基于FPGA的簡易電子琴控制電路設(shè)計

吳翠娟

摘要：該文采用FPGA芯片EP1K100QC208-3作為控制核心芯片實現(xiàn)簡易電子琴的控制電路。該簡易電子琴具有手動彈奏和自動演奏預(yù)存樂曲的功能，并可同時顯示手動彈奏或自動演奏的音節(jié)名稱?？刂齐娐钒詣庸?jié)拍產(chǎn)生、手/自動彈奏音名產(chǎn)生、手/自動音名輸出選擇、音節(jié)分頻系數(shù)產(chǎn)生、音名頻率產(chǎn)生和BCD-7段譯碼等模塊的電路功能，用VHDL描述各電路設(shè)計。

關(guān)鍵詞：FPGA；電子琴；手動彈奏；自動演奏；音名顯示

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）28-6777-04

1 概述

眾所周知，物體振動能夠發(fā)出聲音。振動的頻率不同，聲音的音調(diào)就不同。樂譜中的每個音名都對應(yīng)有特定的發(fā)聲頻率。同樣，電子琴演奏出的每個音名，也是由一個個不同頻率的電信號，通過揚聲器的音圈，使揚聲器的振膜以與原電信號同頻率振動來控制揚聲器發(fā)出不同的音調(diào)的。

本簡易電子琴的設(shè)計可以通過按鍵選擇手動彈奏和自動演奏兩種模式。手動彈奏模式時，可通過按壓14個不同的按鍵，使揚聲器能對應(yīng)彈奏從中音1到低音1之間的全部音名。自動演奏模式時，揚聲器會自動播放預(yù)先設(shè)定的某段音樂。在兩種工作模式下，揚聲器發(fā)出的音名，可以通過數(shù)碼管顯示出來。

簡易電子琴系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1的框圖，通過手/自動模式切換電路可選擇電子琴的手動彈奏/自動演奏模式。手動模式時，通過彈奏電路的音節(jié)鍵盤，可以手動彈奏n個音節(jié)對應(yīng)的n個彈奏按鍵；自動模式時，F(xiàn)PGA將基準頻率產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻標準頻率信號處理產(chǎn)生自動演奏所需的節(jié)拍自動控制信號。通過FPGA編程實現(xiàn)的控制系統(tǒng)，能夠播放出手動彈奏/自動演奏的樂曲，并在1位數(shù)碼管上顯示手動彈奏/自動演奏的音節(jié)名稱。

2 簡易電子琴的FPGA控制電路設(shè)計

本設(shè)計FPGA的外圍接口電路原理簡單，技術(shù)成熟，便于實現(xiàn)。

簡易電子琴的FPGA控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

FPGA內(nèi)部的控制電路各功能模塊用VHDL描述其設(shè)計功能。

2.1 自動節(jié)拍產(chǎn)生模塊

自動節(jié)拍產(chǎn)生模塊的設(shè)計是基于分頻器的設(shè)計，用于將高頻的基準頻率信號分頻產(chǎn)生自動演奏模式下8Hz的節(jié)拍自動控制信號。

用VHDL語言設(shè)計描述本電路模塊，得到的設(shè)計電路模塊如圖3所示。

圖中，CLKIN為基準頻率100KHz信號的輸入端口，CLKOUT為經(jīng)過12500分頻后得到的8Hz節(jié)拍信號輸出端口。

2.2 手動彈奏音名產(chǎn)生模塊

當(dāng)手/自動模式為手動模式時，手動彈奏音名產(chǎn)生模塊檢測n個彈奏按鍵的動作狀態(tài)，生成按鍵對應(yīng)音名的BCD編碼。

本模塊設(shè)計使用1位數(shù)碼管，為了使數(shù)碼管顯示的音名易于識別，中低音1～7和中音1～7的BCD編碼采用正常的數(shù)字1～7的BCD編碼，而低音和中音可用小數(shù)點是否點亮來標識：如小數(shù)點點亮為低音，小數(shù)點未點亮為中音。也可以多增加1位數(shù)碼管用于顯示高、中、低音。

