FPGA硬件电子琴电路设计实验报告
基于FPGA的多功能电子琴设计与实现
西南科技大学电子专业综合设计报告设计名称：基于FPGA的多功能电子琴的设计与实现姓名：学号:班级：指导教师：起止日期： 2013年11月22日-2013年12月10 日西南科技大学信息工程学院制综合设计任务书学生班级：电子1001 学生姓名：学号：设计名称：基于FPGA的多功能电子琴的设计与实现起止日期：2013.11.22-2013.12.10 指导教师：综合设计学生日志基于FPGA的多功能电子琴的设计与实现摘要：随着科学技术的日新月异，人们的生活也在发生在变化，电子产品也随之增多，比如现在流行的电子琴，已经逐渐代替了曾经的手动风琴了。
文章中所介绍的多功能电子琴的设计在Quartus II平台上，采用Verilog HDL 语言和模块化的设计方法，设计出一个能够通过按键控制不同的音符，同时也可以通过按键进行演奏已经存储的曲子的多功能电子琴。
本系统主要由五个个模块组成：顶层模块，曲目1模块，曲目2模块，按键模块，曲目循环播放模块。
关键词: FPGA；电子琴； Verilog HDL；音符FPGA-based design and implementation of multi-organAbstract：With the development of science and technology, also occurs in people's lives change, electronic products also increase, such as the now popular organ, has replaced the former manual organ. Multifunction keyboard design as described in the article on the Quartus II platform, using Verilog HDL language and modular design method, design a button control through different note, you can also play music already stored by keys multifunction keyboard. The system consists of five modules: the top-level module, a module tracks, track 2 modules, key module, track loop module.Key words: FPGA, Keyboard, Verilog HDL, Note一、设计目的和意义目的：1.1、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 Verilog HDL 硬件描述语言的设计方法和思想；1.2、培养综合运用知识和独立开展实践创新的能力；1.3、深入学习Verilog HDL，了解其编程环境；1.4、学会运用Quartus II等编程仿真软件；1.5将硬件语言编程与硬件实物功能演示相结合，加深理解Verilog HDL的学习。
VHDL电子琴实验报告
VHDL电子琴实验报告
实验目的：
本实验的目的是设计一个VHDL电子琴，通过FPGA实现，实现按键发出不同的音调，并通过扬声器输出对应的音频信号，达到模拟真实电子琴的效果。
实验原理：
VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，用于描述数字电路的行为和结构。
在本实验中，我们将使用VHDL语言描述电子琴的按键和音调的对应关系，通过FPGA实现电子琴的功能。
电子琴实验主要包含两个部分：输入部分和输出部分。
输入部分是按键，按下不同的按键会发出不同的音调。
输出部分是扬声器，通过扬声器输出对应的音频信号。
实验步骤：
1.确定电子琴的按键数量和对应的音调。
2.使用VHDL语言描述电子琴的按键和音调的对应关系。
3.将VHDL代码综合成逻辑电路网表。
4.将逻辑电路网表烧录到FPGA中。
5.连接扬声器到FPGA输出引脚。
6.按下不同的按键，测试扬声器输出的音频信号是否正确。
实验结果：
经过实验测试，我们成功实现了一个简单的VHDL电子琴。
按下不同的按键，扬声器输出对应的音调。
通过调整VHDL代码中的音频频率，可以改变电子琴的音调高低。
实验总结：
通过本实验，我们深入理解了VHDL语言的应用和FPGA的原理。
电子琴作为一个实际应用案例，充分展示了数字电路设计的魅力。
在今后的学习和工作中，我们将能更加熟练地应用VHDL语言和FPGA技术，设计更加复杂的数字电路系统。
FPGA大作业设计报告
