基于FPGA的简易电子琴设计
FPGA设计简易电子琴
简易电子琴电路设计一、设计要求：(1) 设计一个简易电子琴。
(2) 利用实验箱的脉冲源产生1，2，3，……共7 个或14 个音阶信号。
(3) 用指示灯显示节拍。
(4) 能产生颤音效果。
二、原理说明：简易电子琴实现自动播放和手动弹奏两种模式，由一个开头选择。
自动播放功能可以预置多首乐曲，可以通过手动选择，本设计预置了两首乐曲《梁祝》和《两只老虎》。
手动弹奏设置了7个按键做琴键，分别对应7个音阶。
系统由8个模块组成，图1是顶层设计文件，其内部有7个功能模块：Speakera.v(例2) 和ToneTaba.v (例3)，NoteTabs.v (例4)，div_27.v，div-50.v，Keyboard.v，Dir.v。
模块ToneTaba音阶发生器，当4位发声控制输入Index中某一位为高电平时，则对应某一音阶的数值将从端口Tone输出，作为获得该音阶的分频预置值；同时由Code输出对应该音阶简谱的LED显示，音阶越高，LED亮的数目越多。
模块Speakera中的主要电路是一个数控分频器，它由一个初值可预置的加法计数器构成，当模块Speakera由端口Tone获得一个2进制数后，将以此值为计数器的预置数，对端口Clk12MHZ输入的频率进行分频，之后由Spkout 向扬声器输出发声。
模块NoteTabs用于产生节拍控制（Index数据存留时间）和音阶选择信号，即在NoteTabs模块放置两个乐曲曲谱真值表，通过song来选择播放的音乐，00代表复位，01选乐曲《梁祝》，10选《两只老虎》，由一个计数器的计数值来控制此真值表的输出，而由此计数器的计数时钟信号作为乐曲节拍控制信号，从而可以设计出一个纯硬件的乐曲自动演奏电路。
模块div-27和div_50是分频模块，通过计数的方式进行分频。
div_27是由板上27M时钟分频产生4Hz的频率用于节拍控制，div_50是板上50M时钟产生12.5MHz用于Sperkera模块。
基于FPGA的简易电子琴实现
基于FPGA的简易电子琴实现李全摘要本系统是采用EDA技术设计的一个简易的八音符电子琴，该系统基于计算机中时钟分频器的原理，采用自顶向下的设计方法来实现，它可以通过按键输入来控制音响。
多功能电子琴的设计是在原有普通电子琴的基础上进行扩充的一个设计。
该电子琴的设计大体可以由三个模块构成，分别是电子琴音调发生器模块、数控分频模块和自动演奏模块。
用超高速硬件描述语言VHDL编程可以实现各个模块的功能。
能够实现弹琴和自动演奏的功能。
系统实现是用硬件描述语言VHDL按照模块化方式进行设计，然后进行编程、时序仿真、总体整合。
本系统的功能比较齐全，有一定的现实使用的价值。
本文中介绍了电子琴系统的整体的设计,并基于超高速硬件描述语言VHDL在相关的芯片上编程实现的。
关键字电子琴；EDA；现场可编程逻辑器件FPGA；超高速硬件描述语言VHDL；音调发生；数控分频；1引言我们生活在一个信息高速发达的时代，各种各样电子产品层出不穷。
对于广大老百姓来说，电子琴可以说已经不再是什么“新鲜玩意”了，它现在作为一种休闲和娱乐的产品早就推出市面，面向百姓，进入了我们的生活。
作为一个电子信息科学与技术专业的学生，了解这些电子产品的基本的组成和设计原理是十分必要的，我们学习过了计算机组成的理论知识，而我所做的课程设计正是对我学习的理论进行实践和巩固。
本设计主要介绍的是一个用超高速硬件描述语言VHDL设计的一个具有若干功能的简易电子琴；集科学性，先进性，创新性，实用性于一体，其理论基础源自于计算机组成原理的时钟分频器。
1.1 设计的目的本次设计的目的就是在掌握计算机组成原理理论相关的基础上，了解EDA技术，掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想，通过学习的VHDL 语言结合电子电路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识，例如本课程设计就是基于所学的计算机原理中的时钟分频器和定时器的基础之上的，通过本课程设计，达到巩固和综合运用计算机原理中的知识，理论联系实际，巩固所学理论知识，并且提高自己通过所学理论分析、解决计算机相关的实际问题的能力。
基于FPGA的简易电子琴设计
简易电子琴的设计学生姓名：王春指导老师：郑大腾摘要本系统是采用EDA技术设计的一个简易的八音符电子琴，该系统基于计算机中时钟分频器的原理，采用自顶向下的设计方法来实现，它可以通过按键输入来控制音响。
多功能电子琴的设计是在原有普通电子琴的基础上进行扩充的一个设计。
该电子琴的设计大体可以由三个模块构成，分别是电子琴发声模块、存储器模块和选择控制模块。
用超高速硬件描述语言VHDL编程可以实现各个模块的功能。
不仅能实现弹琴和演奏的功能，它还能实现“复读”的功能，就是可以存储任意一段音乐，并且可以即时的播放出来。
系统实现是用硬件描述语言VHDL 按照模块化方式进行设计，然后进行编程、时序仿真、总体整合。
本系统的功能比较齐全，有一定的现实使用的价值。
本文中介绍了电子琴系统的整体的设计,并基于超高速硬件描述语言VHDL在相关的芯片上编程实现的。
