基于fpga的電腦鍵盤琴設(shè)計(jì)通信工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-02-12 13:28 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 乃至當(dāng)新世紀(jì)來(lái)臨之即，國(guó)際上現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件的著名廠商Altera公司、Xilinx公司又陸續(xù)推出了數(shù)百萬(wàn)門的單片F(xiàn)PGA芯片，將現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的集成度提高到一個(gè)新的水平。縱觀現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件的發(fā)展歷史，其之所以具有巨大的市場(chǎng)吸引力，根本在于：FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問(wèn)題，而且其開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)軟件投入少、芯片價(jià)格不斷降低，促使FPGA越來(lái)越多地取代了ASIC的市場(chǎng)，特別是對(duì)小批量、多品種的產(chǎn)品需求，使FPGA成為首選。目前，F(xiàn)PGA的主要發(fā)展動(dòng)向是：隨著大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入片上可編程系統(tǒng)（SOPC）的新紀(jì)元；芯片朝著高密度、低壓、低功耗方向挺進(jìn)；國(guó)際各大公司都在積極擴(kuò)充其IP庫(kù)，以優(yōu)化的資源更好的滿足用戶的需求，擴(kuò)大市場(chǎng)。特別是引人注目的所謂FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的開(kāi)拓，將推動(dòng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念的巨大轉(zhuǎn)變。隨著研發(fā)成本越來(lái)越昂貴，產(chǎn)品上市要求越來(lái)越快，架構(gòu)要求越來(lái)越靈活，在這樣的背景下，F(xiàn)PGA進(jìn)入人們的視野，迎來(lái)自己的黃金時(shí)代：它承擔(dān)起信號(hào)處理和數(shù)據(jù)運(yùn)算的重要功能，在無(wú)線通訊、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、汽車電子、消費(fèi)電子、工業(yè)和醫(yī)療電子、圖形處理、高性能運(yùn)算等幾乎所有的應(yīng)用領(lǐng)域都可看到FPGA的身影。而且未來(lái)電子設(shè)計(jì)的方向是向?qū)Ｓ眉尚酒较虬l(fā)展，因?yàn)镕PGA可以很完美地實(shí)現(xiàn)ASIC的設(shè)計(jì)，又是可以現(xiàn)場(chǎng)編程調(diào)試，非常方便，F(xiàn)PGA芯片中還可以嵌入IP軟核、ARM芯片，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)等其它一些MCU的功能。因此FPGA的應(yīng)用肯定會(huì)越來(lái)越廣泛。 FPGA的設(shè)計(jì)流程FPGA的設(shè)計(jì)流程采用自頂向下的層次化設(shè)計(jì)方法，即從整個(gè)系統(tǒng)的整體要求出發(fā)，自上向下的逐步將系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容細(xì)化，即把整個(gè)系統(tǒng)分割為若干功能模塊，最后完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。具體是借助于專用軟件用原理圖、布爾表達(dá)式、硬件描述語(yǔ)言等方法生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，最后用下載電纜下載到FPGA芯片中來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。第三章 設(shè)計(jì)方案 總體方案本次設(shè)計(jì)主要分為硬件與軟件兩部分，硬件部分以北京中教儀裝設(shè)備有限公司的EXCD1為中心，加以外圍LCD模塊，電子琴模塊。