具有自动乐曲演奏功能的电子琴设计dzgq.docx

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1、具有自动动乐曲演演奏功能能的电子子琴设计计先给出设设计结果果视频链链接:具有自自动乐曲曲演奏功功能的电电子琴-视频实实录 本文为为本人于于20112年下下学期做做的EDDA数字字系统设设计，文文章详细细介绍了了“具有有自动乐乐曲演奏奏功能的的电子琴琴”的FFPGAA设计原原理与方方法，使使用了RROM存存储音符符和节拍拍，矩阵阵键盘控控制整个个系统。一、选题题目的 电电子设计计自动化化，简称称EDAA（Ellecttronnic Dessignn Auutommatiion），发发展迅速速，应用用范围日日益扩大大。它以以计算机机为工具具，设计计者在EEDA软软件平台台上，用用硬件描描述语言言V

2、HDDL完成成设计文文件，然然后由计计算机自自动地完完成逻辑辑编译、化化简、分分割、综综合、优优化、布布局、布布线和仿仿真，直直至对于于特定目目标芯片片的适配配编译、逻逻辑映射射和编程程下载等等工作。EEDA技技术的出出现，极极大地提提高了电电路设计计的效率率和可操操作性，减减轻了设设计者的的劳动强强度。 本文文应用VVHDLL硬件描描述语言言，以QQuarrtuss8.0为开开发工具具设计了了一个具具有自动动演奏乐乐曲功能能的电子子琴系统统，它能能将预先先存储在在ROMM中的多多首乐曲曲自动播播放出来来，并同同时显示示音符，此此外，还还具有电电子琴弹弹奏的功功能。选选题新颖颖、实用用，趣味味

3、性、综综合性较较强。二、设计计目标1. 采采用444矩阵键键盘作为为：电子子琴按键键，高、中中、低音音选择键键，自动动播放和和电子琴琴弹奏功功能选择择键，乐乐曲选择择键。22. 使使用ROOM存储储乐曲，达达到只要要在其中中存储乐乐曲音符符节拍的的信息即即可自动动播放的的目的，对对乐曲的的编码要要简单易易用。33. 可可自动播播放世世上只有有妈妈好好、长长亭送别别、十十年三三首歌曲曲，带选选歌和自自动循环环播放的的功能。4. 实实时显示示正在播播放的音音符。5. 设设计要具具有模块块化，层层次化的的特点。6. 波波形仿真真时采用用时序仿仿真，以以更加贴贴近实际际，使系系统的实实际效果果达到最最

4、佳。三、实现现方案1. 原原理框图图 具有自自动乐曲曲演奏功功能的电电子琴系系统的原原理结构构框图如如下：图1 硬硬件系统统结构框框图 图2 软软件系统统结构框框图图3 乐乐曲自动动播放模模块结构构框图 图4 乐乐曲弹奏奏模块结结构框图图2. 设设计流程程图 具有自自动乐曲曲演奏功功能的电电子琴系系统的VVHDLL程序设设计流程程图如下下图5：图5 程程序设计计流程图图四、设计计过程1. 音音乐基础础知识 简谱谱应该说说是一种种比较简简单易学学的音乐乐记谱法法。它的的最大好好处是仅仅用7个个阿拉伯伯数字-123345667，就就能将万万千变化化的音乐乐曲子记记录并表表示出来来，并能能使人很很快

5、记住住而终身身不忘；同时涉涉及其他他的音乐乐元素也也基本可可以正确确显示。简简谱虽然然不是出出现在中中国，但但是好像像只有在在中国得得到非常常广泛的的传播。 乐音的的特性：它由四四个方面面组成：音高、音音值、音音量、音音色。 音高：由物体体在一定定的时间间内震动动的次数数决定，震震动次数数多，因因则高，反反之，则则低。 音值：即音的的长短，是是由音的的延续时时间的不不同而决决定的，音音的延续续时间长长，音则则长，反反之，则则短。 音量：即音的的强与弱弱，由震震幅的大大小决定定，震幅幅大，音音则强，反反之，则则弱。 音色：有发音音体的性性质决定定，发音音体的形形状及泛泛音的多多少决定定音色的的不

