【正文】 具有自動樂曲演奏功能的電子琴設(shè)計先給出設(shè)計結(jié)果視頻鏈接:具有自動樂曲演奏功能的電子琴視頻實錄 本文為本人于2012年下學期做的EDA數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，文章詳細介紹了“具有自動樂曲演奏功能的電子琴”的FPGA設(shè)計原理與方法，使用了ROM存儲音符和節(jié)拍，矩陣鍵盤控制整個系統(tǒng)。一、選題目的 電子設(shè)計自動化，簡稱EDA（Electronic Design Automation），發(fā)展迅速，應用范圍日益擴大。它以計算機為工具，設(shè)計者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言VHDL完成設(shè)計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提高了電路設(shè)計的效率和可操作性，減輕了設(shè)計者的勞動強度。 本文應用VHDL硬件描述語言，以QuartusⅡ，它能將預先存儲在ROM中的多首樂曲自動播放出來，并同時顯示音符，此外，還具有電子琴彈奏的功能。選題新穎、實用，趣味性、綜合性較強。二、設(shè)計目標1. 采用44矩陣鍵盤作為：電子琴按鍵，高、中、低音選擇鍵，自動播放和電子琴彈奏功能選擇鍵，樂曲選擇鍵。2. 使用ROM存儲樂曲，達到只要在其中存儲樂曲音符節(jié)拍的信息即可自動播放的目的，對樂曲的編碼要簡單易用。3. 可自動播放《世上只有媽媽好》、《長亭送別》、《十年》三首歌曲，帶選歌和自動循環(huán)播放的功能。4. 實時顯示正在播放的音符。5. 設(shè)計要具有模塊化，層次化的特點。6. 波形仿真時采用時序仿真，以更加貼近實際，使系統(tǒng)的實際效果達到最佳。三、實現(xiàn)方案1. 原理框圖 具有自動樂曲演奏功能的電子琴系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如下：圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖3 樂曲自動播放模塊結(jié)構(gòu)框圖 圖4 樂曲彈奏模塊結(jié)構(gòu)框圖2. 設(shè)計流程圖 具有自動樂曲演奏功能的電子琴系統(tǒng)的VHDL程序設(shè)計流程圖如下圖5：圖5 程序設(shè)計流程圖四、設(shè)計過程1. 音樂基礎(chǔ)知識 簡譜應該說是一種比較簡單易學的音樂記譜法。它的最大好處是僅用7個阿拉伯數(shù)字1234567，就能將萬千變化的音樂曲子記錄并表示出來，并能使人很快記住而終身不忘；同時涉及其他的音樂元素也基本可以正確顯示。簡譜雖然不是出現(xiàn)在中國，但是好像只有在中國得到非常廣泛的傳播。 樂音的特性：它由四個方面組成：音高、音值、音量、音色。 音高：由物體在一定的時間內(nèi)震動的次數(shù)決定，震動次數(shù)多，因則高，反之，則低。 音值：即音的長短，是由音的延續(xù)時間的不同而決定的，音的延續(xù)時間長，音則長，反之，則短。 音量：即音的強與弱，由震幅的大小決定，震幅大，音則強，反之，則弱。 音色：有發(fā)音體的性質(zhì)決定，發(fā)音體的形狀及泛音的多少決定音色的不同，例如，小提琴、鋼琴等各種樂器的音色都是不同的，在合奏時，人們可清楚地辨認。 樂音體系：在音樂使用中有固定音高的音的總和叫樂音體系。 音級：樂音體系中的各音叫音級，音級有基本音級與變化音級兩種。 基本音級：在音樂中經(jīng)常使用的七個具有獨立名稱的音叫基本音級?；疽艏壍拿Q用字母或唱名兩種方式來標記。 音名：用C、D、E、F、G、A、B來標記基本音級的叫音名，它表示一定的音高，簡譜中用1,2,3,4,5,6,7來標記。 唱名：用do、re、mi、fa、sol、la、si作為音級名稱的叫唱名。 音符：用以記錄音的長短高低的符號叫音符（以符頭在譜表上的位置來表示音的高低，以形狀表示音的長短，音符有符頭、符干、符尾三部分或其中某些部分組成，而在簡譜中以1 2 3 4 5 6 7或其上下加點來表示不同音高，以短下劃線(_)或橫(—)來表示音的長短）。 下面重點介紹組成音樂的兩個最基本的要素：每個音符發(fā)音的頻率及其持續(xù)的時間。 音符和頻率的關(guān)系 樂曲的十二平均律規(guī)定：每2 個八度音（如簡譜中的中音1與高音1）之間的頻率相差一倍。在2個八度音之間，又可分為12個半音，每2個半音的頻率比為。另外，簡譜中的低音6的頻率為440Hz，音符7到1之間、3到4之間為半音，其余為全音。