【正文】 取合適的時(shí)鐘頻率。 5 設(shè)計(jì)的音樂電子琴選取 12MHZ 的系統(tǒng)時(shí)鐘 頻率。由于數(shù)控分頻器輸出的波形是脈寬極窄的脈沖波，為了更好的驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，在到達(dá)揚(yáng)聲器之前需要均衡占空比，從而生成各音符對(duì)應(yīng)頻率的對(duì)稱方波輸出。 因此，分頻系數(shù)的計(jì)算可以按照下面的方法進(jìn)行。各 音名對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)如圖 22 所示： 音名 頻率 /Hz 分頻系數(shù) 音名 頻率 /Hz 分頻系數(shù) 中音 1 523 956 高音 1 1047 478 中音 2 578 865 高音 2 1175 425 中音 3 659 759 高音 3 1319 379 中音 4 698 716 高音 4 1397 358 中音 5 784 668 高音 5 1586 315 中音 6 880 568 高音 6 1760 284 中音 7 988 506 高音 7 1976 253 低音 5 392 1276 低音 6 440 1136 表 22 各音名對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù) 音符的持續(xù)時(shí)間須根據(jù)樂曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)來確定。如果將全音符的持續(xù)時(shí)間設(shè)為 1s的話，那么一拍所應(yīng)該持續(xù)的時(shí)間為 秒，則只需要提供一個(gè) 4HZ 的時(shí)鐘頻率即可產(chǎn)生四分音符的時(shí)長(zhǎng)。如果樂譜中某個(gè)音符為三拍音長(zhǎng)，那又該如何控制呢？其實(shí)只要在 3 個(gè)連續(xù)地址存放該音符，這時(shí) 就會(huì)發(fā)三個(gè) 秒的音長(zhǎng)，即持續(xù)了三拍的時(shí)間，通過這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的操作就可以控制音長(zhǎng)了。在計(jì)數(shù)器值小于分頻系數(shù)值時(shí)，保持分頻的時(shí)鐘信號(hào)不變，當(dāng)計(jì)數(shù)器加到分頻系數(shù)值時(shí)，令分頻時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生跳變，同時(shí)將零設(shè)為此時(shí)的計(jì)數(shù)器值，這樣分頻時(shí)鐘信號(hào)就會(huì)再次發(fā)生跳變。 方法 二 ：使用減法計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的數(shù)值由分頻系數(shù)值向下遞減，在減為零時(shí)跳變并重新賦值，原理與第一種類似。在思索一番后，最終確定了這一個(gè)方案，相比較與以上兩種實(shí)現(xiàn)方法，這種方法的好處在于能夠直接得到占空比為 50%的分頻信號(hào)。由于每輸入一個(gè)信號(hào)，就產(chǎn)生一個(gè)特定的輸出信號(hào)，且每種情況均能羅列，再加上情況總數(shù)（電子琴音調(diào)個(gè)數(shù)）不是很大，故我們使case語句來實(shí)現(xiàn)。我們注意到，分頻模塊需要一個(gè)分頻系數(shù)，而鍵入模塊將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分頻系數(shù)，因此分頻系數(shù)在整個(gè)系統(tǒng)中將既不輸入也不輸出，在例化時(shí)，我們使用一個(gè)信號(hào)與之相連， 這樣它就能在 模塊間傳遞。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 所示 ： 圖 23 音樂電子琴的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 硬件系統(tǒng)主要 由 FPGA 模塊，顯示模塊，按鍵模塊 以及 揚(yáng)聲器電路 組成 。 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) Cyclone II 芯片 簡(jiǎn)介 在 Cyclone I 器件系列非常成功的基礎(chǔ)上 ， Altera 公司 的 Cyclone II 系列擴(kuò)大 了 FPGA 的密度， 最多 可以 達(dá) 到 68416 個(gè)邏輯單元 ， 并且 還 提供 了 622 個(gè)可用 的 輸入 /輸出引腳和 比特的嵌入式寄存器。 Cyclone II 器件 通過使硅片 的 面積最小化， 所以 可以在單芯片上支持復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，而 且 在成本上還 可以和 ASIC 進(jìn)行 競(jìng)爭(zhēng)。 它的 低成本和優(yōu)化特征 使 Cyclone II 系列為 各種各樣的汽車、消費(fèi)、通訊、視頻處理、測(cè)試 以及 測(cè)量、和其他最終市場(chǎng)提供 了 理想的 解決方案 。