6、同，例例如，小小提琴、钢钢琴等各各种乐器器的音色色都是不不同的，在在合奏时时，人们们可清楚楚地辨认认。 乐乐音体系系：在音音乐使用用中有固固定音高高的音的的总和叫叫乐音体体系。 音级：乐音体体系中的的各音叫叫音级，音音级有基基本音级级与变化化音级两两种。 基本音音级：在在音乐中中经常使使用的七七个具有有独立名名称的音音叫基本本音级。基基本音级级的名称称用字母母或唱名名两种方方式来标标记。 音名：用C、DD、E、FF、G、AA、B来来标记基基本音级级的叫音音名，它它表示一一定的音音高，简简谱中用用1,22,3,4,55,6,7来标标记。 唱名：用doo、ree、mii、faa、sool、lla、

7、ssi作为为音级名名称的叫叫唱名。 音符：用以记记录音的的长短高高低的符符号叫音音符（以以符头在在谱表上上的位置置来表示示音的高高低，以以形状表表示音的的长短，音音符有符符头、符符干、符符尾三部部分或其其中某些些部分组组成，而而在简谱谱中以11 2 3 44 5 6 77或其上上下加点点来表示示不同音音高，以以短下划划线(_)或横横()来表示示音的长长短）。 下面重重点介绍绍组成音音乐的两两个最基基本的要要素：每每个音符符发音的的频率及及其持续续的时间间。 1.11 音符符和频率率的关系系 乐曲的的十二平平均律规规定：每每2 个个八度音音（如简简谱中的的中音11与高音音1）之之间的频频率相差差

8、一倍。在在2个八八度音之之间，又又可分为为12个个半音，每每2个半半音的频频率比为为。另外外，简谱谱中的低低音6的的频率为为4400Hz，音音符7到到1之间间、3到到4之间间为半音音，其余余为全音音。由此此可计算算出简谱谱中从低低音1至至高音77之间每每个音符符的频率率，如下下表1所所示：表1 简简谱中音音符与频频率的关关系音名频率（HHz）音名频率（HHz）音名频率（HHz）低音1261.6中音1523.3高音110466.5低音2293.7中音2587.3高音211744.7低音3329.6中音3659.3高音313188.5低音4349.2中音4698.5高音413966.9低音5392

9、中音5784高音515688低音6440中音6880高音617600低音7493.9中音7987.8高音719755.5 1.22 音符符的长短短 表示音音乐的长长短需要要有一个个相对固固定的时时间概念念。简谱谱里将音音符分为为全音符符、二分分音符、四四分音符符、十六六分音符符、三十十二分音音符等，如如下表22。在这这几个音音符里面面最重要要的是四四分音符符，它是是一个基基本参照照度量长长度，即即四分音音符为一一拍。这这里一拍拍的概念念是一个个相对时时间度量量单位。一一拍的长长度没有有限制，可可以是11秒 也也可以是是2秒或或半秒。假假如一拍拍是一秒秒的长度度，那么么二拍就就是两秒秒；一拍定为

10、为半秒的的话，两两拍就是是一秒的的长度。一一旦这个个基础的的一拍定下下来，那那么比一一拍长或或短的符符号就相相对容易易了。正正如五线线谱的附附点一样样，数字字后方加加一点会会将音符符长度增增加一半半。表2 简简谱中音音符长度度音符名称称记法时值编码全音符5 四拍16二分音符符5 二拍8四分音符符5一拍4八分音符符半拍2十六分音音符四分之一一拍1三十二分分音符八分之一一拍2. VHDDL程序序设计 2.1 顶顶层文件件 采用原原理图输输入法设设计，其其原理图图如下：图6 mmusiic_pplayyer原原理图 各模块块的设计计如下。 2.2 音音符的编编码及音音乐的存存储 22.2.1 音音符

11、的编编码 休止止符的编编码为：0；音音符长度度的编码码见表22。音名名的编码码如下表表3所示示：表3音名名的编码码音名编码音名编码音名编码低音111中音11高音121低音212中音22高音222低音313中音33高音323低音414中音44高音424低音515中音55高音525低音616中音66高音626低音717中音77高音7272.2.2 音音乐的存存储 以十进进制将音音乐分别别存储于于notte_rrom和和ticck_rrom两两个模块块中，前前者为音音符，后后者为音音符的长长度，下下面给出出世上上只有妈妈妈好的的存储过过程。在在Quaartuus III 主主窗体中中选择TTooll