关键字电子琴；EDA；VHDL；音调发生；现场可编程逻辑器件FPGA；超高速硬件描述语言VHDL；电子琴系统；AbstractThis system is designed using EDA technology a simple eight-note keyboard, the system clock divider based on the principle of the computer, using top-down design methodology to implement, it can be controlled through the key input audio. Multi-function keyboard is designed to be an ordinary keyboard in the original expansion on the basis of a design. The design of the keyboard in general consists of three modules, namely the keyboard soundmodules, memory modules and select the control module. Ultra high-speed hardware description language VHDL programming function of each module. Not only can realize the function of playing and playing, it can achieve "repeat" function, which can store any piece of music, and real-time play out. System implementation is to use hardware description language VHDL modular way by design, then programming, timing simulation, integration. The system features a relatively complete, there is a certain value. This paper introduces the overall design of the keyboard system, and based on high speed hardware description language VHDL in Xilinx's Spartan Ⅱ series 2sc200PQ208-5 chip programming.KeywordKeyboard; EDA; VHDL; tone occurred;field programmable logic device FPGA;ultra high-speed hardware description language VHDL; organ systems;皖西学院毕业论文设计第3页共36页目录1 引言..................................................................1.1设计的目的...........................................................1.2设计的基本内容.......................................................2 FPGA、EDA、VHDL简介....................................................2.1FPGA工作原理 ........................................................2.1.2 FPGA的基本特点....................................................2.2EDA技术...............................................................2.3硬件描述语言——VHDL ...................................................2.3.1 VHDL的简介.......................................................2.3.2 VHDL语言的特点...................................................2.3.3VHDL语言上机操作条件.............................................2.3.4 VHDL的设计流程...................................................3 音乐知识介绍............................................................4 简易电子琴设计..........................................................4.1系统设计的总思路.....................................................4.2程序设计的流程图.....................................................4.3简易电子琴的工作流程图...............................................4.4简易电子琴中各模块的设计.............................................4.4.1 乐曲自动演奏模块...................................................4.4.2 音调发生模块.......................................................4.4.3 数控分频模块.......................................................4.4.4 顶层设计...........................................................5 系统仿真.................................................................6 结束语..................................................................第3页致谢..................................................................... 参考文献................................................................. 附录.....................................................................1 引言我们生活在一个信息高速发达的时代，各种各样电子产品层出不穷。
