简易电子琴实训总结报告.doc

《基于FPGA数字系统设计》项目设计文档

项目名称: 基于VHDL简易电子琴

姓 名：
院 系：
专 业：
学 号：
指引教师：

完毕时间： 年 6月20日

基于FPGA数字系统设计项目成绩评价表
设计题目
基于VHDL简易电子琴
设计规定

1) 设计一种简易电子琴；
2) 运用实验箱脉冲源产生1，2，3，。。。共7个或14个音阶信号；
3) 用批示灯显示节拍；
4) *能产生颤音效果。
设计过程
采用现场可编程逻辑器件（FPGA）制作，运用EDA软件中VHDL硬件描述语言编程进行控制，然后烧制实现。
采用是现场可编程逻辑器件来实现，它长处是所有电路集成在一块芯片上，此方案所需外围电路简朴,这样它体积就减少了，同步还提高了系统稳定度。
由设计者把编好 VHDL程序烧制到现场可编程逻辑器件FPGA中,然后通过控制输入电路把乐谱输入到FPGA,产生不同频率驱动扬声器,发出不同乐谱。同步也把发出乐谱符号通过显示屏输出。
项目设计成绩评价
评价项目
指 标
满分
评分
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满完毕了规定任务，难易限度和工作量符合教学规定，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与她人合伙。
30

课程设计质量
项目设计系统架构合理，设计过程简洁对的，分析问题思路清晰，构造严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备对的。
40

创新
工作中有创新意识，对前人工作有某些改进或有一定应用价值。
15

答辩
能对的回答指引教师所提出问题。
15

综合成绩级别

指引教师： 年 月 日

目 录
1 项目名称、内容与规定 ………………………………………4页
1.1 设计内容…………………………………………………4页
1.2 详细规定…………………………………………………4页

2 系统整体架构（Architecture Description）………………4页
2.1 设计思路…………………………………………………4页
2.2 系统原理（包括：框图等阐述）与设计阐明等内容…4页
2.3 创新点与原创性内容……………………………………5页

3 系统设计 (含HDL或原理图输入设计)………………………5页
注：此某些包括重要逻辑单元、模块、源代码等内容
3.1 HDL 代码…………………………………………………5页
3.2 系统整体电路图（或RTL级电路图）…………………7页

4 系统仿真（Simulation Waveform）…………………………7页

5 FPGA实现（FPGA Implementation）………………………9页

6 总结（Closing） ……………………………………………10页
参照书目（Reference）：…………………………………………11页
附录（Appendix）：………………………………………………12页

1、 项目名称、内容与规定
1.1 设计内容：
设计一种简易八音符电子琴，它可通过按键输入来控制音响。
1.2 详细规定：
1、设计一种简易电子琴；
2、运用实验箱脉冲源产生1，2，3，。。。共7个或14个音阶信号；
3、用批示灯显示节拍；
4、*能产生颤音效果。

2、系统整体架构
2.1 设计思路
本课程设计目在于灵活运用EDA技术编程实现一种简易电子琴，它规定在实验箱上构造一种电子琴电路，不同音阶相应不同频率正弦波。按下每个代表不同音阶按键时，可以发出相应频率声音
2.2 系统原理
采用现场可编程逻辑器件（FPGA）制作，运用EDA软件中VHDL硬件描述语言编程进行控制，然后烧制实现。采用FPGA来设计原理图如图1.1所示。它由控制输入电路、FPGA、显示电路和扬声器电路构成。
扬声电路
显示电路
FPGA
控制输入电路

图1.1 采用FPGA设计电子琴原理方框图
控制输入电路重要是为顾客设计,起到一种输入控制作用。FPGA是现场可编程逻辑器件，也是本设计方案核心内容，它是实现电子琴运作重要控制模块。由设计者把编好 VHDL程序烧制到现场可编程逻辑器件FPGA中,然后通过控制输入电路把乐谱输入到FPGA,产生不同频率驱动扬声器,发出不同乐谱。同步也把发出乐谱符号通过显示屏输出。
2.3 创新点与原创性内容
对于电子琴设计,诸多方案均可以实现,但是采用数字逻辑电路来制作话电路硬件所需器材多,体积庞大,比较复杂,并且精度和稳定度都不是很高。如果采用是现场可编程逻辑器件来实现，它长处是所有电路集成在一块芯片上，此方案所需外围电路简朴,这样它体积就减少了，同步还提高了系统稳定度。还可以用Modelsim XE 5.3d软件进行仿真和调试等。设计人员可以充分运用VHDL硬件描述语言以便编程，提高开发效率，缩短研发周期，减少研发成本；并且易于进行功能扩展，实现办法灵活，调试以便，修改容易。。因而,电子琴设计咱们选取采用现场可编程逻辑器件（FPGA）制作来实现。

3 系统设计
3.1 HDL 代码
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity speakera is
port( clk ：in std_logic; --时钟输入
index:in std_logic_vector( 6 downto 0); -- 按键输入
spks：out std_logic); --扬声器输出
end;

architecture one of speakera is
signal preclk,fullspks :std_logic；
signal tone：std_logic_vector( 10 downto 0);
begin
search ：process (index)
begin
case index is
when "0000001" => tone <= ""；
when "0000010" => tone <= ""；
when "0000100" => tone <= ""；
when "0001000" => tone <= ""；
when "0010000" => tone <= "";
when "0100000" => tone <= ""；
when "1000000" => tone <= ""；
when others => tone <= "";
end case;
end process;

divdeclk :process(clk)
variable count4 :std_logic_vector( 3 downto 0);
begin
preclk <= '0';
if count4 > 11 then preclk <= '1'；count4 :="0000";
elsif clk'event and clk='1' then count4 := count4 + 1;
end if;
end process;

genspks ：process(preclk,tone)
variable count11 ：std_logic_vector( 10 downto 0);
begin
if preclk'event and preclk = '1' then
if count11 =16#7ff# then count11 := tone;fullspks <= '1';
else count11 := count11 + 1;fullspks <= '0';
end if;
end if;
end process;

dealyspks ：process( fullspks)
variable count2 ：std_logic;
begin
if fullspks'event and fullspks = '1' then count2 := not count2;
if count2 = '1' then spks <= '1';
else spks <= '0';
end if;
end if;
end process;
end;
3.2 系统整体电路图