12、sMMegaaWizzarddPluuge-In Mannageer，弹弹出如下下对话框框，单击击Nexxt继续续。图 7 MeegaWWizaardPPlugge-IIn MManaagerr第一页页按下图选选择并填填入文件件名，点点击Neext。图 8 MeegaWWizaardPPlugge-IIn MManaagerr第二页页 由由于音符符编在116到332之间间，所以以q选为为5位即即可，容容量选为为10224个字字如下图图所示图 9 数据据和地址址宽度的的选择在下图中中取消“qoutput port”前面的勾，点击Next继续。图 100 寄寄存器信信号的选选择在下图中中，按图图示

13、选择择并填入入notte_rrom.miff，点击击Nexxt继续续。图 111 指指明ROOM初始始化文件件图 122 完完成ROOM的定定制2.2.3 建建立ROOM初始始化文件件 初始始化ROOM的数数据文件件有.mmif格格式和.hexx格式，这这里采用用.miif格式式，可以以用文本本编辑器器编辑，也也可以用用Quaartuus III自带带的功能能产生RROM数数据文件件。定制一一个5112*88的ROOM的初初始化.miff文件可可按下列列步骤进进行：选选择菜单单Fille | Neew，在在对话框框中选择择Memmoryy Innitiialiizattionn Fiile，然

14、然后输入入5122和8，如如下图113（aa）所示示，点击击OK随随即打开开.miif文件件，如下下图133（b）所所示，然然后可在在其中输输入数据据，默认认为十进进制。 （a）RROM的的初始化化设置 （bb）初始始化的空空的ROOM文件件图13 ROMM初始化化2.2.4 在在ROMM中存储储音乐以世上上只有妈妈妈好为为例，其其简谱如如下图所所示：图14 世上只只有妈妈妈好简谱谱 根据据前述对对音符的的编码规规则，可可知第一一个音为为中音66，时值值为拍，存存储为66和6；再如第第二个音音符为中中音5，时时值拍，存存储为55和2；又如第第五个音音符为高高音5，时时值1拍拍，存储储为211和

15、4。依依此类推推，可将将整首乐乐曲存储储如下：（a）note_rom.mif文件 （b）tick_rom.mif文件图15 世上只只有妈妈妈好简谱谱在ROOM中的的存储其它两首首乐曲的的存储与与此类似似，且存存储在同同一个nnotee_room.mmif和和ticck_rrom.miff文件中中即可。3.键盘盘控制模模块3.1扫扫描及编编码 矩阵阵式键盘盘是一种种常见的的输入装装置，根根据其电电路连接接有共阴阴极和共共阳极两两种连接接方式，可可以采用用逐行或或逐列扫扫描法获获得按键键值。本本文根据据实验室室提供的的共阳极极矩阵键键盘设计计，其示示意图如如图166所示，定定义各功功能键如如下图1

16、17所示示，其中中177对应简简谱的117音音符，HH、M、LL分别为为高、中中、低音音选择键键，APP（Auuto Plaay）为为自动播播放选择择键，EEO（EElecctroonicc Orrgann）为电电子琴弹弹奏选择择键，SSongg为自动动播放时时的歌曲曲选择键键，三个个短“-”代表表休止符符。 图16 共阳极极矩阵式式键盘示示意图 图图17本本系统矩矩阵键盘盘功能键键示意 下面面介绍扫扫描原理理，采取取逐行扫扫描法，以以01111、110111、11101、111100的顺序序依次扫扫描，然然后读取取列引脚脚的电平平信号即即可判断断哪个按按键按下下。例如如，当扫扫描信号号为10

17、011时时，表示示在扫描描第二行行，若列列读出的的电平信信号为111011，则可可知第33列的键键被按下下，即第第二行第第3列的的键“77”被按按下，其其它按键键依次类类推，下下表4中中列出了了4*44矩阵键键盘扫描描时的情情况表4 按按键扫描描信息对对照表 列列行 0111110111110111110011111011111234无10111567H无11011APEOSonggM无11100-L无对该矩阵阵键盘按按从上到到下、从从左至右右的顺序序编码，依依次为：1,22,3,4,55,6,7,88,9,10,11,12,13,14,15,16 。扫描时，选选取的扫扫描频率率为1KKHz，