基于FPGA的简易电子琴的实现
基于FPGA的简易电子琴的实现作者：卢婷来源：《环球市场信息导报》2014年第11期该文采用VHDL语言为硬件描述语言，Quartus II作为程序运行平台，在FPGA芯片上将所开发的程序通过调试运行、波形仿真验证，初步实现了设计目标，实现了具有音乐自动播放和键盘演奏的功能。
一、系统结构框图图1是整个系统的结构框图。
整个系统具备两个主要功能：键盘演奏和音乐的自动播放，可以通过按键开关来实现切换音乐自动播放还是键盘演奏功能。
图1 系统结构框图二、主要模块设计分频器模块。
整个系统的工作需要多个频率的信号。
其中第一个分频器的主要目的是获得4HZ的频率用来产生最小音乐节拍，通过改变这个分频器的分频系数就可以改变最小音乐节拍。
这里要注意的是，如果改变了最小音乐节拍，则音符存储电路中音符的存储以及琴键音符查表电路中琴键节奏的读取都要做相应的改变。
对该模块进行编译仿真得到仿真图如图2所示。
图2 分频器模块仿真图音符产生电路模块。
该模块的作用是产生各音符的分频预置值。
根据各音名与频率的关系以及声音输出控制模块（speaker模块）中数控分频器的设计，分别计算出高音区、中音区、低音区不同音符的分频预置值，程序中Index为AUTOMUSIC模块传人的音符编码，high0，med0，low0为AUTOMUSIC模块传入表示音符所处音区，如high0=‘1’表示音符处于高音区；low0=‘1’表示音符处于低音区；程序中Tone为输出音符分频预置值，因最大的预置数为6668，为节省硬件资源及提高系统运行速度，将T0ne取值范围定为0～16#lE00#；high，med，low输出音符所处音区，接外电路的发光二极管，高电平有效；CODE端口接数码管，输出音符的显示数码。
音符存储模块。
音符存储模块是音乐自动播放中的乐谱查表和音乐节拍控制电路，它决定了当前输出哪一个音符以及该音符的持续时间。
可以在其中设置一个二进制加法计数器作为音符ROM的地址发生器，这个计数器的位数与用来记录音符的ROM空间有关，如果用了256个ROM单元，则位数就是8；计数频率就是通过12MHZ分频过来的4HZ，这样在每一计数值上的停留时间为1/4秒，也就是一个最小音乐节拍。
基于FPGA的简易电子琴设计
数 字 音 乐 电 子 琴 是 是 现 代 电 子 科 技 与 音 乐 结 合 的产 物 ，相 比体 积 庞 大 、价 格 昂 贵 的钢 琴 ，数 字 音 乐 电子 琴 以其操 作 简单 、价 格 低 廉 的 优 势 受 到 喜 爱 … 。 本 文 介 绍 的 简易 电 子 琴 的 设 计 ，采 用 Ａｌｔｅｒ公 司 的 现 场 可 编 程 门 阵 列 （Ｆｉｅｌｄ—Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ， ＦＰＧＡ）ＥＰ３Ｃ４０Ｑ２４０Ｃ８芯 片 作 为核 心 控 制 器 件 ，以 该 公 司提 供 的 Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ ９．０为 软 件 平 台 ，可 实 现 电 子 琴 以下 几 个 功 能 ：（１）２１个 琴 键 手 动 弹奏 ，高 、中 、低 音 各 ７个 ；（２）５首 预存 简 谱 乐 曲 自动 循 环 演 奏 ，曲 目 可通过 数 字按 钮 任 意选 择 ，可快 进 、后 退 、暂停 、复 位 ；（３）数码 管动态显 示 当前 音名 的简谱码 ，中音 直 接 显 示 ，低音 在 数 码 管 下 方 加 发 光 管 点 亮 表 示 ，高 音 在数 码 管 上 方 加 发 光 管 点 亮 表 示 ，发 声 通 过 扬 声 器 或接 耳 机 实 现 。 由 于 该 设 计 的 主 体 部 分 在 ＦＰＧＡ 中
实现 ，且 采用 自顶 向下 的设 计 方 法 ，提 高 了 开 发 和 研 制 的 效 率 ，使 整 个 设 计 和 修 改 过 程 变 得 方 便 、 高效 。
１ 总体 设计方案
系统结构 图如 图 １所示 ，其 中虚线 框 内部 分 在 ＦＰＧＡ 中实 现 。
基于FPGA的简易触摸电子琴设计
高 、开 发 周 期 短 和 研 制 成 本 低 的 优 点 [5 ⁃ 7]。 所 以 本 文 在
FPGA 器件上设计一个简易触摸屏电子琴电路，来实现
触摸控制弹奏和自动播放乐曲的功能。
收稿日期：2014⁃06⁃15
基金项目：安康学院 2013 年国家级大学生创新创业训练
710129）
要：简易触摸电子琴是以 FPGA 芯片作为系统控制核心，通过数控分频的原理实现音乐自动播放、琴键演奏的功
能，有限状态机实现触摸控制和 LCD 显示驱动，再采用友晶科技的 4.3 寸液晶触摸显示屏（LTM）完成简易触摸电子琴模式选
择控制和琴键显示控制。在 DE0⁃Nano FPGA（Altera Cyclone Ⅳ）开发板上的测试表明，所设计的低成本简易触摸电子琴可