4 系统仿真（Simulation Waveform）

功能仿真：

时序仿真：

5 FPGA实现
数控分频模块目是对基准脉冲分频，得到1,2,3,4,5,6,7，七个音符相应频率。该模块VHDL描述中涉及了三个模块，一方面对12MHz基准脉冲进行再次分频，得到便是所需要频率。
实验箱：

实验操作内容及环节：
1、打开QuartusⅡ，创立工程
一方面建立一种QuartusⅡ工程，指定工作目录、工程名称、顶层设计实体名称、目的器件系列、工具设立等。环节如下：
（1） 选取“开始”—>“程序”—>Altera—> QuartusⅡ
（2） 选取File—>New Project Wizard 界面，单击Next按钮，进入工程名称设定、工程目录选取。
（3） 在对话框中，指定工程存储目录、工程名和顶层实体名，工程名和顶层实体名规定相似，工程目录可以随意设立，但必要是英文目录，单击Next按钮。
（4） 顾客指定目的器件，依照开发板所有效期间来选取，单击Next按钮。
（5） 新建一种VHDL语言。
（6） 把程序代码输入，编译、运营程序，单击processing—>start comilation，运营程序。
2.引脚分派
（1）单击assignments—>timing analysis setting进行引脚分派
（2）直接导入引脚分派，单击assignments—>import assignments
（3）引脚分派完毕
3．产生波形图
（1）创立波形文献，单击File—>other files—>vector waveform file
（2）点击空白处，点开INSERT->insert node,再点击—>node finder—>list,把元器件添加进去，得到其仿真波形图
系统整体组装图：

6 总结（Closing）
通过两个周学习，最后完毕了我设计任务——基于VHDL语言简易电子琴设计。通过本次课程设计学习，我对数据库软件EDA技术、VHDL、等系列知识均有了一定理解。使用EDA技术开发页面能力也有了很大提高。
我深深体会到设计课重要性和目性所在。本次设计课不但仅培养了咱们实际操作能力，也培养了咱们灵活运用课本知识，理论联系实际，独立自主进行设计能力。它不但仅是一种学习新知识新办法好机会，同步也是对我所学知识一次综合检查和复习，使我明白了自己缺陷所在，从而查漏补缺。
在设计中规定咱们要有耐心和毅力，还要细心，稍有不慎一种小小错误就会导致成果不对的，而对错误检查规定我要有足够耐心，通过这次设计和设计中遇到问题，也积累了一定经验。用VHDL硬件描述语言形式来进行数字系统设计以便灵活，运用EDA软件进行编译优化仿真极大地减少了电路设计时间和也许发生错误，减少了开发成本，这种设计办法必将在将来数字系统设计中发挥越来越重要作用。VHDL设计核心是电路逻辑设计，而一种程序核心是总体设计。对于硬件设计接触不多咱们清晰这一点也许不无好处。
设计工作此课程设计从构思到最后完毕这两个周内，周边诸多同窗和朋友予以了我善意协助，尚有教师同窗们对我不厌其烦指引，使我对此类课程设计设计流程以及脊髓有了很深理解，通过你们协助，我把从计算机构成原理这门课上学到理论第一次用到了实际设计上。在此，我深深表达感谢。

参照书目（Reference）：
[1] 张肃文,.EDA技术与VHDL语言.北京:清华大学出版社
[2] 张亦华,延明. 数字电路EDA入门.北京:北京邮电大学出版社
[3] 《VHDL 程序设计》(第二版). 曾繁泰等. 清华大学出版社
[4]《VHDL与数字电路设计》.卢毅, 赖杰. 科学出版社
[5]《EDA技术与实验》陈强

附录（Appendix）：
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity speakera is
port( clk ：in std_logic; --时钟输入
index:in std_logic_vector( 6 downto 0); -- 按键输入
spks：out std_logic); --扬声器输出
end;

architecture one of speakera is
signal preclk,fullspks :std_logic；
signal tone：std_logic_vector( 10 downto 0);
begin
search ：process (index)
begin
case index is
when "0000001" => tone <= ""；
when "0000010" => tone <= ""；
when "0000100" => tone <= ""；
when "0001000" => tone <= ""；
when "0010000" => tone <= "";
when "0100000" => tone <= ""；
when "1000000" => tone <= ""；
when others => tone <= "";
end case;
end process;

divdeclk :process(clk)
variable count4 :std_logic_vector( 3 downto 0);
begin
preclk <= '0';
if count4 > 11 then preclk <= '1'；count4 :="0000";
elsif clk'event and clk='1' then count4 := count4 + 1;
end if;
end process;

genspks ：process(preclk,tone)
variable count11 ：std_logic_vector( 10 downto 0);
begin
if preclk'event and preclk = '1' then
if count11 =16#7ff# then count11 := tone;fullspks <= '1';
else count11 := count11 + 1;fullspks <= '0';
end if;
end if;
end process;

dealyspks ：process( fullspks)
variable count2 ：std_logic;
begin
if fullspks'event and fullspks = '1' then count2 := not count2;
if count2 = '1' then spks <= '1';
else spks <= '0';
end if;
end if;
end process;
end;