【正文】 需要經(jīng)過專門的學(xué)習(xí)，對于專業(yè)人員的演奏和創(chuàng)作能力都有很高的要求。但是它存在的價值并不在于要取代傳統(tǒng)樂器，而是有自己的方向，為了讓人們更好地駕馭音樂、享受藝術(shù)、陶冶情操、豐富生活。它不很強調(diào) 自動和弦，而提倡每一個樂音音符都是演奏者現(xiàn)場彈奏，難度非常大。電子管風(fēng)琴的音樂節(jié)奏非常好，以至于可以自由編輯制作。這種琴才是電子琴誕生是本來的樣子。事實上，還有專業(yè)型的電子琴：基于 FPGA的樂曲演奏電路的設(shè)計 2 2 立式，上面兩排手鍵盤，下面一排大號的雙腳掌或和腳跟彈的鍵盤，還有一兩個踏板和一個膝蓋靠墊。但電子琴的局限性也十分明顯：旋律與和聲缺乏音量變化，過于協(xié)和、單一；在 模仿各類管、弦樂器時，音色還不夠逼真，模仿提琴類樂器的音色時，失真度更大，還需要不斷改進。另外，電子琴還安裝有混響、回聲、延長音、震音和顫音等多項功能裝置，表達各種情緒時運用自如。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(fēng)雨聲，宇宙聲等）。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 電子琴屬于電子樂器，發(fā)音音量可以自由調(diào)節(jié) 。本文采用 ALTERA 公司生產(chǎn)的最具性價比的 cyclone 系列 FPGA，利用 VHDL語言來實現(xiàn)電子琴的設(shè)計。 電子琴價格合理，功能強大而且結(jié)構(gòu)簡單，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。按下鍵盤的一支鍵，就等于接通一只開關(guān)，只允許某一種頻率的信號通過到放大器里去，揚聲器就發(fā)出一個音來。 振蕩器是根據(jù)需要產(chǎn)生一定頻率的振蕩信號，振蕩信號通過分頻器分解成不同頻率的信號輸送到放大器，放大器將信號放大，推動揚聲器發(fā)出聲音。鍵盤式電子琴聲音豐富、優(yōu)美，有變音裝置，能發(fā)出多種不同的音色 ，可以作為獨特的樂器進行演奏，還能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)琴、鋼琴供音樂課教學(xué)?；?FPGA的樂曲演奏電路的設(shè)計 1 1 1 引言 選題的背景 電子琴的結(jié)構(gòu)較為簡單，音源是由晶體管產(chǎn)生的電振動，并通過音色回路而產(chǎn)生各種音色；同時由周波調(diào)制產(chǎn)生顫音效果，由振幅調(diào)制產(chǎn)生各種樂器的音效。電子琴的外形很像普通鍵盤樂器，只是某些種類多一排腳踏鍵盤，而且手觸鍵盤也往往分為兩層。 傳統(tǒng)樂器的聲音是通過機械的方法產(chǎn)生的，電子琴的聲音是用“電”產(chǎn)生的。鍵盤實際是一些開關(guān)，如果沒有鍵盤，許多種頻率的信號一齊進到放大器里，通過揚聲器發(fā)出的聲音就會亂七八糟，不成音樂。這樣，按照一定的演奏規(guī)律來按鍵 ，就能奏出美妙的音樂來。而作為專用集成電路 (ASIC)概念上的一個新型范疇和門類， FPGA 以其自上至下的設(shè)計方法，功耗小，能夠現(xiàn)場編程和反復(fù)改寫的新穎功能，體現(xiàn)出了十分誘人的應(yīng)用前景。整個設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計思路，實現(xiàn)了用鍵盤演奏樂曲、音樂自動播放、音符的顯示及高低音的顯示。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。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。電子琴是電聲樂隊的中堅力量，常用于獨奏主旋律并伴以豐富的和聲還常作為獨奏樂器出現(xiàn)，具有鮮明時代特色。常 見的電子琴是普及型的，或業(yè)余型的。學(xué)名電子管風(fēng)琴，在亞洲常稱為雙排鍵電子琴。起源于管風(fēng)琴。它的觸鍵除了人們常知道的力度鍵之外（觸前），還有觸后感應(yīng)（彈下去之后再壓鍵盤音量變大）和水平觸鍵感應(yīng)（像 “ 揉弦 ” ）。它的效果很震撼，大部分人們，甚至包括不少電子管風(fēng)琴學(xué)習(xí)者，都可能聽不出一首樂曲到底是樂隊演奏還是一架電子琴演奏。這也是一切樂器的一個目的。只是由于它目前比較貴，所以還不普及。 雙排鍵電子琴學(xué)名電子管風(fēng)琴，因演奏方式與管風(fēng)琴相似而得名。 聽上去豐富復(fù)雜的音樂， 每一個音符卻都是演奏者現(xiàn)場彈奏出來的。它的鍵盤十分敏感， 有觸前感應(yīng)，觸后感應(yīng)和水平觸鍵感應(yīng)等多種參數(shù)。 雖然雙排鍵在中國發(fā)展起步較晚，但它以卓越的演奏效果以及豐富的音樂表現(xiàn)力 正被越來越多的人們熟 知并喜愛。一片 FPGA 芯片就可以實現(xiàn)數(shù)百片甚至更多個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路所實現(xiàn)的系統(tǒng)。其速度快，功耗低，通用性強，特別適用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計。 現(xiàn)場可編程邏輯器件 (FPGA)至今， FPGA 已經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展歷史。