18、由由1MHHz分频频得到，具具体见源源程序。3.2 消抖 通通常的按按键所用用开关为为机械弹弹性开关关，当机机械触点点断开、闭闭合时,由于机机械触点点的弹性性作用，一一个按键键开关在在闭合时时不会马马上稳定定地接通通，在断断开时也也不会一一下子断断开。因因而在闭闭合及断断开的瞬瞬间均伴伴随有一一连串的的抖动，如如右图。抖抖动时间间的长短短由按键键的机械械特性决决定，一一般为55ms10mms。这这是一个个很重要要的时间间参数，在在很多场场合都要要用到。图188 按键键抖动 常见见的消抖抖方法有有采样型型防抖微微分电路路、D型型触发器器、移位位寄存器器、计数数器，结结合各消消抖法的的特点，本本文

19、采用用计数器器法。 3.33键盘控控制模块块如右图图9所示示 图119 键键盘控制制模块 键盘盘控制模模块（KKey_Conntrool.vvhd）仿仿真波形形如下图图20所所示：图20键键盘控制制模块仿仿真波形形 为方方便仿真真及观察察仿真结结果，仿仿真时采采用周期期为1000nss的cllk，且且将Keey_CConttroll.vhhd中的的获得cclk_kb信信号的程程序中的的if cntt=4999 tthenn，（即即具体见见源程序序中斜体体注释部部分）改改为iff cnnt=110 tthenn，再将将延时近近程中cclk_kb改改为cllk，ccounnt改为为3位，然然后对K

20、KBCool00.33赋值值（如图图），即即可得到到上图所所示结果果。 注意意观察图图中圈圈圈的部分分，可以以看出，第第一个圈圈，对应应“APP”键，他他不在音音符范围围内，故故Keyy_Noote为为0，且且plaay，ssel均均为1，表表示选择择自动播播放；第第二个圈圈，对应应“5”键键，在音音符范围围内，故故Keyy_Noote为为5；第第三个圈圈，对应应“EOO”键，他他不在音音符范围围内，故故Keyy_Noote为为0，且且plaay，ssel均均为0，表表示选择择电子琴琴弹奏；第四个个圈，对对应“SSongg”键，产产生一个个脉冲，仔仔细分析析还应当当发现由由于消抖抖，使输输出迟

21、了了1个扫扫描时钟钟（0.0011s），但但对本系系统无影影响。4. 乐乐曲自动动播放模模块 此模模块的框框图如图图3所示示，元件件符号如如右图下下21所所示，包包含以下下模块：ROMM数据读读取控制制、音符符ROMM、节拍拍ROMM，如下下图222所示：图21 乐曲自自动播放放模块符符号图22 乐曲自自动播放放模块 4.1 RROM数数据读取取控制 该分分模块从从ticck_rrom中中读取节节拍，控控制读取取ROMM数据的的速度，从从而实现现音乐的的节奏。该该模块通通过可调调模值计计数器实实现，具具体参见见源程序序。 乐曲曲自动播播放模块块仿真波波形如下下： 图23 乐曲自自动播放放模块仿

22、仿真波形形 为方方便仿真真，将ccounnterr_room.vvhd源源程序中中的CLLK_FFREQQ这一常常量的值值改为仿仿真时的的时钟信信号频率率1000Hz，三三首乐曲曲的前几几个音符符如右图图所示，第第一首的的起始音音符为中中音6，时时值一又二分分之一拍拍；第二二首的起起始音符符为中音音5，时时值为11拍；第第三首的的起始音音符为00，接着着为1,2，时时值分别别为二分分之一拍拍、四分分之一拍拍、四分分之一拍拍。对照照仿真结结果，可可知仿真真结果正正确，程程序正确确。图24 三首乐乐曲的第第一句简简谱5. 电电子琴模模块 此模模块主要要完成将将上一级级键盘控控制模块块送来的的音符按