以14音電子琴為例，4個彈奏按鍵的標號與14個音名的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

用VHDL設(shè)計描述本設(shè)計模塊，得到手動彈奏音名產(chǎn)生模塊如圖5所示。

圖5所示模塊圖中，MODE為手動/自動模式開關(guān)的狀態(tài)輸入端，高電平1時為手動彈奏模式；PLAYKEY[13..0]為14個彈奏按鍵的狀態(tài)輸入端，每一時刻只有一個按鍵被按下（按鍵按下為高電平1），如圖4-5所示，PLAYKEY（13）到PLAYKEY（7） 依次順序?qū)?yīng)低音1～7，PLAYKEY（6）到PLAYKEY（0） 依次順序?qū)?yīng)中音1～7；PLAYLOW為手動彈奏音名的低音/中音標志信號輸出端，用于識別低音和中音，PLAYLOW為1時表示低音，PLAYLOW為0時表示中音；PLAYNAME[3..0]為手動彈奏的低音1～7和中音1～7的BCD編碼輸出端。

2.3 自動演奏音名產(chǎn)生模塊

當(dāng)為自動模式時，自動演奏音名產(chǎn)生模塊以自動節(jié)拍分頻模塊產(chǎn)生的8Hz頻率信號為節(jié)拍，將按照預(yù)先設(shè)定的某段音樂的音符順序，依次循環(huán)輸出用于顯示音名的BCD碼和低音/中音標志。

以自動演奏樂譜拍號為4/4為例，即以四分音符為一拍，每小節(jié)有四拍。每小節(jié)可為4個四分音符或8個八分音符。每個八分音符為1個8Hz節(jié)拍，則每拍為1個四分音符（亦即2個八分音符），即占2個8Hz的節(jié)拍。因此，樂譜中，每拍為2個八分音符的每個音符占1個8Hz節(jié)拍，每拍是1個四分音符的占2個8Hz節(jié)拍。在程序設(shè)定中每個8Hz節(jié)拍產(chǎn)生一個音名，因此1個八分音符產(chǎn)生一個音名，1個四分音符應(yīng)產(chǎn)生兩個相同的音名，1個二分音符應(yīng)產(chǎn)生4個相同的音名，1個全音符應(yīng)產(chǎn)生8個相同的音名。

用VHDL設(shè)計描述本設(shè)計模塊，得到自動演奏音名產(chǎn)生模塊如圖6所示。

圖6所示模塊圖中，MODE為手動/自動模式開關(guān)的狀態(tài)輸入端，低電平0時為自動彈奏模式；JIEPAI為自動節(jié)拍產(chǎn)生模塊生成的8Hz節(jié)拍信號輸入端， AUTOLOW為自動彈奏音名的低音/中音標志信號輸出端，用于識別低音和中音，AUTOLOW為1時表示低音，AUTOLOW為0時表示中音；AUTONAME[3..0]為自動彈奏的低音1～7和中音1～7的BCD編碼輸出。

2.4 手動/自動音名輸出選擇模塊

手動彈奏音名產(chǎn)生模塊和自動彈奏音名產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的兩組不同的音名BCD碼輸出（PLAYNAME和AUTONAME）及低音/中音標志（PLAYLOW和AUTOLOW），但FPGA的接口電路不可能同時處理兩組信號，因此本模塊的作用是根據(jù)手動/自動模式開關(guān)的狀態(tài)，選擇兩組信號中的一組輸出給后續(xù)電路進行處理。