数字电子技术实验课程FPGA创新实验设计报告设计名称电子琴与音乐盒姓名学号 xx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxx专业班级 xxxxxxxx系指导教师 xxx日期 xxxx年x月xx日摘要本次设计借数电实验课的机会，基于FPGA可编程逻辑器件实现了电子琴和音乐发生器的功能，使用ALTERA公司的CYCLONEⅢ芯片构成系统主体，软件部分应用VHDL语言，在QuartusⅡ8.1设计平台上完成。
本方案整合了PS2键盘接口和音乐发生模块，具有一定的灵活性和创新性。
关键词：电子琴;音乐发生器;FPGA;VHDL目录一、设计任务与要求---------------------------------3二、总体框图---------------------------------------3三、选择器件---------------------------------------3四、功能模块---------------------------------------3五、总体设计电路图--------------------------------11六、实现功能--------------------------------------11七、心得体会--------------------------------------13一、设计任务与要求：设计一个能够实现音乐发生功能以及能够通过键盘弹奏的电子琴。
要求：选择功能一时能够通过键盘弹奏出三个八度的21个音符，每个音符发音时间相同；选择功能二时能够自动播放一段音乐，并有暂停和继续的功能。
二、总体框图：1、总体框图如下所示：2、各模块功能：●键盘接口模块键盘接口模块用于接收键盘按键输出的断码，将信息输送到音调转换模块，以便其将键盘按键与不同的音符进行对应。
●音调转换模块音调转换模块将输入进来的按键通码与断码信息与不同的音符对应起来，并将结果传递给下一级模块。
华中科技大学 xilinx 课赛结合 基于BASYS2的电子琴设计实验报告
硬件课程设计实验报告课题：基于BASYS2的电子琴设计班级：电信0907作者：刘睿学号：U200913771指导老师：龚军课设评价：课设成绩：【摘要】本项目要求设计并实现一个基于BASYS2的电子琴，利用BASYS2实验板的拨码开关实现电子琴相应功能的控制，电子琴的输出有两个声道，可独立输出。
该电子琴可外接PS2键盘，实现电子琴按键功能，同时外接VGA显示器实现电子琴的界面。
该电子琴还具有存储输入按键值并回放功能。
【关键词】：FPGA、BASYS2、电子琴、 PS/2、 VGAAbstract：This project is aimed at designing an electric piano based on BASYS2. The switch on the BASYS2 will control the function of the electric piano. This piano with two different audio channel, can also memory the keys which have been pressed and replay them. This piano can be connected to a PS/2 keyboard, which plays a role of keys of the piano, and connected to a VGA monitor, which could display the interface of the piano.Key words：FPGA 、BASYS2、 ELECTRIC PIANO、 PS/2、 VGA目录1.项目描述 (6)1.1.项目要求 (6)1.2.项目背景 (6)1.3.开发工具简介 (6)2.设计目标 (7)3.硬件描述 (7)3.1.开发板 (7)3.2.显示器 (8)3.3.键盘 (9)4.软件描述 (9)4.1.系统框图 (9)4.2.各模块的功能描述 (10)4.2.1.顶层模块的设计 (10)4.2.2.键盘模块的设计 (11)4.2.3.自动演奏模块的设计 (11)4.2.4.音调发生器模块设计 (11)4.2.5.数控分频模块的设计 (11)4.2.6.数模转换模块的设计 (12)4.2.7.界面显示模块的设计 (12)5.硬件设计............................................................................. 错误!未定义书签。
学士学位论文—-电子琴实验报告乐曲硬件演奏电路设计
