【正文】 數 見表 ： 表 FPGA 芯 片 EP1C3T100C8 參數 Feature EP1C3T100C8 LEs 2,910 M4K RAM blocks(128*36 bits) 13 M4K RAM Columns 1 LAB Columns 24 LAB Rows 13 Total RAM bits 59,904 PLLs 1 Maximum user I/O pins(1) 104 100pin TOFP 65 原理圖 原理圖見附錄 A。 FPGA 器件 芯片 介紹 我們選擇是 Altera 公司 Cyclone 系列中的 EP1C3T100C8 芯片 。因此， FPGA的使用非常靈活。當需要修改 FPGA功能時，只需換一片 EPROM即可。掉電后， FPGA恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此， FPGA能夠反復使用。用戶可以根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。 可以說， FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系 統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 4） FPGA是 ASIC電路中設計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。 2） FPGA可做其它全定制或半定制 ASIC電路的中試樣片。 FPGA 的基本結構 FPGA采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個新概念，內部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、 輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內部連線（ Interconnect）三個部分。更吸引人的是，采用 FPGA器件可以將原來的電路板級產品集成為芯片級產品，從而降低了功耗，提高了可靠性，同時還可以很方便地對設計進行在線修改。 現場可編程門陣列 FPGA允許電路設計者利用基于計算機的開發(fā)平臺，經 過設計輸入、仿真、測試和校驗，直接達到預期的結果。 CLB 的功能很強，不僅能夠實現邏輯函數，還可以配置成 RAM等復雜的形式，配置數據存放在片內的 SRAM 或者熔絲圖上?，F場可編程門陣列 FPGA 是一種新型的高密度PLD，采用 CMOS— SRAM 工藝制作，與門陣列 PLD 不同，其內部由許多獨立的可編程邏輯模塊（ CLB）組成 (如下圖 所示 )，邏輯塊之間可以靈活地相互連接。其組成部分主要有可編程輸入 ， 輸出單元、基本可編程邏輯單元、內嵌 SRAM、豐富的布線資源、底層嵌入 功能單元、內嵌專用單元等，主要設計和生產廠家有賽靈思、 Altera、 Lattice、Actel、 Atmel 和 QuickLogic 等公司，其中最大的是美國賽靈思公司，占有可編程市場 50% 以上的市場份額，比其他所有競爭對手市場份額的總和還多。實際上，畢業(yè)設計（論文） 7 LUT 具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模。當用戶通過原理圖或 HDL語言描述了一個邏輯電路以后， PLD/FPGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所 有可能結果，并把真值表 (即結果 )事先寫入 RAM，這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容，然后輸出即可。 查找表 (LookUpTable) 簡稱為 LUT， LUT 本質上就是一個 RAM。所以如果事先將相應的結果存放于一個存貯單元，就相當于實現了與非門電路的功能。通過燒寫文件改變查找表內容的方法來實現對 FPGA 的重復配置。 FPGA 的可編 程實際上是改變了 CLB 和 IOB 的觸發(fā)器狀態(tài)，這樣，可以實現多次重復的編程由于 FPGA 需要被反復燒寫，它實現組合邏輯的基本結構不可能像 ASIC 那樣通過固定的與非門來完成，而只能采用一種易于反復配置的結構。