FPGA硬件电子琴电路设计实验报告

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。

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。

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.

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 DATA_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; 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;

40: 5 ; 41: 5 ; 42: 5 ; 43: 6; 44: 8; 45: 8; 46: 9; 47: 9; 48: 3; 49: 3;

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。

五．实验报告要求：用仿真波形和电路原理图，详细叙述硬件电子琴的工作原理及其3个Verilog文件中相关语句的功能，叙述硬件实验情况。

答：（1）①在数控分频器模块中，在时钟上升沿触发always模块，如果count4>11，则

使PreClk，Count4赋值为1，否则使PreClk赋值为0，Count4加1，用第一个always模块产生的PreClk上升沿做触发条件，如果count11>11’h7FF，则使Count11赋值为Tone，FullSpkS赋值为1，否则使Count11加1，FullSpkS为0；第二个always模块产生的FullSpks上升沿做触发条件，每遇到一个上升沿让count2翻转一次，如果count2为1，扬声器发出声音，否则不发。

②在分频模块中，用27MHz分频产生占空比为50%的4Hz时钟，在27MHz时钟的上升沿触发，如果count计数达到3374999，将count赋为0，并将Q2翻转，否则继续计数。用50MHZ的输入频率接入并进行分频得12.5MHz。 ③在NoteTabs模块中，用Clk上升沿或 reset下降沿做触发条件，如果reset为0，则将计数器置0.当计数到138时，Counter清0，否则继续计数。调用Music模块发音。 （2）原理：用mif文件将梁祝乐曲的曲谱、节拍和音调存储在内存中，再结合程序将乐谱的每一个值按一定频率、音调、节拍读出来，在DE2电路板上接扬声器便能听到有音乐出来，频率是我们利用分频模块设置的频率。这是一个纯硬件的乐曲自动演奏电路。

（3）实验情况：将每个模块进行仿真，得到相应的波形图，与预想的结果一样，但顶层的设计必须与每个模块连接在一起，将程序下载到DE2板上后接上扬声器能听到很清楚且速度很适宜的梁祝音乐。