基于fpga的简易电子琴设计

基于fpga的简易电子琴设计内容摘要：

87[LRM87]。 1993 年 VHDL 重新修订，形成了新的标准，即 IEEE STD 1076— 1993[LRM93]。 从此以后，美国国防部实施新的技术标准，要求电子系 统开发商的合同文件一律采用 VHDL 文档。 即第一个官方 VHDL 标准得到推广、实施和普及。 它源于美国政府于 1980 年开始启动的超高速集成电路计划 ,VHDL 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。 除了含有许多具有硬件特征的语句外， VHDL 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。 VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可是部分 ,及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。 在对一个设计实体定义了外部 界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。 这种将设计实体分成内外部分的概念是 VHDL系统设计的基本点。 应用 VHDL 进行工程设计的优点是多方面的。 VHDL 的应用必将成为当前以及未来 EDA 解决方案的核心，更是整个电子逻辑系统设计的核心。 VHDL 语言的特点 （ 1） VHDL 具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。 强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 （ 2） VHDL 语句的行为描述能力和程序结构决定 了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。 符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。 皖西学院毕业论文设计 第 13页 共 40页 第 13 页 （ 3） VHDL 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。 （ 4）对于用 VHDL 完成的一个确定的设计，可以利用 EDA 工具进行逻辑综合和优化，并自动的把 VHDL 描述设 VHDL 语言上机操作条件 VHDL 语言描述能力强，覆盖面广，抽象能力强，所以用 VHDL 语言作为硬件模型建模很合适。 设计者的原始 描述是非常简练的硬件描述，经过 EDA 工具综合处理，最终生成付诸生产的电路描述或版图参数描述的工艺文件。 整个过程通过 EDA 工具自动完成，大大减轻了设计人员的工作强度，提高了设计质量，减少了出错机会。 VHDL 语言可读性好。 VHDL 既能被人容易读懂，又能被计算机识别，作为技术人员编写的源文件，它既是计算机程序、技术文档和技术人员硬件信息交流的文件，又是签约双方的合同文件。 VHDL 语言中的设计实体（ Design entity）、程序包（ Package）、设计库（ Library），为设计人员重复利用他人的设计提供了 技术手段。 重复利用他人的 IP 模块和软核（ Soft core）是 VHDL 的特色，许多设计不必个个都从头再来，而是只要在更高层次上把 IP 模块利用起来，就能达到事半功倍的效果。 VHDL 语言可以在多种 EDA 工具设计环境中运行。 硬件平台是工作站或高档微机。 高档微机的配置应该具有： 高分彩显 17 英寸以上，分辨率 1024 768 或更高 硬盘 20GB 以上 内存 512MB 以上 CPU Intel 兼容 CPU 光驱 8 倍速以上 操作系统 Windows XP 开发工具 MAX+plus II 或 Quartus II Candence、 Menter、 ALTERA 等公司的 EDA 工具均支持 VHDL 语言环境 皖西学院毕业论文设计 第 14页 共 40页 第 14 页 VHDL 的设计流程 用 VHDL 语言设计电路的流程 ： 在用 VHDL 语言来设计电路时 ,主要的过程是这样的 ： （ 1） 使用文本编辑器输入设计源文件。 （ 2） 使用编译工具编译源文件。 VHDL 的编译器有很多， ACTIVE 公司，MODELSIM 公司， SYNPLICITY 公司， SYNOPSYS 公司， VERIBEST 公司等都有自己的编译器。 （ 3） 功能仿真。 对于某些人而言，仿真这一步似乎 是可有可无的。 但是对于一个可靠的设计而言，任何设计最好都进行仿真，以保证设计的可靠性。 另外，对于作为一个独立的设计项目而言，仿真文件的提供足可以证明你设计的完整性。 （ 4） 综合。 综合的目的是在于将设计的源文件由语言转换为实际的电路。 这一部 分 的最终目的是生成门电路级的网表（ Netlist）。 （ 5） 布局、布线。 这一步的目的是生成用于烧写的编程文件。 在这一步，将用到第 （ 4） 步生成的网表并根据 CPLD/FPG 厂商的器件容量，结构等进行布局、布线。 这就好像在设计 PCB 时的布局布线一样。 先将各个设计中的门根据网表的 内容和器件的结构放在器件的特定部位。 然后，在根据网表中提供的各门的连接，把各个门的输入输出连接起来。 （ 6） 后仿真。 这一步主要是为了确定你的设计在经过布局布线之后，是不是还满足你的设计要求。 3 乐理知识 音频就是一个专业术语，人们 能够听到的所有 的 声音都 可以 称之为音频，它可能包括处理；如果 把它制作成 CD，这时候所有的声音 都不会有 改变 了 ，因为 CD 本来就是音频文件的一个种类。 音频只是储存在计算机里的声音 ， 如果 现在 有 一台 计算机再加上相应的音频卡 —— 就是我们说的声卡 ， 这样一来我们把我们想放的声音录制下 了 ，声音的声学特性 像是 音的高低 是 可以用计算机硬盘文件的方式 把它们 储存下来 的 ； 反过来，我们也可以把储存 在 计算机硬盘文件 的音频文件用一定的音频程序播放，还原以前录下的声音。 皖西学院毕业论文设计 第 15页 共 40页 第 15 页 音频 音频的数字化处理 随着计算机 科学 技术的发展，特别是海量存储设备和大容量内存在ＰＣ机上的 运用，对音频 进行数字化处理便成为 了 可能 了。 数字化处理的核心 就 是对音频信息的采样，通过对采集到的样本 数据 进行 处理 ， 得到所需要的相应数据，这是音频 数字化处理的基本含义。 音频 的 处理 不同采样率、频率 、通道数之间的变换和转换。 而变换就是信息的一种格式转化成可利用的格式 ， 转化就离不开采样了 ， 有时候还要 根据 精确度的 需要采用 一些 算法 （如插值） 以补偿 转化中的 失真 现象。 现在有 淡入、淡出、音量调节等 方法是针对音频数据本身进行的各种变换的。 而 高通、低通滤波器 是 通过数字滤波算法进行的变换。 音乐产生原理及硬件设计由于一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时 /计数器来产生这样方 波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。 本次设计中单片机晶振为 12MHZ，那么定时器的计数周期为 1MHZ，假如选择工作方式 1，那 T值便为 T= 2165﹡ 105/相应的频率 ，那么根据不同的频率计算出应该赋给定时器的计数值。 那么根据不同的频率计算出应该赋给定时器的计数值，列出不同音符与单片机计数 T0相关的计数值如下表所示： 音符 频率（ HZ） 简谱码（ T 值） 中 1 DO 523 64580 中 2 RE 587 64684 中 3 M 659 64777 中 4 FA 698 64820 皖西学院毕业论文设计 第 16页 共 40页 第 16 页 中 5 SO 784 64898 中 6 LA 880 64968 中 7 SI 988 65030 采用查表程序进行查表时，可以为这个音符建立一个表格，有助于单片机通过查表的方式来获得相应的数据： TABLE DW 64580， 64684， 64777， 64820， 64898， 64968， 65030 音频 的三维化处理 长期以来，计算机的研究者们一直低估了声音对人类在信息处理中的作用。 当虚拟技术不断发展之时，人们就不再满足单调平面的声音，而更催向于具有空间感的 三维声音效果。 