軟件部分由ps2通信模塊，多路選擇模塊，流水燈模塊，LCD顯示模塊，按鍵模塊構(gòu)成。設(shè)計(jì)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(kāi)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(jì)具有各種功能的數(shù)字系統(tǒng)，EXCD1 開(kāi)發(fā)板有 5 個(gè)擴(kuò)展接口，可靈活的擴(kuò)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(kāi)發(fā)板含有PS2接口，更加方便的接入腦鍵盤。電子琴電路通過(guò)EXCD1自帶的擴(kuò)展板接入到EXCD1板上。圖1總體方案圖 功能模塊設(shè)計(jì) PS2通信模塊PS2通信模塊是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵模塊，主要功能是完成鍵盤按鍵的解碼。把鍵盤的按鍵掃描碼轉(zhuǎn)換為ASCII碼。本模塊分為兩部分，一是分頻模塊Div_256,：圖2 ps2通信模塊圖如上圖所示，mclk接口接EXCD1中的時(shí)鐘（50MHZ），reset接口為重置端，rx_ascii(7:0)直接輸出按鍵對(duì)應(yīng)的ASCII碼值，ps2_clk、ps2_data分別為ps2鍵盤的時(shí)鐘端口和數(shù)據(jù)端口。PS2 鍵盤使用兩種串行總線（時(shí)鐘和數(shù)據(jù)）和主設(shè)備進(jìn)行通信。鍵盤使用 11 位的字，其中包括一個(gè)開(kāi)始位、一個(gè)停止位，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和 8個(gè)數(shù)據(jù)位。鍵盤接口允許雙向的數(shù)據(jù)傳輸（所以主設(shè)備能點(diǎn)亮鍵盤上的狀態(tài)燈） 。圖 3給出了時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)，表 1 給出了接口時(shí)序的參數(shù)表。 圖 3 PS/2 接口時(shí)序表 1 接口時(shí)序的參數(shù)符號(hào)參數(shù)最小最大Tck時(shí)鐘周期30us50usTsu數(shù)據(jù)到時(shí)鐘的建立時(shí)間5us25usThld時(shí)鐘到數(shù)據(jù)的保持時(shí)間5us只有當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生的時(shí)候，才驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)，否則它們保持空閑狀態(tài)在高電平。時(shí)序定義了鍵盤和主設(shè)備的雙向通信，可以用 FPGA 芯片來(lái)建立和鍵盤通信的接口時(shí)序。PS2 類型的鍵盤使用掃描碼來(lái)表示按鍵數(shù)據(jù)，每個(gè)鍵分配一個(gè)掃描碼；如果按鍵一直被按下，則掃描碼每隔一段時(shí)間就會(huì)重新發(fā)送一次；按鍵釋放時(shí)，“F0”碼被送出，后面跟隨一個(gè)釋放按鍵的掃描碼。鍵盤向主機(jī)發(fā)送 11 比特?cái)?shù)據(jù)，包含一個(gè)0起始位，8 位掃描碼，一個(gè)奇偶校驗(yàn)位、一個(gè)1停止位。按鍵對(duì)應(yīng)的掃描碼如圖 4所示：圖4 鍵對(duì)應(yīng)的掃描碼示意圖如果要鍵入大寫的“A”，必須先鍵入“Shift”鍵，然后按住“A”鍵，然后先釋放“A”鍵，再釋放“Shift”鍵。其他的類似按鍵輸入方式亦是如此。 電子琴模塊本次設(shè)計(jì)采用兒童電子琴成品里面的電路，這樣不但可以使音色效果更好，而且功能更多。主要是研究該電子琴的工作原理，然后把模擬開(kāi)關(guān)更換為數(shù)字控制的開(kāi)關(guān)。該部分主要是有3各部分的組成，其中共用部分是由8個(gè)焊點(diǎn)組成（命名為8），與另外4個(gè)焊點(diǎn)（命名為1′、2′、3′、4′）組合成32個(gè)黑白鍵；與另外的4個(gè)焊點(diǎn)(命名為1″、2″、3″、4″)組合成29個(gè)功能鍵。表2示了電子琴功能鍵的控制分析，表3示了電子琴黑白鍵的控制分析。表2電子琴功能鍵的控制分析123456781″華爾茲進(jìn)行曲倫巴恰恰桑巴探戈搖擺搖滾2″鋼琴風(fēng)琴小提琴曼陀林小號(hào)電顫琴吉他長(zhǎng)笛3″牛叫/踩镲鳥叫/低音鼓
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