武夷学院实验报告课程名称：逻辑设计与FPGA 项目名称：乐曲硬件演奏电路设计姓名：专业：微电子学班级： 14微电子学号： 04 实验日期实验预习成绩（百分制）实验指导教师签字：二、 实验过程记录部分：1．实验过程记录：1.1 输入信号锁相环PLL0调节： 图2.1 锁相环 管脚clk_50m （设置为B12）接入FPGA 内部的50mhz 的时钟信号，C0口为得到数控分屏器模块的输入时钟750KHZ ，将分频比设置为1/67,即50000000HZ/67=74.6K约等于75K ；c1口为2KHZ （配合下级的500分频模块），设置为：c1=50000000HZ/25000=2KHZ 。
1.2 500分频模块count500（即500进制的计数器）：图2.2 分频电路程序设计 如图2.2，因为梁祝歌曲只用低音和中音来演奏，为1/4拍，即四分之一拍，每个音符持续0.25秒的时间。
因为前级电路已经实现了从50MHZ 到2KHZ 的转换，要得到4HZ 的频率，则用500进制的计数器（0到499的计数）产生的进位信号对2KHZ 实现500分频（输出波形分析见后）。
1.3 乐曲长度控制计数器cnt138设计：图2.3 乐曲长度控制计数器程序及元件图经查阅《EDA技术实用教程（第五版）》可知，《梁祝》这首歌曲总共有139个音符，其中包含末尾的3个休止符。
如图2.3，因此为了产生这139音符，因此想到开发一个139进制的计数器（计数值：0到138），实现用139状态代表139个音符。
又因为要配合下一级音符谱码存储模块的输入（ROM的输入一般为偶数位），因此将原本用7路线就可以表示完成的输出端cnt8增加一位线宽。
注：在本程序中，输出端cnt8由于定义成integer整型，在Quartus中被自动分配成了7根；也可以定义成vector型，而此时需要注意配合下级电路的权位最好写成cnt8: out std_logic_vector(7 downto 0).1.4 音符谱码存储模块设计构建：1.4.1 ROM的设置：图2.4 音符谱码存储模块ROM音符谱码存储模的主体构想，是为了让前级模块所产生的139个状态与实际音符（Do Re Mi Fa So La Si）构成映射。
实验七 硬件电子琴电路设计
电子设计自动化实验报告实验七硬件电子琴电路设计一、实验目的1.熟悉QuartusⅡ软件应用环境，了解实验流程。
2.编写简单的Verilog代码，并在QuartusⅡ中进行调试和验证，并在EDA6000中下载代码和验证。
3.掌握硬件电子琴电路的设计方法，根据键入发出不同的音阶。
二、实验原理一个音的音阶是由频率决定，基本音阶的频率如下表：如果要发出“1”的音，只需产生440Hz(周期为1136.4us*2)的频率即可。
模块speaker实现此功能，speaker是一个带预置的减法计数器，用于产生制定周期的脉冲，speaker的基准时钟是10MHz(100ns),当tone为11364时，每1136.4us*2,产生一个脉冲。
模块tone根据用户的键入，输出相应的周期数供speaker产生脉冲。
当用户按下K0时，输出tone11364，按下K1时输出tone 10124..三、实验内容1、用Verilog HDL语言实现编写实现硬件电子琴电路的程序。
2、编程下载并在实验箱上进行验证四、实验步骤与结果1、新建Verilog工程项目，编写代码并保存至与模块名对应的项目文件夹。
2、编译程序，编译无误后，在【tools】里面选择RTL视图，观察寄存器传输级结构。
3、将实验箱和PC合理连接起来。
打开EDA6000软件，设置好芯片类型为ACEX1K （EP1K30TC144-3），载入模式16。
4、根据EDA6000界面内管脚对应芯片的实际管脚在QUARTUSⅡ里面设定管脚号并检查无误。
5、将程序下载至FPGA试验箱内，并在EDA6000软件界面内进行验证测试。
程序源代码：module dzq(pcode,phigh,pspeaker,clk,key_in);input clk;input [7:0]key_in;output phigh,pspeaker;output [2:0]pcode;reg phigh,pspeaker,lock;integer q1,Q;reg [2:0]pcode;always @ (posedge clk )beginif(Q==0)begin Q<=q1; lock<=1;endelse begin Q<=Q-1; lock<=0;endendalways @(clk or key_in)begincase (key_in)8'b00000001: begin phigh=0;pcode=3'b001;q1<=11364; end8'b00000010: begin phigh=0;pcode=3'b010;q1<=10124;end8'b00000100: begin phigh=0;pcode=3'b011;q1<=9019; end8'b00001000: begin phigh=0;pcode=3'b100;q1<=8513; end8'b00010000: begin