由此可計算出簡譜中從低音1至高音7之間每個音符的頻率，如下表1所示：表1 簡譜中音符與頻率的關(guān)系音名頻率（Hz）音名頻率（Hz）音名頻率（Hz）低音1中音1高音1低音2中音2高音2低音3中音3高音3低音4中音4高音4低音5392中音5784高音51568低音6440中音6880高音61760低音7中音7高音7 音符的長短 表示音樂的長短需要有一個相對固定的時間概念。簡譜里將音符分為全音符、二分音符、四分音符、十六分音符、三十二分音符等，如下表2。在這幾個音符里面最重要的是四分音符，它是一個基本參照度量長度，即四分音符為一拍。這里一拍的概念是一個相對時間度量單位。一拍的長度沒有限制，可以是1秒 也可以是2秒或半秒。假如一拍是一秒的長度，那么二拍就是兩秒；一拍定為半秒的話，兩拍就是一秒的長度。一旦這個基礎(chǔ)的一拍定下來，那么比一拍長或短的符號就相對容易了。正如五線譜的附點一樣，數(shù)字后方加一點會將音符長度增加一半。表2 簡譜中音符長度音符名稱記法時值編碼全音符5 — — —四拍16二分音符5 —二拍8四分音符5一拍4八分音符半拍2十六分音符四分之一拍1三十二分音符八分之一拍2. VHDL程序設(shè)計 頂層文件 采用原理圖輸入法設(shè)計，其原理圖如下：圖6 music_player原理圖 各模塊的設(shè)計如下。 音符的編碼及音樂的存儲 音符的編碼 休止符的編碼為：0；音符長度的編碼見表2。音名的編碼如下表3所示：表3音名的編碼音名編碼音名編碼音名編碼低音111中音11高音121低音212中音22高音222低音313中音33高音323低音414中音44高音424低音515中音55高音525低音616中音66高音626低音717中音77高音727 音樂的存儲 以十進制將音樂分別存儲于note_rom和tick_rom兩個模塊中，前者為音符，后者為音符的長度，下面給出《世上只有媽媽好》的存儲過程。在Quartus II 主窗體中選擇Tools—MegaWizard PlugeIn Manager…，彈出如下對話框，單擊Next繼續(xù)。圖 7 MegaWizard PlugeIn Manager第一頁按下圖選擇并填入文件名，點擊Next。圖 8 MegaWizard PlugeIn Manager第二頁 由于音符編在16到32之間，所以q選為5位即可，容量選為1024個字如下圖所示圖 9 數(shù)據(jù)和地址寬度的選擇在下圖中取消“q’output port”前面的勾，點擊Next繼續(xù)。圖 10 寄存器信號的選擇在下圖中，點擊Next繼續(xù)。圖 11 指明ROM初始化文件圖 12 完成ROM的定制 建立ROM初始化文件 ，可以用文本編輯器編輯，也可以用Quartus II自帶的功能產(chǎn)生ROM數(shù)據(jù)文件。定制一個512*：選擇菜單File | New，在對話框中選擇Memory Initialization File，然后輸入512和8，如下圖13（a）所示，如下圖13（b）所示，然后可在其中輸入數(shù)據(jù)，默認為十進制。 （a）ROM的初始化設(shè)置 （b）初始化的空的ROM文件圖13 ROM初始化 在ROM中存儲音樂以《世上只有媽媽好》為例，其簡譜如下圖所示：圖14 世上只有媽媽好簡譜 根據(jù)前述對音符的編碼規(guī)則，可知第一個音為中音6，時值為拍，存儲為6和6；再如第二個音符為中音5，時值拍，存儲為5和2；又如第五個音符為高音5，時值1拍，存儲為21和4。依此類推，可將整首樂曲存儲如下：（a） （b）圖15 世上只有媽媽好簡譜在ROM中的存儲其它兩首樂曲的存儲與此類似。 矩陣式鍵盤是一種常見的輸入裝置，根據(jù)其電路連接有共陰極和共陽極兩種連接方式，可以采用逐行或逐列掃描法獲得按鍵值。本文根據(jù)實驗室提供的共陽極矩陣鍵盤設(shè)計，其示意圖如圖16所示，定義各功能鍵如下圖17所示，其中1~7對應簡譜的1~7音符，H、M、L分別為高、中、低音選擇鍵，AP（Auto Play）為自動播放選擇鍵，EO（Electronic Organ）為電子琴彈奏選擇鍵，Song為自動播放時的歌曲選擇鍵，三個短“”代表休止符。 圖16 共陽極矩陣式鍵盤示意圖 圖17本系統(tǒng)矩陣鍵盤功能鍵示意 下面介紹掃描原理，采取逐行掃描法，以0111011101110的順序依次掃描，然后讀取列引腳的電平信號即可判斷哪個按鍵按下。例如，當掃描信號為1011時，表示在掃描第二行，若列讀出的電平信號為1101，則可知第3列的鍵被按下，即第二行第3列的鍵“7”被按下，其它按鍵依次類推，下表4中列出了4*4矩陣鍵盤掃描時的情況表4 按鍵掃描信息對照表 列行 0111101111011110111101111234無1011567H無1101APEOSongM無1110L無對該矩陣鍵盤按從上到下、從左至右的順序編碼，依次為：1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 。掃描時，選取的掃描頻率為1KHz，由1MHz分頻得到，具體見源程序。 消抖