23、按键进行行译码输输出，元元件符号号如右图图11所所示。 如图图12所所示，使使能有效效后，开开始输出出音符码码：2，第第一个圈圈中keey值为为8，说说明下面面的音符符将转为为高音，如如后面的的23,26；第二个个圈中kkey值值为122， 说说明下面面的音符符将转为为中音，如如其后的的6。可可见，程程序正确确无误。 图 255 电电子琴模模块图26 电子琴琴模块仿仿真波形形6. 音音符发声声及显示示模块 该模模块主要要将前端端送来的的音符码码转换成成相应的的声音频频率以驱驱动扬声声器发声声，并在在七段数数码管（实实验室提提供的为为八段数码码管，但但本设计计只需七七段）上上显示音音符，且且有高

24、低低音指示示灯。元元件符号号如右图图。 七段数数码管的的原理及及使用很很简单，在在此不再再熬述！ 本文文设计的的具有自自动乐曲曲演奏功功能的电电子琴系系统选择择的基基基准频率率为1MMHz，根根据表11可计算算出对应应的音符符的分频频系数（divider_mod），如下表5：表5 1MHHz下简简谱中音音符分频频数音名分频系数数音名分频系数数音名分频系数数低音132833中音119111高音1956低音234055中音217033高音2851低音330344中音315177高音3758低音428633中音414322高音4716低音525511中音512766高音5638低音622733中音6

25、11377高音6568低音720255中音710122高音7506 为方方便仿真真，需将将Audd_Prro_DDis.vhdd源程序序中的ddiviiderr_mood值改改的小些些，下面面给出的的仿真波波形中，将将中音66、低音音6、及及高音66对应的的divvideer_mmod值值分别改改为400、800、200，cllk周期期为1000nss，分别别给noote_codde赋以以下值：6,116,226，即即中音66、低音音6、及及高音66。图27音音符发声声及显示示模块仿仿真波形形 由上上图可见见，数码码管显示示均为66，但高高低音指指示灯的的值不同同，piitchh为高低低音指示

26、示灯，ppitcch11为高高位，且且“000”代表表中音，“001”代代表低音音，“110”代代表高音音。可见见仿真结结果及程程序均正正确。7. 五五二输入入或门 由于于本系统统有自动动播放和和电子琴琴弹奏两两个模块块组成，每每次只能能其中一一个有效效，但要要共用音音符发声声及显示示模块，故故需要将将输出的的音符码码相或后后送予后后级处理理，由于于本模块块比较简简单，在在此仅给给出仿真真波形，如如下。图28五五二输入入或门五、遇到到问题及及解决方方法 1. 矩阵阵键盘的的扫描是是一个重重点和难难点，程程序写好好之初效效果并不不理想，仔仔细分析析后，发发现是没没有消抖抖造成的的，后来来加入了了

27、消抖的的进程，效效果得到到改善。 2. 电子子琴弹奏奏模块的的实现过过程中也也出现了了一个问问题：高高、中、低低音的选选择不起起作用，此模块仅有一个进程，如下：proccesss(keey,pplayy,ENN)variiablle ssignn :iinteegerr raangee 0 to 2:=0;begiinif pplayy=00 aand EN=0 thhen iff keey=112 tthenn ssignn:=00;-midd ellsiff keey=116 tthenn ssignn:=11;-loww ellsiff keey=88 thhen ssignn:=22;

28、-higgh ennd iif; iff keey=1 aand keyy=77 thhen-17 nnotee_coode=keey+110*ssignn; ellse nnotee_coode=0;-sstopp ennd iif; endd iff;elsee notte_ccodee=00; siggn:=0;end if;end proocesss; 但仿仿真结果果令人惊惊讶，只只能输出出高音，仿仿真波形形如下，错错误处已已经用叉叉号标记记出来图29 未加入入clkk时钟信信号时的的仿真结结果解决办法法：给该该模块加加入时钟钟驱动，用用上升沿沿触发事事件，结结果得到到了想要要的结果果

29、，如下下图，程程序见该该模块源源代码。图30 加入cclk时时钟信号号时的仿仿真结果果六、实现现结果1.拨动动开关，使使staart为为1，此此时数码码管显示示短横，扬扬声器不不发声；2.按下下矩阵键键盘的“AAP”键键，系统统开始自自动播放放乐曲，顺顺序：世世上只有有妈妈好好、长长亭送别别、十十年循循环播放放；3.按下下歌曲选选择键：“Soong”，自自动切换换到下一一首播放放；4.按下下“EOO”键，扬扬声器不不发声，按按数字键键177，发出出dosi的的音符；5.按下下“H”、“MM”、“LL”键，可可切换高高、中、低低音；6.拨动动开关，使使staart为为0，此此时数码码管显示示短横