目前， FPGA的主要發(fā)展動向是：隨著大規(guī)模現(xiàn)場可編程邏輯器件的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計進入“片基于 FPGA的樂曲演奏電路的設(shè)計 3 3 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；國際各大公司都在積極擴充其 IP 庫，優(yōu)化的資源更好的滿足用戶的需求，以擴大市場；特別是引人注目的所謂 FPGA 動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的開拓，將推動數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計觀念的巨大轉(zhuǎn)變。 軟件系統(tǒng)程序可以劃分為以下幾個模塊：分頻器模塊、音符存儲電路模塊、琴鍵音符查表電路模塊和音符頻率查表電路模塊及驅(qū)動頻率產(chǎn)生電路模塊等。這兩個流程可以通過音樂自動播放開關(guān)按鍵來實現(xiàn)切換。如果音樂自動播放開關(guān)按鍵關(guān)閉，則 FPGA等待琴鍵信號，待琴鍵信號發(fā)出后， FPGA就根據(jù)琴鍵信號輸出相應(yīng)的頻率信號以及驅(qū)動顯示模塊的信號；如果音樂自動播放開關(guān)按鍵打開，則 FPGA開始自動查找樂曲梁祝的樂譜，然后產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號以及顯示信號。這樣，音樂就自然的演奏出來了，音符也得到了顯示。FPGA 發(fā)展歷程和本課題設(shè)計所需要完成的內(nèi)容 。簡化的 FPGA基本由 6部分組成 :可編程輸入 /輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊 RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核。 FPGA的基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示 .FPGA采用了邏輯單元陣 列 LCA這樣一個新概念，內(nèi)部一般是由可配置邏輯模塊 CLB、可編程輸入 /輸出模塊 IOB和互連資源 ICR及一個用于存放編程數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲器 SRAM組成。可編程互連資源分布在 CLB的空隙，互連資源可以編程配置在模塊之間傳遞的信號網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)各個 CLB之間、 CLB與 IOB之間以及全局信號與 CLB和 IOB之間的連接。程基于 FPGA的樂曲演奏電路的設(shè)計 4 4 序控制多路復(fù)用器實現(xiàn)其 功能選擇。 FPGA的特點， FPGA繼承了 ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點，又克服了普通 ASIC設(shè)計周期長、投資大、靈活性差的缺點，逐步成為復(fù)雜數(shù)字硬件電路設(shè)計的理想首選。在不改變外圍電路的情況下，設(shè)計不同的內(nèi)部邏輯即可實現(xiàn)不同的電路功能；開發(fā)工具智能化，功能強大。 FPGA的開發(fā)流程，一般來說，完整的 FPGA設(shè)計流程包括電路設(shè)計與輸入、功能仿真、綜合、后仿真、實現(xiàn)、布線后仿真與驗證和下板調(diào)試等主要步驟。在 ISE中對應(yīng)的工具使用 iMPACT。 硬件描述語言 VHDL VHDL語言是隨著集成電路系統(tǒng)化和高度集成化的逐步發(fā)展而發(fā)展起來的，是一種用于數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計和測試方法的描述語言。并利用 EDA工具進行設(shè)計驗證。 VHDL語言的主要優(yōu)點是 :覆蓋面廣、描述能力強，是一個多層次的硬件描述語言 。移植性很強，設(shè)計描述可以被不同的工具支持，同一個 VHDL設(shè)計描述可以在不同的設(shè)計中采用 。 VHDL語言基于 FPGA的樂曲演奏電路的設(shè)計 6 6 的不足 :設(shè)計的最終實現(xiàn)取決于針對目標(biāo)器件的編程器，工具的不同導(dǎo)致綜合質(zhì)量不一樣。 VHDL語言的語法和其它的高級語言大致一樣，但由于要實現(xiàn)實際的電路描述，故又有其本身特殊之處，其中最重要的就是電路之間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和互聯(lián)信號的并發(fā)性，故 VHDL的基本描述可分為順序描述語句和并行描述語句，順序語句用來實現(xiàn)模型的算法，并行語句則用來體現(xiàn)各模型算法之間的連接關(guān)系，實現(xiàn)互聯(lián)信號描述的并發(fā)性。 結(jié)構(gòu) 體 (ARCHITECTUREBODY):所有能被仿真的實體都有一個結(jié)構(gòu)體描述，結(jié)構(gòu)體描述主要用來描述實體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即描述一個實體的功能。 VHDL三種描述方式：行為描述，結(jié)構(gòu)描述，寄存器傳輸級描述 RTL描述 (也稱為數(shù)據(jù)流描述 )。 Quartus II 簡介 Quartus II 是 Altera 公司的綜合性 PLD 開發(fā)軟件，支持原理圖、 VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL（ Altera Hardware Descriptio