inch LCD touch panel Module（LTM）of Terasic to complete a simple touch electronic piano mode selection control and key dis⁃
play control. The test on DE0⁃NanoFPGA（Altera Cyclone IV）development board show that the design of low⁃cost simple touch
计划项目（201311397005）；安康学院 2013 年校
级大学生创新创业训练计划项目（2013aku015）
图1
简易触摸电子琴的结构图
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崔智军，等：基于 FPGA 的简易触摸电子琴设计
基于FPGA的电子琴设计
毕业设计（论文）课题名称：基于FPGA的电子琴设计指导教师：系别：电子信息系专业：应用电子技术班级：姓名：基于FPGA的电子琴设计【摘要】介绍了基于FPGA的电子琴的工作原理和设计过程。
用Altera公司的EP2C8Q208C8N 芯片为核心器件，通过运用硬件编程语言VHDL描述，在Quartus II平台上，实现了电子琴的手动弹奏和自动演奏功能。
本系统主要由音频发生模块，键盘控制模块和存储器模块组成。
选择手动弹奏模式按键时，按下音符键后就会选通相应的频率输出；选择自动演奏模式按键时，储存器会将编写好的音乐信息依次取出，去选通各个对应的频率输出，实现自动演奏。
音频发生器由分频器来实现，可产生16个频率，这些频率经放大后驱动喇叭，从而发出声音。
【关键词】FPGA；Quartus II；VHDL；电子琴; 音符目录第1章引言 ................................................................................................................................... .31.1课题分析 (3)1.2 VHDL语言和QUARTUS II环境简介 (3)1.2.1 VHDL简介 (3)1.2.2 Quartus II简介 (4)第2章方案选择及原理分析 (5)2.1 设计方案 (5)2.2 电子琴设计原理 (6)2.2.1 分频模块设计方法 (6)2.2.2按键模块设计方法 (6)2.2.3顶层模块设计方法 (6)2.3系统设计的主要组成部分 (6)第3章硬件设计 (8)3.1现场可编程门阵列FPGA简介 (8)3.2按键模块及其功能 (8)3.3显示电路模块及功能 (9)第4章软件设计 (10)4.1系统的流程 (10)4.2设计模块 (10)4.2.1自动演奏模块 (11)4.2.2音阶发生器模块 (13)4.2.3数控分频模块 (15)第5章软硬件的系统测试 (18)结论 (18)致谢 (18)参考文献 (19)第一章引言电子琴作为音乐与科技的产物，在电子化和信息化的时代，为音乐的大众化做出了很大的贡献，歌曲的制作大多数都要由电子琴来完成，然后通过媒介流传开来，电视剧和电影的插曲、电视节目音效、甚至你的手机铃声，都很可能包含电子琴的身影。
基于FPGA的乐曲演奏电路设计_毕业设计论文
毕业设计基于FPGA的乐曲演奏电路设计摘要设计了一种基于FPGA的电子琴，该电子琴由用VHDL硬件描述语言设计的核心部件和适当的外围电路构成，可从琴键上进行演奏也可自动进行乐曲演奏。
基于FPGA(现场可编程门阵列)芯片，利用VHDL语言，介绍了一种通用乐曲演奏电路的设计，可实现多个八度音阶的乐曲演奏，与简谱的对应关系简单，编程方便，占用资源少，通用性好，可作为IP core模块引用，构成复杂的SOPC系统．关键词：电子琴；现场可编程门阵列（FPGA）；智力产权核（IP core）；超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)；乐曲AbstractAn electronic piano is designed based on FPGA，which consists of core paris that designed by using VHDL hardware description languages，as well as some periphery circuits.The musical perform ance can be donenot only by keys but also with automatic type in the electronic piano．Based on FPGA，by VHDL language，this paper introduces a universal music circuit design，it can play high，middle and low multiple tonality，simple corresponding relation with simple musical notation，which programs easily using little resource．It can be used universally for IP core in making complicated SOPC system．Key words：electronic piano；Field Programmable Gate Array（FPGA）；Intelligence Property core(IP core) ；Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language(VHDL)；music目录1.简易电子琴与音乐发生器设计的介绍 (4)1.1简易电子琴设计介绍 (4)1.2音乐发生器设计介绍 (4)2.F P G A功能与使用简介 (6)2.1F P G A简介 (6)2.1.1F P G A的产生 (6)2.1.2F P G A的基本结构 (7)2.1. 