在修改和升級時，不需額外地改變 PCB 電路板，只是在計算機上修改和更新程序，使硬件設計工作成為軟件開發(fā)工作，縮短了系統(tǒng)設計的周期，提高了實現的靈活性并降低了成本，因此獲得了廣大硬件工程師的青睞。它是作為專用集成電路 (ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，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有限的缺點。再 FPGA 8按鍵輸入 EPCS1 AS 接口 數碼管顯示 蜂鳴器 電源 畢業(yè)設計（論文） 6 在原設計的基礎上，增加一個樂曲存儲模塊，代替了鍵盤輸入，產生節(jié)拍控制和音階選擇信號，即在此模塊中可存放一個樂曲曲譜真值表，由一個計數器來控制此真值表的輸出，而由此計數器的計數時鐘信號作為樂曲節(jié)拍控 制信號，從而可以設計出一個純硬件的樂曲自動演奏電路 。 圖 電子琴 硬件 框圖 設計的主體是按鍵控制（掃描）模塊電路， FPGA 主板電路和顯示模塊電路。 電路 設計 本設計主要是實現通過按 8 個不同的琴鍵，模擬電子琴發(fā)音 。 功能的實現，其工作原理是這樣的：我們知道，手動彈奏最根本的目的是將按鍵的信號在 FPGA 器件中選擇相應的樂曲頻率，然后輸出發(fā)聲。 第三個方案 也有它的優(yōu)點 ,但同時也存在缺 點 .它對設計者的要求比較高 ,設計者對軟硬件必須十分熟悉 .和方案二來比它的實驗仿真沒有方案二簡單直觀 ,調試也有一定的難度 .在外界環(huán)境相同的條件下 ,方案三設計出來的產品精度和穩(wěn)定度要比方案二稍微差一些 . 因此 ,綜合考慮，基于多功能 電子琴的設計我們選擇方案二來實現 。還可以用 編程軟件 Quartus II 經行 進行仿真和調試等。此方案不可取。 設計方案的確定 對于電子琴的設計 ,三個方案均可以實現 。 顯示值 脈沖 控制信號 控制輸入電路 FPGA 顯示電路 揚聲電路 畢業(yè)設計（論文） 4 采 用單片機 制作 單片機設計的電子琴， 現在已經達到很成熟的階段了 ,它的應用也十分廣泛 . 采用單片機來實現 電子琴 ,它的原理方框圖與用 FPGA 來實現的原理方框圖類似 ,如圖 所示 。 圖 采用 FPGA設計的電子琴原理方框圖 控制輸入電路主要是為用戶設計的 ,起到一個輸入控制的作用 。電路中焊點和線路較多會 ,使成品的穩(wěn)定度和精度大大降低 ，另外采用數字邏輯不能達到音頻輸出的效果 。 采用數字邏輯電路制作 采用數字邏輯電路 制作，用 IC 拼湊焊接實現，這種電路很直觀，簡單方便。 方案 設計與 選擇 本課題 設計選擇三種方案經行選擇： 第一種是采用 數字邏輯電路；第二種是采用現場可編程邏輯器件設計； 第三種是采用單片機原理設計來實現。 畢業(yè)設計（論文） 3 第 2 章 方案 總體 設計 與論證 總體設計 根據 課題的要求， 電子琴的設計方法種類繁多，所需核心芯片不一，有 LDQ852集成塊、有單片機、 FPGA 等，但各種設計方法的實現方式及過程各有不同。 但是國內外的電子琴要么是很好的價格太貴，讓很多人望“琴”心嘆，另外電子琴也可用于孩童的學前音樂教育 ，但是電子琴行業(yè)找不到一個標桿，因此 對于電子琴愛好者以及需求者來說研究一種可行的電子琴是我們的目的。設計人員可以選用芯片，再配以適當的外圍電路，可從琴鍵上進行演奏也可自動進行樂曲演奏，可模擬傳統(tǒng)樂器笛、風琴、小號、單簧、雙簧等音色。中國有關企業(yè)正在努力地研制高性能低成本的電子琴。而運用了電子技術做成的手感像鋼琴那樣的樂器叫“電鋼琴”或“數碼鋼琴”。而側重于音樂制作的電子琴類成員叫做“電子合成器”。 家用的電子琴屬中低端的“編曲鍵盤”。 我們常見的電子琴是普及型的，或業(yè)余型的。由 音色、自動節(jié)奏，自動和弦三大部分組成。本設計基于 QuartusⅡ 開發(fā)平臺 ,采用 VHDL 語言在 FPGA 芯片上成功地實現了電子琴 手動彈奏、自動演奏和 動態(tài)錄音與回放功能 。要實現錄音和回放功能 ,就必須將彈奏的音符值在相應的寫控制信號控制下存儲到 FPGA芯片內部的隨機存儲器 (RAM)中 ,而在相應的讀控制信號控制下 ,將 RAM中存儲的音符值讀出來 ,送給相應的發(fā)聲控制等模塊。 我們 樂曲都是由一連串的音符組成 ,因此按照樂曲的樂譜依次輸出這些音符所對應的頻率 ,就可以在揚聲器上連續(xù)地發(fā)出各個音符的音調。 