phigh=0;pcode=3'b101;q1<=7584; end8'b00100000: begin phigh=0;pcode=3'b110;q1<=6757; end8'b01000000: begin phigh=0;pcode=3'b111;q1<=6020; end8'b10000000: begin phigh=1;pcode=3'b001;q1<=5682; enddefault : begin phigh=0;pcode=3'b000;q1<=0; endendcaseendalways @(posedge lock)pspeaker<=~pspeaker;endmodule编译：选择processing---start compilation命令，开始编译。
基于FPGA硬件电子琴设计
摘要文中介绍了电子琴系统的整体设计,并基于超高速硬件描述语言VHDL在Xilinx公司的SpartanⅡ系列的EMP240T100C5N芯片上编程实现.电子琴系统的设计包含四个模块,分别是控制输入电路、FPGA、显示电路和扬声器电路。
其中FPGA模块的设计是整个电子琴系统设计的核心内容。
四个模块的有机组合完成了电子琴自动演奏的功能。
文中还详细介绍了FPGA功能模块的原理及其工作时序仿真图。
本产品的特点是成本较低，性能稳定，精度高，有一定的开发价值。
目录摘要 (2)一、整体设计方案 (4)1.1设计要求 (4)1.2整体设计原理 (4)1.3方案比较 (5)二、单元电路设计 (5)2.1实验原理 (5)2.2顶层模块的设计 (6)2.3音调发生器(tone)模块的设计 (6)2.4数控分频模块（speaker）的设计 (7)三、软件设计 (7)3.1 VHDL硬件描述语言简介 (7)3.2 软件设计 (8)四、系统测试 (9)4.1测试使用的仪器 (9)4.2测试方法 (9)4.3指标测试和测试结果 (9)五、心得 (11)附录 (12)参考文献 (15)一、整体设计方案1.1 设计要求利用数控分频器设计硬件电子琴，当按下琴键时，扬声器发出该琴键相对应的音阶，同时数码管显示音阶数字，若为高音时，二极管点亮。
1.2 整体设计原理本设计可以通过多种方案来实现，下面就主要的三种方案进行阐述和比较。
方案一:采用数字逻辑电路制作，用IC 拼凑焊接实现，这种电路很直观，简单方便。
但应用数字逻辑电路制作的话，使用的器件较多，连接复杂，体积大，功耗大。
电路中焊点和线路较多会,使成品的稳定度和精度大大降低。
方案二:采用现场可编程逻辑器件（FPGA）制作，利用EDA软件中的VHDL硬件描述语言编程进行控制，然后烧制实现.采用FPGA来设计的原理图如图1.1所示.它由控制输入电路、FPGA、显示电路和扬声器电路组成。
图1.1 采用FPGA设计的电子琴原理方框图控制输入电路主要是为用户设计的,起到一个输入控制的作用.FPGA是现场可编程逻辑器件,也是本设计方案的核心内容,它是实现电子琴运作的主要控制模块.由设计者把编好的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,产生不同的频率驱动扬声器,发出不同的乐谱.同时也把发出的乐谱符号通过显示器输出.方案三:单片机现在已经达到很成熟的阶段了,它的应用也十分广泛. 采用单片机来实现电子琴,它的原理方框图与用FPGA来实现的原理方框图类似,如图1.2所示。
FPGA课程设计报告--简易电子琴的设计
FPGA课程设计报告题目：简易电子琴设计及FPGA功能验证院系：专业班级：学生姓名： XX导师姓名： XX起止时间： 2012、6、18至2012、6、29一、课程设计任务：本设计一个简易电子琴，具体功能如下：1、具有手动弹奏和自动播放功能；2、以按键或开关作为电子琴的琴键，输出7个音节的音阶；3、可以自动播放曲目至少两首。
二、课程设计目的：1、培养综合运用知识和独立开展实践创新的能力；2、深入学习Verilog HDL，了解其编程环境；3、学会运用Modelsim和Quartus II等编程仿真软件；4、将硬件语言编程与硬件实物功能演示相结合，加深理解Verilog HDL的学习；三、使用环境：1、软件：Modelsim和Quartus II等编程仿真软件；2、硬件：FPGA开发板。
四、课程设计详细方案及功能验证：1、总体实现方案：1、简易电子琴的设计通过软硬件结合实现，硬件系统包括主控器芯片、9个按键、LED、蜂鸣器等，软件资源包括编写Verilog HDL程序的应用软件Modelsim和仿真软件Quartus II。
电子琴有按键代替琴键的弹奏功能和自动播放功能。
2、整个程序总共分5个模块：主模块，按键模块，曲目1模块，曲目2模块，曲目3模块。
整个方案总共用了9个按键（key1~key9），按键key1~key7作为琴键，通过这七个按键键入不同的音阶。