如圖所示獨(dú)立式 鍵盤電路接口信息 為獨(dú)立的 譯碼電路，譯碼 時(shí) 只對(duì)單鍵輸入進(jìn)行 ，該系統(tǒng)中用到了 16 個(gè)獨(dú)立鍵 。 74LS48 是輸出高電平有效的中規(guī)模集成 BCD 七段顯示譯碼驅(qū)動(dòng)器 ， 74LS48 的輸入端是四位二進(jìn)制信號(hào)(8421BCD 碼 )， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 是七段譯碼器的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào) ， 高電平有 效。 74LS48 簡(jiǎn)圖 32： 圖 32 74LS48 簡(jiǎn)圖 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的流程 本設(shè)計(jì)采用 Altera 公司的 EDA 軟件系統(tǒng) EP2C8Q208C8 來完成。圖 41 為其軟件流程圖： 8 41 系統(tǒng)的流程圖 軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，功能模塊各自獨(dú)立，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中將鍵盤輸入和樂曲存儲(chǔ)放在了一個(gè)自動(dòng)演奏模塊中，軟件設(shè)計(jì)的核心部分是數(shù)控分頻器，鍵盤輸入和樂曲儲(chǔ)存都是提供給它相應(yīng)的分頻比。 設(shè)計(jì)模塊 本系統(tǒng)主要由三個(gè)功能模塊組成： 、 和 。 其原理圖如 42： 9 圖 42 音樂電子琴的系統(tǒng)框圖 自動(dòng)演奏模塊 的作用是產(chǎn)生 8 位發(fā)聲控制輸入 index， handauto 為 0 或 1 時(shí)可以選擇自動(dòng)演奏或者鍵盤輸入，如果 auto 為 0，則而由存儲(chǔ)在此模塊中的 2 位二進(jìn)制數(shù)來作為發(fā)聲控制輸入，由此便可自動(dòng)演奏樂曲。 自動(dòng)演奏模塊如圖 43 所示： 圖 43 自動(dòng)演奏模塊 音階發(fā)生器模塊 音 階 發(fā)生器的作用是產(chǎn)生獲得音階的分頻預(yù)置值。 10 音階發(fā)生器如圖 44 所示： 圖 44 音階發(fā)生器 ．?dāng)?shù)控分頻模塊 數(shù)控分頻模塊的目的是對(duì)基準(zhǔn)脈沖分頻，得到 1,2,3,4,5,6,7 七個(gè)音符對(duì)應(yīng)頻率。首先對(duì) 12MHz 的基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行分頻得到 1MHz 的脈沖，然后按照 tone1 輸入的分頻系數(shù)對(duì) 1MHz 的脈沖再次分頻，得到的便是所需要的頻率。數(shù)控分頻模塊如圖 45 所示： 圖 45 數(shù)控分頻器 第 5 章 軟硬件的系統(tǒng)測(cè)試 把 寫好的 VHDL程序進(jìn)行引腳鎖定，綜合，適配，編程下載， 完成之后 將 FPGA模塊、顯示模塊、按鍵模塊及電源模塊連接好，然后通過 JTAG下載模式在線 將生成的配置文件寫入芯片中 。 通過設(shè)置不同的工作模式，測(cè)試手動(dòng)演奏和自動(dòng)演奏各個(gè)功能，都能正常完成，且有較好音質(zhì) ， 各模式之間的切換也正確無誤。 在設(shè)計(jì) 過程 ，由于對(duì) 音樂 知識(shí)不夠 熟悉， 所以沒有實(shí)現(xiàn)電子琴那么 完美的音樂 。例如在焊接電路時(shí)，由于不夠細(xì)心 ， 把 FPG 的插槽錯(cuò)焊成排針。 11 參考文獻(xiàn) [1] 潘松 黃繼業(yè) .EDA 技術(shù)與 VHDL[M].北京：清華大學(xué) 2021,1 (2):34729 [2] 潘松 黃繼業(yè) . EDA 技術(shù)實(shí)用教程（第三版） [M].北京：科學(xué)出版社， 2021. [3] 求是科技編著 .PLD/FPGA 應(yīng)用開發(fā)技術(shù)與工程實(shí)踐 [M]. 北京：人們郵電出版社， 2021. [4] 黃正謹(jǐn)，徐堅(jiān) ，章小麗等 .CPLD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用【 M】 . 北京：電子工業(yè)出版社 .2021. 致謝 本論文 的 設(shè)計(jì) 是在我的導(dǎo)師 曾老師 的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到 課題的最終完成， 曾 老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。 同時(shí)也要感謝我的同學(xué)，當(dāng)我遇到困難時(shí)他們總會(huì)給予我?guī)椭?正是由于你們的支持，我才能克 服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本 設(shè)計(jì) 的順利完成 。 