听觉通道可以与视觉通道同时工作，所以声音的三维化处理不仅可以表达出声音的空间信息，而且与视觉信息的多通道的结合可以创造出极为逼真的虚拟空间，这在未来的多媒体系统中是极为重要的。 这也是在媒体处理方面的重要措施。 人类感知声源的位置的最基本的理论是双工理论，这种理论基于两种因素：两耳间声音的到达时间差和两耳间声音的强度差。 时间差是由于距离的原因造成，当声音从正面传来，距离相等，所以没有时间差，但若偏右三度则到达右耳的时间就要比左耳约少三十微秒，而正是这三十微秒，使得我们辨别出了声源的位置。 强 度差是由于信号的衰减造成，信号的衰减是因为距离而自然产生的，或是因为人的头部遮挡，使声音衰减，产生了强度的差别，使得靠近声源一侧的耳朵听到的声音强度要大于另一耳。 基于双工理论，同样地，只要把一个普通的双声道音频在两个声道之间进行相互混合，便可以使普通双声道声音听起来具有三维音场的效果。 这涉及到以下有关音场的两个概念：音场的宽度和深度。 音场的宽度利用时间差的原理完成，由于现在是对普通立体声音频进行扩展，所以音源的位置始终在音场的中间不变，这样就简化了我们的工作。 要处理的就只有把两个声道的声音进 行适当的延时和强度减弱后相互混合。 由于这样的扩展是有局限性的，即延时不能太长，否则就会变为回音。 音场的深度利用强度差的原理完成，具体的表现形式是回声．音场越皖西学院毕业论文设计 第 17页 共 40页 第 17 页 深，则回音的延时就越长．所以在回音的设置中应至少提供三个参数：回音的衰减率、回音的深度和回音之间的延时。 同时，还应该提供用于设置另一通道混进来的声音深度的多少的选项。 音频是个专业术语，人类能够听到的所有声音都称之为音频，它可能包括 噪音 等。 声音被录制下来以后，无论是说话声、歌声、 乐器 都可以通过数字音乐软件处理，或是把它制作成 CD，这时候所有的声音 没有改变，因为 CD 本来就是音频文件的一种类型。 而音频只是储存在计算机里的声音。 如果有计算机再加上相应的音频卡 —— 就是我们经常说的声卡，我们可以把所有的声音录制下来，声音的声学特性如音的高低等都可以用计算机 硬盘 文件的方式储存下来。 反过来，我们也可以把储存下来的音频文件用一定的音频程序播放，还原以前录下的声音。 节拍及音符 在音乐中，时间被分成均等的基本单位，每个单位叫做一个“拍子”或 称一拍。 拍子的时值是以音符的时值来表示的，一拍的时值可以是四分音符（即以四分音符为一拍），也可以是二分音符 （以二分音符为一拍）或八分音符（以八分音符为一拍）。 拍子的时值是一个相对的时间概念，比如当乐 曲的规定速度为每分钟 60 拍时，每拍占用的时间是一秒，半拍是二分之一 秒；当规定速度为每分钟 120 拍时，每拍的时间是半秒，半拍就是四分之一 秒，依此类推。 拍子的基本时值确定之后，各种时值的音符就与拍子联系在一起。 例如，当以四分音符为一拍时，一个全音符相当于四拍，一个二分音符相当于两拍， 八分音符相当于半拍，十六分音符相当于四分之一拍；如果以八分音符做为 一拍，则全音符相当于八拍，二分音符是四拍，四分音符是两拍 ，十六分音 符是半拍。 小节中强拍和弱拍的循环称 2拍子；强拍、弱拍、弱拍循环的称 3拍子。 表示每小节中基本单位拍的时值和数量的记号，称拍号。 拍号的上方数字表示每小节的拍数，下方数字表示每拍的时值。 例如， 2/4表示以 4分音符为 1拍，每小节有 2拍。 拍号中时值的实际时间，应视乐曲所标速度而定。 例如快速度 2/2中的 2分音符就可能比慢速度 4/4中的 4分音符占时更短，因皖西学院毕业论文设计 第 18页 共 40页 第 18 页 此不能视为 3/4比 3/2快， 3/8比 3/4更快。 每小节只有一个强拍的叫做单拍子，如 2/ 2/8是单 2拍子， 3/ 3/8是单 3拍子。 每小节有 一个强拍并有次强拍的叫做复拍子 ,因为它可被看作是单拍子的组合 ,如 4/ 6/8是复 2拍子， 9/ 9/16是复 3拍子。 还有另一种划分单、复拍子的方法 ,即 :每拍是单音符 (如□或□ )的叫做单拍子。 每拍是附点音符（如□ .或□ .）的叫做复拍子。 根据这种拍子划分法， 4/4/ 4/8等是单 4拍子， 12/ 12/ 12/16等是复 4拍子。 单位拍时值相同而拍数不同的单拍子组合在一小节内 ,叫做混合拍子。 常见的有： 5拍子（如5/4是由 2/4＋ 3/4或 3/4＋ 2/4组合而。