主模块中key8、key9两个按键用于选择是自动播放还是弹奏曲目，令mm=（key8、key9），用mm值的不同选择调用不同模块。
如果mm=00，则程序调用按键模块；如果mm=01，则调用曲目1模块，播放曲目1；如果mm=10，则调用曲目2模块，播放曲目2；如果mm11，则调用曲目3模块，播放曲目3。
本次设计的框图：2、输入输出信号描述：3、顶层划分：key1.key2.key3.key4.key5.key6.key7.key8.key94、主要模块：主模块：功能描述：是四个子模块的核心，通过主模块分别调用四个不同的子模块。
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.FPGA实验报告题目：硬件电子琴电路设计一．实验目的：学习利用数控分频器设计硬件电子琴实验。
二．实验原理及内容：主系统由3个模块组成,顶层设计文件中包含三个功能模块，Speakera.v 和ToneTaba.v ，NoteTabs.v 。
模块ToneTaba是音阶发生器，当8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显示数码，如‘5’，并由High输出指示音阶高8度显示。
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。
增加一个NoteTabs模块用于产生节拍控制（Index数据存留时间）和音阶选择信号，即在NoteTabs模块放置一个乐曲曲谱真值表，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。
图1 硬件电子琴电路结构三．实验步骤.1.在QUARTUSII软件下创建一工程，工程名为songer，芯片名为EP2C35F672C6；2.输入数控分频器程序并命名为Speakera.v，保存与工程相同的文件夹中。
.其功能仿真波形和时序仿真波形分别如下:3.输入音阶发生器程序并命名为ToneTaba.v ，保存与工程相同的文件夹中。
PreClk<=1'b0;Count4<=Count4+4'b1; end end always@(posedge PreClk)begin if(Count11>=11'h7FF) begin Count11<=Tone; FullSpkS<=1'b1; end else begin PreClk<=1'b1; Count4<=1;endelse beginCount11<=Count11+11'b1;FullSpkS<=0; end endalways@(posedge FullSpkS)begin Count2<=~Count2;if(Count2==1'b1) SpkS<=1'b1; else SpkS<=1'b0; end endmoduleModuleToneTaba(Index,Code,High,Tone); input[3:0] Index; output[3:0] Code; output High; output[10:0] Tone; reg[3:0] Code=0; reg High=0; reg[10:0] Tone=0;always begincase(Index)4'b0000 :begin Tone<=11'b11111111111; Code<=4'b0000;High<=1'b0;end//2047 4'b0001 :begin Tone<=11'b01100000101; Code<=4'b0001;High<=1'b0;end//773 4'b0010 :begin Tone<=11'b01110010000; Code<=4'b0010;High<=1'b0;end//912. 其功能仿真波形和时序仿真波形分别如下:4.输入27分频程序并命名为div_27.v，保存与工程相同的文件夹中。
5.4'b0011:beginTone<=11'b10000001100;Code<=4'b0011;High<=1'b0;end//10364'b0101 :begin Tone<=11'b10010101101;Code<=4'b0101;High<=1'b0;end//11974'b0110 :begin Tone<=11'b10100001010;Code<=4'b0110;High<=1'b0;end//12904'b0111 :begin Tone<=11'b10101011100;Code<=4'b0111;High<=1'b0;end//1372;4'b1000 :begin Tone<=11'b10110000010;Code<=4'b0001;High<=1'b1;end//1410;4'b1001 :begin Tone<=11'b10111001000;Code<=4'b0010;High<=1'b1;end//1480;4'b1010 :begin