3 MAX+PLUSII (7)2.2硬件描述语言V H D L (10)2.2.1V H D L语言的优点 (10)2.2.2利用V H D L语言设计数字系统的特点 (11)2.2.3V H D L语言的基本结构 (13)2.2.4V H D L的设计流3.简易电子琴设计及程序 (16)3.1简易电子琴设计总体框图 (16)3.2模块设计 (16)3.2.1模块Q I N设计 (16)3.2.2模块F A N A设计 (17)4.音乐发生器设计及程序 (20)4.1使用的乐谱 (20)4.2音乐发生器设计及程序 (20)4.2.1音乐发生器总框图 (20)4.2.2可变分频器设计 (20)4.2.3到计时模块设计 (31)5.仿真 (3)45.1概述 (34)5.2仿真验证与实5.2.1电子琴电路的仿真 (35)5.2.2音乐发生器仿真 (35)6.结论 (3)77.致谢 (3)88．参考文献 (39)1.简易电子琴与音乐发生器设计的介绍1.1简易电子琴设计介绍电子琴因其操作简单，且能模拟各种传统乐器的音色，而深受消费者喜爱。
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课程设计任务书开题报告皖西学院本科毕业论文（设计）中期检查表简易电子琴的设计学生姓名：王春指导老师：郑大腾摘要本系统是采用EDA技术设计的一个简易的八音符电子琴，该系统基于计算机中时钟分频器的原理，采用自顶向下的设计方法来实现，它可以通过按键输入来控制音响。
多功能电子琴的设计是在原有普通电子琴的基础上进行扩充的一个设计。
该电子琴的设计大体可以由三个模块构成，分别是电子琴发声模块、存储器模块和选择控制模块。
用超高速硬件描述语言VHDL编程可以实现各个模块的功能。
不仅能实现弹琴和演奏的功能，它还能实现“复读”的功能，就是可以存储任意一段音乐，并且可以即时的播放出来。
系统实现是用硬件描述语言VHDL 按照模块化方式进行设计，然后进行编程、时序仿真、总体整合。
本系统的功能比较齐全，有一定的现实使用的价值。
本文中介绍了电子琴系统的整体的设计,并基于超高速硬件描述语言VHDL在相关的芯片上编程实现的。
关键字电子琴；EDA；VHDL；音调发生；现场可编程逻辑器件FPGA；超高速硬件描述语言VHDL；电子琴系统；AbstractThis system is designed using EDA technology a simple eight-note keyboard, the system clock divider based on the principle of the computer, using top-down design methodology to implement, it can be controlled through the key input audio. Multi-function keyboard is designed to be an ordinary keyboard in the original expansion on the basis of a design. The design of the keyboard in general consists of three modules, namely the keyboard soundmodules, memory modules and select the control module. Ultra high-speed hardware description language VHDL programming function of each module. Not only can realize the function of playing and playing, it can achieve "repeat" function, which can store any piece of music, and real-time play out. System implementation is to use hardware description language VHDL modular way by design, then programming, timing simulation, integration. The system features a relatively complete, there is a certain value. This paper introduces the overall design of the keyboard system, and based on high speed hardware description language VHDL in Xilinx's Spartan Ⅱ series 2sc200PQ208-5 chip programming.KeywordKeyboard; EDA; VHDL; tone occurred;field programmable logic device FPGA;ultra high-speed hardware description language VHDL; organ systems;目录1 引言..................................................................1.1设计的目的...........................................................1.2设计的基本内容.......................................................2 