30、，扬扬声器不不发声；本文设计计的具有有自动演演奏乐曲曲功能的的电子琴琴系统，实实现了所所有设计计目标，效效果优秀秀，极具具综合性性、趣味味性！此系统的的功能还还可以进进一步完完善，如如增加手手动改变变音乐播播放的节节奏、长长时间无无按键系系统自动动关闭、手手动输入入音符再再自动播播放（当当然需将将ROMM换成RRAM）等等功能。此系统是是我独立立开发的的一个小小型系统统，且实实现的效效果很好好，很有有成就感感，更加加激发我我搞科研研的热情情！七、编程程调试1. 具具有自动动演奏乐乐曲功能能的电子子琴系统统的所有有VHDDL源代代码1.1 顶层文文件muusicc_pllayeer.bbdf如如

31、下：图31 mussic_plaayerr.bddf文件件1.2 键盘控控制模块块（Keey_CConttroll.vhhd）VVHDLL源程序序如下：librraryy ieeee;use ieeee.sstd_loggic_11664.aall;use ieeee.sstd_loggic_unssignned.alll;entiity Keyy_Coontrrol isportt (cclk,staart: inn sttd_llogiic;KBCool:iinsttd_llogiic_vvecttor(0 tto 33);songg:buuffeersttd_llogiic;playy:

32、ouutsttd_llogiic;-1mmusiic_pplayy; 00:Ellc_kkeybboarrd;sel:outtstdd_loogicc;-1:mmusiic_pplayy; 00:Ellc_kkeybboarrd;Key_Notte:bbufffer inttegeer rrangge 00 too 166;KBRoow:bbufffersstd_loggic_vecctorr(0 to 3);end enttityy;archhiteectuure conntrool oof KKey_Conntrool iissignnal clkk_kbb:sttd_llogiic;si

33、gnnal cntt:inntegger rannge 0 tto 110000;signnal temmp:SSTD_LOGGIC_VECCTORR (77 doowntto 00);signnal staate:stdd_loogicc_veectoor(11 doowntto 00):=000;signnal couunt:stdd_loogicc_veectoor(11 doowntto 00):=000;signnal keyy:inntegger rannge 0 tto 116;signnal keyynumm:inntegger rannge 0 tto 116;signnal

34、 TemmpKeey:iinteegerr raangee 0 to 16;signnal sonng_cchg:stdd_loogicc:=0;begiin proccesss(cllk) -产产生键盘盘扫描begiin if rrisiing_edgge(clkk)thhen iff sttartt=11 tthenn iif ccnt=4999 thhen-仿真真时改为为if cntt=100 thhen clkk_kbb=nnot clkk_kbb; cntt=00; eelsee cntt=ccnt+1; eend if; ennd iif; endd iff;end prooces

35、ss;proccesss(cllk_kkb)begiin iff riisinng_eedgee(clkk_kbb) tthenn iif sstatte=11 thhen staate=000; eelsee staateKBRRowKBRRowKBRRowKBRRowKBRRow=111111;end casse;end proocesss;tempp=KBBRoww & KBCCol;proccesss(cllk_kkb)begiinif sstarrt=1 theenif ffalllingg_eddge(clkk_kbb) tthenn iff KBBColl=111111 tthe

36、nn iif ccounnt=11 thhen keyy=00; couunt=000; eelsee couunt=coountt+1; eend if; ellse -couuntkeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeyykeey=0; eend casse; ennd iif;end if;elseekey=0;end if;end proocesss;proccesss(cllk)variiablle ccounnt:sstd_loggic_vecctorr(4 dowwntoo 0);-仿真时时改为(1 ddownnto 0)begiinif rrisiing_edgge(clkk) tthenn iff keey/=TemmpKeey tthenn TTemppKeyy=kkey; ccounnt:=0000000; - 仿真时时改为”00” ellse iif ccounnt=111111 thhen-