【正文】 Using it can shorten the period of time to plete a electronic system, shorten the development cycle, achieve rapid listed and reduce the cost. Secondly, using a puter keyboard to control the keyboards will certainly give a person with refreshing, moreover with the increasing popularity of puter, children contact and use the puter much earlier. They are more familiar with the keyboards than the electronic an .This has laid a well foundation for the promotion of the electronic an controlled by puter keyboard. Key words: FPGA； Verilog HDL； Computer keyboard； the Electronic 引言 隨著 硬件編程 在社會各領(lǐng)域的發(fā)展應用 ， FPGA 的應用 逐步深入日常生活領(lǐng)域 ，帶動著 包括玩具、家電等的各類商業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代 ， 極大地提高了電 子電路及系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量和效率。 本設(shè) 計是以北 京中教儀裝設(shè)備有限公司的 EXCD1 為中心器件， 輔以電腦 鍵盤、 LCD 顯示和電子琴電路 等來設(shè)計電子琴系統(tǒng) ， 同時詳細論述了 電子琴 的設(shè)計過程及關(guān)鍵技術(shù) 。 本次設(shè)計的最大新意 是使用電腦鍵盤 代替了傳統(tǒng)的黑白鍵來控制傳統(tǒng)的兒童電子琴，并且 本次制作的 的電子琴 不但 功能多樣 而且還增加了一些市場上電子琴所不具備的功能 ， 這樣 既能使使用者練習鍵盤的使用又能在使用鍵盤時 學習電子琴 聆聽音樂， 提高其對音樂的鑒賞能力， 為 枯燥的 鍵盤 練習 增加 樂趣， 提高使用者尤其是 兒童的興趣。 2 第一章 研究意義及現(xiàn)狀 研究意義 電子琴是高科技在音樂 領(lǐng)域 運用 的一個代表，它是古典文化與現(xiàn)代文明的一個濃縮體，是一種新型的鍵盤樂器。 電子琴又稱作電子鍵盤，屬于電子樂器 (區(qū)別于電聲樂器 )，發(fā)音音量可以自由調(diào)節(jié)。音域較寬，和聲豐富，甚至可以演奏出一個管弦樂隊的效果，表現(xiàn)力極其豐富。它還可模仿多種音色，甚至可以奏出常規(guī)樂器所無法發(fā)出的聲音（如合唱聲，風雨聲，宇宙聲等）。另外，電子琴在獨奏時，還可隨意配上 類似打擊樂音響的節(jié)拍伴奏，適合于演奏節(jié)奏性較強的現(xiàn)代音樂。 電子琴還 可以安裝 效果器，如混響、回聲、延音，震音輪和調(diào)制輪等多項功能裝置，表達各種情緒時運用自如。 電子琴因 其結(jié)構(gòu)簡單，價格適中，而廣泛引用于各種領(lǐng)域，使用電子琴不但可以抒發(fā)感情，陶冶情操，而且能更好的體會生活的樂趣。另外，因其操作簡單而備受兒童喜愛，廣泛應用于兒童音樂啟蒙的教育中 。 由于其使用方法簡單，所以備受孩童歡迎。它能夠培養(yǎng)兒童的音樂情操，開發(fā)兒童的智商，增加童年的快樂感。而 且 隨著計算機的發(fā)展，普及程度越來越高，兒童也越來越早地接觸并使用電腦。由于其對電腦鍵盤的熟練程度比操作電子琴更高，所以如果設(shè)計出直接利用鍵盤來操控的電子琴，這會更加的吸引孩子的注意。 更 有利于簡易電腦鍵盤電子琴的市場推廣，再加上 FPGA 的種種優(yōu)點，無疑會減低成本，更大程度的促進其銷售，填補市場在該方面的空缺。 研究 現(xiàn)狀及方案比較 電子琴普遍應用黑白鍵來控制，更簡單的則用矩陣鍵盤來控制。目前的電子琴設(shè)計方法大體上分兩種： 一種是 基于單片機的電子琴設(shè)計 [8]，單片機的缺點就是運行速度慢，存儲能力也遠不如 FPGA。所以若要設(shè)計出音效比較好的電子琴很困難。 另一種 基于RC 正弦波振蕩器的電子琴設(shè)計 [7]。此法只能設(shè)計簡易的電子琴，因為純粹是用模擬電路設(shè)計 。運用這種方法設(shè)計的電子琴不但功能簡單，而且沒有存儲功能。這就大大限制了電子琴的各種功能的發(fā) 揮。 因此選擇使用 FPGA 來設(shè)計電子琴， FPGA 的優(yōu)勢在于： 1）采用 FPGA 設(shè)計 ASIC 電路 (專用集成電路 )，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。2） FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 3） FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I/O引腳。 4） FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。 5) FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。而且 EXCD1開發(fā)板有 5個擴展口，還有一個高速擴展接口，這 為 此次設(shè)計提供了良好的硬件條件。綜上所述采用 FPGA 來完成此次的電子琴設(shè)計。 研究內(nèi)容 本設(shè)計是以北京中教儀裝設(shè)備有限公司的 EXCD1為中心器件， 輔以電腦鍵盤、 LCD 顯示和電子琴電路等來設(shè)計電子琴系統(tǒng)， 創(chuàng)新之處在于用電腦鍵盤控制電子琴 ，并且擴展了市場上電子琴不具備的功能 ，例如 LCD 顯示功能、流水燈功能 。 設(shè)計使用的 EXCD1 器件，板上資源豐富，它能夠?qū)崿F(xiàn)大量基于 FPGA 的數(shù)字系統(tǒng) 。 開發(fā)板采用 Xilinx Spartan 3E FPGA 器件 ，板上有 各種輸入輸出設(shè)備，可以方便的設(shè)計具有各種功能的數(shù)字系統(tǒng)， EXCD1 開發(fā)板有 5 個擴展接口，可靈活的擴展各種功能模塊，如數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊， LCD顯示模塊等。 EXCD1開發(fā)板含有 PS2接口， 可以 方便的 接入 電 腦鍵盤。電子琴電路通過 EXCD1自帶的擴展板接入到 EXCD1板上。 3 第二章 FPGA發(fā)展概述 FPGA 簡介 FPGA（ Field Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 CPLD（復雜可編程邏輯器件） 等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電 路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足 ，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。 目前以硬件描述語言（ Verilog 或 VHDL）所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計驗證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如 AND、 OR、 XOR、 NOT）或者 一些 更復雜的組合功能比如解碼器或數(shù)學方程式。在大多數(shù)的 FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（ Flip－ flop）或者其他更加完整的記憶塊。 FPGA 結(jié)構(gòu) FPGA采用 邏輯單元陣列 （ LCA） ， FPGA內(nèi)部 最主要的