這是因為某個產品選定某型號 FPGA 芯片，只用了其中一部分資源，還有相當一部分資源閑置沒用；第二，更改樂曲非常方便；第三，可作為 IP core 實現設計重用。 現在，有效的電子設計是將板卡設計、可編程邏輯設計和軟件開發(fā)融合在一起，未來，隨著 FPGA 融合 處理、存儲于一體，板卡設計將融合進可編程邏輯設計中，電子產品設計將演變?yōu)榭删幊踢壿嬙O計和嵌入式軟件設計，那時，電子設計將更體現一種“軟”設計，一種通過開發(fā)語言和工具實現的設計，而 FPGA 將成為這種“軟”設計的載體，以 FPGA 形式存在的低成本、大規(guī)模可編程器件可以隨時隨地獲得，這使設計者有可能將所有系統(tǒng)核心功能都轉移到軟設計中，并利用這種設計的優(yōu)勢 ，可完成各種電子設計，并且在資金投入可以大大減少 。集成電路出現以后，一些分立器件被集成到一 塊 芯片上，但是總的設計思路沒有變化，還是要在一個 PCB 板上通過無源器件和 IC 搭建出一個物理平臺，實現信號的接收、處理和輸出。 總的來說貫穿電子設計的統(tǒng)一思路是：使用印刷電路板上的分立、現成元件、連接器或 IC 創(chuàng)建物理平臺實現所需要的功能。 文中敘述了利用 VHDL 設計的電子琴演奏系統(tǒng)的設計思路和分模塊實現的方法，詳細介紹了各模塊的設計方法。三個模塊 電路 的有機組合完成了電子琴 手動彈奏與自動演奏 ，錄音回放 的功能。 文中敘述了電子琴的設計原理 和分 模 塊 電路 的實現 方法，介紹各模塊的設計及模塊之間的連接組合方法， 并在基于 FPGA 技術描述語言 VHDL 語言的 在 Altera 公 司 cyclone 系列的 EP1C3T100CN8 芯片上編程 下載， 實現 功能 . 電子琴系統(tǒng)的設計包含三個 主模塊 電路 ,分別是鍵盤控制輸入電路、 FPGA 開發(fā)板主板 電路 、揚聲器 和數碼管顯示 電路。電子琴的基本原理是產生各個音符對應的頻率 ，將內部頻率分頻后音頻送到蜂鳴器發(fā)出音響。當按下手動彈奏鍵時，按下音符鍵后就選通相應的頻率輸出，若同時打開錄音開關，可將所奏音樂記錄下來，然后在關掉錄音開關后，按下回放鍵可實現演奏音樂回放；按下自動演奏鍵時，存儲器里事先編寫好的音符信息被依次取出，去選通各個頻率輸出，實現自動奏樂。 設計內容與 要求 （ 1）設計內容： 1） 繪制電子琴的系統(tǒng)框圖，確定設計方案； 2） 了解電路所需芯片的功能、參數和工作原理； 3） 采用 protel 完成電子琴的原理圖繪制； 4） 采用 VHDL 語言和原理圖輸入完成軟件設計； 5） 采用 QuartusII 軟件完成編譯、仿真、下載； 6） 完成電子琴的硬件設計與制作； 7） 調試并實現電子琴功能。 ` 基于 FPGA 多功能 電子琴的設計 （畢業(yè)論文） 二〇一 三 年 十二 月專業(yè)（系） 電氣工程系 班 級 智能電子 092 學生姓名 指導老師 設計任務書 一 、 課題名稱：基于 FPGA 的多功能電子琴設計 二 、 指導老師： 三 、 設計內容與要求 課題概述 本課題擬采用 FPGA 器件設計一個電子琴，具有手動彈奏與自動演奏兩種功能，其中手動彈奏時還支持錄音回放。該設計具有集成度高、性能穩(wěn)定可靠、保密性高、支持樂曲更新等特點，具有很好的趣味性和實用性，旨在提高學生的小型電子產品設計和開發(fā)能力及 EDA 技術的應用能力。 （ 2）設計功能要求： 設計一個電子琴，支持手動彈奏、自動演奏、彈奏回放等功能，具體要求如下： 可通過 8 個音符鍵產生 8 個頻率（還可擴展），對應 8 個音符（中音 1， 2,3， 4,5,6,7和高音 1） ，這些頻率輸出經放大后驅動喇叭，發(fā)出聲音。 畢業(yè)設計（論文） Ⅰ 摘 要 電子琴 系統(tǒng)應用 FPGA 器件， 在 QUARTUSⅡ 軟 件進行 VHDL 編程， 實現樂曲的演奏 功能 。該電子琴包括手動彈奏、 自動演奏 和錄音回放三種功 能。其中 FPGA 模塊的設計是整個電子琴系統(tǒng)設計的核心內容。本產品的特點是成本較低，性能穩(wěn)定，精度高，有一定的 開發(fā)價值。 關鍵詞 ： FPGA ； 電子琴 ； VHDL； QUARTUSⅡ 畢業(yè)設計（論文） Ⅱ Abstract An electronic piano is designed based on FPGA, which consists of core parts that designed by using V