手動/自動音名輸出選擇模塊相當(dāng)于是一個二選一的數(shù)據(jù)選擇器。當(dāng)MODE為高電平，即手動彈奏模式時，選擇輸出手動彈奏音名產(chǎn)生模塊輸出的PLAYNAME和PLAYLOW；當(dāng)MODE為低電平，即自動演奏模式時，選擇輸出自動演奏音名產(chǎn)生模塊輸出的AUTONAME和AUTOLOW。

用VHDL設(shè)計描述本設(shè)計模塊，得到手動/自動音名輸出選擇模塊如圖7所示。

圖7所示模塊圖中，MODE為手動/自動模式開關(guān)的狀態(tài)輸入端；PLAYLOW和PLAYNAME為手動彈奏模式下的低音/中音標志和音名的BCD碼；AUTOLOW和AUTONAME為自動演奏模式下的低音/中音標志和音名的BCD碼；NAMEOUT和LOWOUT為輸出到后續(xù)模塊使電子琴發(fā)音的音名BCD碼和低音/中音標志，根據(jù)MODE的狀態(tài)，選擇手動和自動兩種模式下的一組音名BCD碼和低音/中音標志作為輸出。

2.5 音節(jié)分頻系數(shù)產(chǎn)生模塊

1） 音節(jié)分頻系數(shù)產(chǎn)生模塊的設(shè)計思路

樂譜中的每個音節(jié)都對應(yīng)有特定的發(fā)聲頻率。不同音節(jié)的發(fā)聲頻率需對基準頻率進行不同分頻系數(shù)而得到。音節(jié)分頻系數(shù)產(chǎn)生模塊的功能是產(chǎn)生不同音節(jié)對應(yīng)的分頻系數(shù)。

簡譜中音名與頻率的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2.6 音名頻率產(chǎn)生模塊

音名頻率產(chǎn)生模塊是用于對基準頻率信號進行不同分頻系數(shù)分頻而得到各音名對應(yīng)的發(fā)聲頻率。分頻系數(shù)是音名分頻系數(shù)產(chǎn)生模塊生成的數(shù)值，作為音名頻率產(chǎn)生模塊的分頻系數(shù)預(yù)置值，使不同音名的分頻系數(shù)預(yù)置值不同，從而產(chǎn)生對應(yīng)音名的發(fā)音頻率。

本模塊相當(dāng)于一個可預(yù)置分頻系數(shù)的分頻器。考慮到本模塊輸出的音名頻率信號需送蜂鳴器發(fā)聲，為了提高聲音信號的功率，可以采用圖9所示的高占空比分頻波形。

2.7 BCD-七段譯碼模塊

七段譯碼模塊是將低音1～7及中音1～7的音名BCD碼譯碼為數(shù)碼管的七段字段碼，使音名1～7的字形在數(shù)碼管上顯示出來。低音1～7及中音1～7的音名BCD碼對應(yīng)相同，低音和中音可用小數(shù)點是否點亮來標識：小數(shù)點點亮為低音，小數(shù)點未點亮為中音。

3 結(jié)束語

根據(jù)簡易電子琴的原理框圖，將用VHDL語言設(shè)計的功能模塊正確連接并編譯，編程數(shù)據(jù)下載配置到FPGA芯片中，該可編程芯片就可以實現(xiàn)要求的設(shè)計功能。再連接上外圍的輸入、輸出接口電路，該FPGA系統(tǒng)實現(xiàn)了簡易電子琴電路的設(shè)計功能。

本設(shè)計采用高集成度的FPGA芯片實現(xiàn)，用VHDL描述設(shè)計，精確的數(shù)字分頻系數(shù)使電子琴的發(fā)音準確，避免了需要專業(yè)調(diào)音師反復(fù)調(diào)試、硬件電路設(shè)計修改困難、電路系統(tǒng)可靠性等問題，設(shè)計修改方便，功能擴展易于實現(xiàn)，設(shè)計開發(fā)成本低，系統(tǒng)控制的可靠性和靈活性提高，系統(tǒng)的性價比大大提升。具有一定的現(xiàn)實意義。

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