Tone<=11'b11000000110;4'b1010 :begin Tone<=11'b11000000110;4'b1010 :begin Tone<=11'b11000000110;Code<=4'b0011;High<=1'b1;end//1542;4'b1100 :begin Tone<=11'b11001010110;Code<=4'b0101;High<=1'b1;end//1622;4'b1101 :begin Tone<=11'b11010000100;Code<=4'b0110;High<=1'b1;end//1668;4'b1111 :begin Tone<=11'b11011000000;Code<=4'b0001;High<=1'b1;end//1728;endcaseendendmodulemodule div_27(Clk2,Q2);input Clk2;output Q2;reg Q2;reg[32:0] count;always@(posedge Clk2)begin if(count==3374999)begin count<=0;Q2=~Q2; endelse count<=count+1; endendmodulemodule div_50(Clk1,Q1);input Clk1;output Q1;reg Q1;begin if(count==1)begincount<=0;Q1=~Q1;endelse其功能仿真波形和时序仿真波形分别如下:6.建立梁祝乐曲演奏数据的MIF文件。
WIDTH = 4 ; //定义宽度为4，深度为256的mif文件DEPTH = 256 ;ADDRESS_RADIX = DEC ; //每阅读一位后，自动移动到下一位，数据也读到下一位DA TA_RADIX = DEC ;CONTENT BEGIN --注意实用文件中要展开以下数据，每一组占一行00: 3 ; 01: 3 ; 02: 3 ; 03: 3; 04: 5; 05: 5; 06: 5;07: 6; 08: 8; 09: 8;10: 8 ; 11: 9 ; 12: 6 ; 13: 8; 14: 5; 15: 5; 16: 12;17: 12;18: 12; 19:15;20:13 ; 21:12 ; 22:10 ; 23:12; 24: 9; 25: 9; 26: 9; 27: 9; 28: 9; 29: 9;30: 9 ; 31: 0 ; 32: 9 ; 33: 9; 34: 9; 35:10; 36: 7; 37: 7; 38: 6; 39: 6;40: 5 ; 41: 5 ; 42: 5 ; 43: 6; 44: 8; 45: 8; 46: 9; 47: 9; 48: 3; 49: 3;50: 8 ; 51: 8 ; 52: 6 ; 53: 5; 54: 6; 55: 8; 56: 5; 57: 5; 58: 5; 59: 5;60: 5 ; 61: 5 ; 62: 5 ; 63: 5; 64:10; 65:10; 66:10; 67:12; 68: 7; 69: 7;70: 9 ; 71: 9 ; 72: 6 ; 73: 8; 74: 5; 75: 5; 76: 5; 77: 5; 78: 5; 79: 5;80: 3 ; 81: 5 ; 82: 3 ; 83: 3; 84: 5; 85: 6; 86: 7; 87: 9; 88: 6; 89: 6;90: 6 ; 91: 6 ; 92: 6 ; 93: 6; 94: 5; 95: 6; 96: 8; 97: 8; 98: 8; 99: 9;100:12 ;101:12 ;102:12 ;103:10;104: 9;105: 9;106:10;107: 9;108: 8;109: 8;110: 6 ;111: 5 ;112: 3 ;113: 3;114: 3;115: 3;116: 8;117: 8;118: 8;119: 8;120: 6 ;121: 8 ;122: 6 ;123: 5;124: 3;125: 5;126: 6;127: 8;128: 5;129: 5;130: 5 ;131: 5 ;132: 5 ;133: 5;134: 5;135: 5;136: 0;137: 0;138: 0;END ;7.输入程序并命名为NoteTabs.v，保存与工程相同的文件夹中。
8.输入硬件演奏电路顶层设计文件并命名为songer.v，保存与工程相同的文件夹中。
9.锁定引脚后重编译并进行下载。
四．思考题.1.电路上应该满足哪些条件，才能用数字器件直接输出的方波驱动扬声器发声？答：（1）输出的频率在扬声器的工作范围之内（扬声器的工作频率范围一般是能听见的声波）；（2）驱动电流能够驱动扬声器。
2.如果演奏其他乐曲，程序应做哪些方面的改动？答：程序应将mif文件改掉以及ToneTaba和NoteTabs做一些响应的小改变。