【正文】 ... 10 致謝 .................................................................... 11 參考文獻 ................................................................ 11 1 基于 FPGA 的電腦鍵盤琴的設(shè)計 通信工程 專業(yè) 學(xué) 生 汪文順 指導(dǎo)教師 周子力 摘要 ： 通過 FPGA 技術(shù)來實現(xiàn)電子琴的設(shè)計， 使用 Verilog HDL 語言 而且采 用電腦鍵盤來控制。首先 FPGA 是一 種新型集成電路 ,具有高速率、標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、多功能、 低耗能、 可無限反復(fù)編程等特點，使用 FPGA 可在較短的時間內(nèi)完成一個電子系統(tǒng)的設(shè)計和 制作，縮短了研制周期，達到快速 上市和進一步降低成本的要求。他們對電腦鍵盤熟悉度遠(yuǎn)超過電子琴黑白鍵， 這就為用電腦鍵盤控制的電子琴的推廣打下了良好的基礎(chǔ)。 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(xì)論述了 電子琴 的設(shè)計過程及關(guān)鍵技術(shù) 。 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。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。 由于其使用方法簡單，所以備受孩童歡迎。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。 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。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(yuǎn)不如 FPGA。 另一種 基于RC 正弦波振蕩器的電子琴設(shè)計 [7]。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。 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。 3） FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I/O引腳。 5) FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。綜上所述采用 FPGA 來完成此次的電子琴設(shè)計。 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) 。 EXCD1開發(fā)板含有 PS2接口， 可以 方便的 接入 電 腦鍵盤。 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(fù)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。 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。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。 Configurable Logic Block是 FPGA具有可編程能力的主要承擔(dān)者。 Input/Output Block分布在 FPGA的周邊，也具有可編程特性，可以配置支持各種不同的接口標(biāo)準(zhǔn)，如 LVTTL、 LVCMOS、 PCI和 LVDS等。在大規(guī)模設(shè)計選擇 FPGA時， RAM資源是否夠用是重要的考慮因素。布線資源在 FPGA內(nèi)部占用硅片面積很大，為 FPGA部件提供靈活可配的連接； DCM模塊提供各種時鐘資源，包括多種分頻、移相后的時鐘； Multiplier為 18bit 18bit硬件乘法器，可以在一個時鐘周期內(nèi)完成乘法運算。在這些 年的發(fā)展過程中，以 FPGA為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術(shù)取得了驚人的發(fā)展：現(xiàn)場可編程邏輯器件從最初的 1200個可利用門，發(fā)展到 90年代的 25萬個可利用門，乃至當(dāng)新世紀(jì)來臨之即，國際上現(xiàn)場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)百萬門的單片 FPGA芯片，將現(xiàn)場可編程器件的集成度提高到一個新的水平。 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，以優(yōu)化的資源更好的滿足用戶的需求，擴大市場。 隨著研發(fā)成本越來越昂貴，產(chǎn)品上市要求越來越快，架構(gòu)要求越來越靈活，在這樣的背景下， FPGA進入人們的視野，迎來自己的黃金時代：它承擔(dān)起信號處理和數(shù)據(jù)運算的重要功能，在無線通訊、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、汽車電子、消費電子、工業(yè)和醫(yī)療電子、圖形處 4 理、高性能運算等幾乎所有的應(yīng)用領(lǐng)域 都可 看到 FPGA的身影。 因此 FPGA的應(yīng)用肯定會越來越廣泛。具體是借助于 專用 軟件用原理圖、 布爾表達式、硬件描述語言等方法生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，最后用 下載電纜 下載到 FPGA 芯片 中來實現(xiàn)功能。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。 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。電子琴電路通過 EXCD1自帶的擴展板接入到 EXCD1板上。把鍵盤的按鍵掃描碼轉(zhuǎn)換為 ASCII碼。 PS2 鍵盤使 用兩種 串行總線（時鐘和數(shù)據(jù)）和主設(shè)備進行通信。鍵盤接口允許雙向的數(shù)據(jù)傳輸（所以主設(shè)備能點亮鍵盤上的狀態(tài)燈） 。 圖 3 PS/2 接口時序 表 1 接口時序的參數(shù) 符號 參數(shù) 最小 最大 Tck 時鐘周期 30us 50us Tsu 數(shù) 據(jù)到時鐘的建立時間 5us 25us Thld 時鐘到數(shù)據(jù)的保持時間 5us 只有當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生的時候，才驅(qū)動時鐘和數(shù)據(jù)信號，否則它們保持空閑狀態(tài)在高電平 。 PS2 類型的鍵盤使用掃描碼來表示按鍵數(shù)據(jù)，每個鍵 分配一個掃 描碼；如果按鍵一直被按下，則掃描碼每隔一段時間就