Field Programmable Logical Device）芯片，首先采用Visual Basic来设计上位机琴键的控制界面程序，再利用VHDL硬件描述语言设计系统的核心部件（演奏电路）以及配合使用一些适当和必要的外围电路，并且，核心部件的模块通过QUARTUS II这个平台，自顶而下地进行下载到Altera芯片上，其中，上位机经RS232串行口能够直接和FPGA进行通信，从而完成数据的交换工作。

该演奏电路由琴键控制界面直接进行音调的输入，并通过RS232的通信方式来控制从而可以发出DO、RE、MI等共计8个音调，经由蜂鸣器出声，顺利行使完成演奏功能。

可从琴键上手动直接进行演奏各种电路，亦可自动开始乐曲演奏，而且能够模拟笛子、小号、风琴、单簧和双簧等传统乐器。

同通常所见到的电了琴的设计一样，该电子琴采用总计61个按键，共划分为5个音区，每个音区包含12个琴键，即7个白色的琴键与5个黑色的琴键（为半音键），在进行演奏的时候能够动态显示各音名。

1 系统设计为了使电子琴的演奏电路完美实现8个音键的控制和顺利播放已经编好的音乐，对系统的设计就应有所要求。

根据各个音调的频率差异来实现当演奏者按不同的音键时从而发出的声音又了差别。

当八位发声控制键的输入中有一位是高电平时，那么，对应这一音阶其初始计数值被作为获得此音阶分频的预置值而将送至预制数计数器，而后预制数计数器就会输出相应的频率，同时输出的还有对应音阶简谱的显示代码，然后，该频率通过二分频器被送至扬声器，在扬声器处能够发出相对应该音符的声音，与此同时，该音名将显示在数码管上。

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三、研究方案(研究内容、目标、研究方法、技术路线、拟解决的问题、特 色或创新点等)
研究内容： 使用 220 伏 50 赫兹的市电供电，设计电源输出 12 伏，5 伏，3.3 伏的直流电供系统
正常运作。设计 21 个按键，可以使电子琴发出高中低 3 个音阶。设计电源，直流稳压电 源是电子系统中的关键部分，作用是为电子系统提供稳定的电能。完成讲输入 220V，50Hz 的电网电压转化为 12V，再转化 5V 的稳定直流电，再转化为 3.3V 的直流电。一般选用 7805 等器件。
进行程序的设计
进行组装连线与系统调试，发现 问题，并进行处理解决。
通过编程设计，实现电子琴的弹奏， 播放，与区分两种不同音色的功能
系统功能的实现
解决的问题： (1)使得设计出的电子琴能够播放预存音乐 (2)用按键控制芯片使得喇叭能发出七音符 (3)使得电子琴可以发出不同音调的乐音 (4)使得电子琴可以发出不同音色 (5)让电子琴可以切换播放不同音乐 特色或创新点：
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二、国内外同类研究或同类设计的概况综述(在充分收集研究主题相关资料 的基础上，分析国内外研究现状，提出问题，找到研究主题的切入点，附主 要参考文献)
电子琴最早由美国人发明，由日本人生产并发展开来，技术较为成熟。国内对于电 子琴的使用，已经比较普及，应用于日常生活中，使用较为广泛。
国外电子琴设计一般采用集成电路，配置声音记忆存储器。用于存放各类乐器的真 实声音波形并在演奏的时候输出。常用的电子琴有编曲键盘（自带伴奏）和合成器（无 自动伴奏）两大类。
从电子琴的基本功能切入设计电源弹奏播放预存音乐等功能设计电源对芯片进行编程设计放大电路与弹奏按键采用可编程逻辑器件fpga制作将所有器件集成在一块芯片上大大减小了电子琴的体积依赖功能墙的的计算机在eda工具软件平台上用硬件描述语言vhdl为系统逻辑描述手段完成而且易于进行功能扩展并可调试仿真制作时间大大缩短