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基于CPLD和FPGA的简易电子琴设计
前 言
1、课题背景
当前市场上的电子琴价格较昂贵,且产品升级换代必须更新大部分的硬件,影响了产品的推广和适应市场的能力。而且市场上大多电子琴靠传统的硬件设计方法来实现其功能,这样很难降低其成本。CPLD/FPGA技术的出现及迅速发展,为利用软件实现较大规模的数字电路设计提供了方便,降低了数字电路的设计周期和相关产品的成本。
复杂CPLD可分为复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array),它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽的特点。这两种器件兼容了简单PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。与ASIC(Application Specific IC)相比,具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10000件以下)之中。比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列(如XC4000)和Altera公司的CPLD器件系列(如MAX700),这两个公司的产品开发较早,占领PLD市场的绝大部分,可以说Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。
FPGA和CPLD由三大部分组成的,即一个二维的逻辑块阵列,构成了PLD器件的逻辑组成核心;输入/输出块;连接逻辑块的互连资源。连线资源是指由各种长度的连线线段组成,其中也有一些可编程的连接开关,它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接。
随着超大规模集成电路VlSI(Very Large Scale IC)工艺的不断提高,单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管,FPGA/CPLD芯片的规模也越来越大,其单片逻辑门数目前已达到上百万门,它所能实现的功能也越来越强,同时也可以实现系统集成。
CPLD/FPGA是近几年集成电路中发展最快的产品。由于PLD性能的高速发展以及设计人员自身能力的提高,可编程逻辑器件供应商将进一步扩大可编程芯片的领地,将复杂的专用芯片推向高端和超复杂应用。可编程逻辑器件依然是集成电路中最具活力和前途的产业。
2、研究重点
电子琴系统由以下几模块构成,因此,研究的重要主要在以下四个方面:
(1) 音符发生模块的设计;
(2) 简易键盘扫描电路设计;
(3) 电子琴发音模块的设计;
(4) 动态译码及显示电路设计。
3、课题宗旨及内容概述
本文通过对音符发生模块,简易键盘扫描电路,电子琴发音模块,动态译码及显示电路等的设计,要达到以下的目标:
(1)能够进行正常的演奏;
(2)可演奏的发音音阶为G调的部分低音组,整个中音组,部分高音组;
(3)在实现演奏的同时用简谱的形式同步显示演奏的乐曲;
(4)保证足够音量,使输出信号最好保持50%左右的占空比。
本文结构:第一章为绪论,主要分析了课题背景和意义,讲述了可编程逻辑器件PLD的历史和发展,并将PLD技术和ASIC技术作了全面比较。而后介绍了音乐的有关知识,是系统设计的基础。第二章介绍了开发工具以及硬件FPGA器件简介,并介绍了基于EDA技术的FPGA/CPLD电路设计的基本流程及其常用的EDA工具。第三章主要论述了电子琴的基本原理、设计和实现方法。第四章重点介绍了按键扫描电路的设计,通过给出4×4矩阵键盘的原理,设计出适合电子琴特色的键盘。第五章给出了音符查表及简谱产生电路的设计,它对键盘输出的信号进行处理,产生音符的相关信息。第六章以及第七章分别讲述了发音电路和显示器的设计。第八章则是对整个系统的总汇,画出了顶层设计文件,调试成功,便可以综合下载到FPGA器件里了。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪 论 1
1.1 本设计的研究背景和研究目的 1
1.2 研究内容及方法 3
1.3 设计的主要工作 3
1.4 与设计相关的音乐知识 3
第二章 开发工具以及硬件FPGA器件简介 5
2.1 EDA技术 5
2.2 硬件描述语言—VHDL 5
2.3 VHDL的设计流程: 6
2.4 FPGA器件简介 7
2.5 本章小结 8
第三章 方案论证 9
3.1 设计思想以及设计原理框图 9
3.2 原理说明 9
3.3 系统的实现以及设计指标 10
第四章 按键扫描电路 11
4.1 直接式/矩阵式键盘原理以及方案的选择 11
4.2 时钟产生模块 14
4.3 键盘扫描电路模块 16
4.4 键盘译码以及开关电路 18
4.5 本章小结 20
第五章 音符查表及简谱产生电路 21
5.1 音符查表及简谱产生电路的说明 21
5.2 本章小结 23
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