FPGA、EDA、VHDL简介....................................................2.1FPGA工作原理 ........................................................2.1.2 FPGA的基本特点....................................................2.2EDA技术...............................................................2.3硬件描述语言——VHDL ...................................................2.3.1 VHDL的简介.......................................................2.3.2 VHDL语言的特点...................................................2.3.3VHDL语言上机操作条件.............................................2.3.4 VHDL的设计流程...................................................3 音乐知识介绍............................................................4 简易电子琴设计..........................................................4.1系统设计的总思路.....................................................4.2程序设计的流程图.....................................................4.3简易电子琴的工作流程图...............................................4.4简易电子琴中各模块的设计.............................................4.4.1 乐曲自动演奏模块...................................................4.4.2 音调发生模块.......................................................4.4.3 数控分频模块.......................................................4.4.4 顶层设计...........................................................5 系统仿真.................................................................6 结束语..................................................................致谢..................................................................... 参考文献................................................................. 附录.....................................................................1 引言我们生活在一个信息高速发达的时代，各种各样电子产品层出不穷。
对于广大老百姓来说，电子琴可以说已经不再是什么“新鲜玩意”了，它现在作为一种休闲和娱乐的产品早就推出市面，面向百姓，进入了我们的生活。
作为一个电子信息科学与技术专业的学生，了解这些电子产品的基本的组成和设计原理是十分必要的，我们学习过了计算机组成的理论知识，而我所做的课程设计正是对我学习的理论进行实践和巩固。
本设计主要介绍的是一个用超高速硬件描述语言VHDL设计的一个具有若干功能的简易电子琴；集科学性，先进性，创新性，实用性于一体，其理论基础源自于计算机组成原理的时钟分频器。
1.1 设计的目的本次设计的目的就是在掌握计算机组成原理理论相关的基础上，了解EDA技术，掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想，通过学习的VHDL语言结合电子电路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识，例如本课程设计就是基于所学的计算机原理中的时钟分频器和定时器的基础之上的，通过本课程设计，达到巩固和综合运用计算机原理中的知识，理论联系实际，巩固所学理论知识，并且提高自己通过所学理论分析、解决计算机相关的实际问题的能力。
1.2 设计的基本内容基于MAX+PLUS平台，运用VHDL语言对简易电子琴的各个模块进行设计，并使用EDA 工具对各模块进行仿真验证。
本设计包含如下三个模块：乐曲自动演奏模块，音调发生模块，数控分频模块，最后把各个模块整合后，通过电路的输入输出对应关系连接起来。
1.3 设计方案为了实现这种有“自动播放歌曲”和“复读”功能的多功能简易电子琴，以下提供两种方案以供参考：方案一：采用单个的逻辑器件组合实现。
这样虽然比较直观，逻辑器件分工鲜明，思路也比清晰，一目了然，但是因为元器件种类、个数非常多，而且过于复杂的硬件电路也容易引起系统的精度不高、体积过大等一系列的不利因素。
例如八个不同的音符是由八个不同的频率来控制输出发声的，而采用这个方案需要运用不同的分频器来对信号进行不同程度的分频。