Select the auto play mode button, storage containers will be writing good music information in general to choose and removed every corresponding frequency output, the realization of automatic instrument. Audio generator frequency device to achieve by points, can produce 16 frequency, these frequencies after enlargement drive horn, can sound. Keywords: FPGA。 VHDL。 Notes 12 附錄： 13 14 存儲(chǔ)模塊 ： LIBRARY IEEE。 USE 。 ENTITY MUSIC IS PORT ( CLK :IN STD_LOGIC。 TONEKEY :IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0)。 TONE_KEY_0 : OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0))。 ARCHITECTURE BEHAVIORAL OF MUSIC IS 15 COMPONENT LAOHU PORT ( CLK :IN STD_LOGIC。 TONE_KEY2:IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0)。 END COMPONENT。 AUTO: IN STD_LOGIC。 TONE_KEY_0: OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0))。 COMPONENT mama PORT ( CLK :IN STD_LOGIC。 TONE_KEY2:IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0)。 END COMPONENT。 AUTO: IN STD_LOGIC。 TONE_KEY_0: OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0))。 COMPONENT MUX21 PORT ( a,b,c,d :IN STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0)。 16 Y: OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0) )。 SIGNAL S1,S2,S3,S4:STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0)。 U1:ABC PORT MAP(CLK=CLK, TONE_KEY2= TONEKEY, TONE_KEY_0=S2,AUTO=HANDTOAUTO)。 U3:lianzhu PORT MAP(CLK=CLK, TONE_KEY2= TONEKEY, TONE_KEY_0=S4,AUTO=HANDTOAUTO)。 END BEHAVIORAL。 USE 。 USE 。 音符輸入信號(hào) TUNE_SEG : out integer range 0 to 15。 高低音顯示信號(hào) TONE0 : OUT INTEGER RANGE 0 TO 2047)。 ARCHITECTURE BEHAVIORAL OF TONE IS BEGIN SEARCH :PROCESS(INDEX) 此進(jìn)程完成音符到音符的分頻系數(shù)譯碼，音符的顯示，高低音階 17 BEGIN CASE INDEX IS WHEN 0000000000000000 = TONE0=2047。HIGH=39。 休止 WHEN 0000000000000001 = TONE0=773。HIGH=39。 WHEN 0000000000000010 = TONE0=912。HIGH=39。 WHEN 0000000000000100 = TONE0=1036。HIGH=39。 WHEN 0000000000001000 = TONE0=1116。HIGH=39。 WHEN 0000000000010000 = TONE0=1197。HIGH=39。 WHEN 0000000000100000 = TONE0=1290。HIGH=39。 WHEN 0000000001000000 = TONE0=1372。HIGH=39。 WHEN 0000000010000000 = TONE0=347。HIGH=39。di 5 WHEN 0000000100000000 = TONE0=1410。HIGH=39。gao yin 1 WHEN 0000001000000000 = TONE0=1480。HIGH=39。gao yin 2 WHEN 0000010000000000 = TONE0=1542。HIGH=39。gao yin 3 WHEN 0000100000000000 = TONE0=1582。HIGH=39。gao yin 4 WHEN 0001000000000000 = TONE0=1662。HIGH=39。gao yin 5 WHEN 0010000000000000 = TONE0=1668。HIGH=39。gao yin 6 WHEN 0100000000000000 = TONE0=1710。HIGH=39。gao yin 7 WHEN 1000000000000000 = TONE0=533。HIGH=39。di 6 WHEN OTHERS = TONE0=2047。HIGH=39。 END CASE。 END BEHAVIORAL。 USE 。 USE 。