吳翠娟

摘要：該文采用FPGA芯片EP1K100QC208-3作為控制核心芯片實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易電子琴的控制電路。該簡(jiǎn)易電子琴具有手動(dòng)彈奏和自動(dòng)演奏預(yù)存樂(lè)曲的功能，并可同時(shí)顯示手動(dòng)彈奏或自動(dòng)演奏的音節(jié)名稱?？刂齐娐钒詣?dòng)節(jié)拍產(chǎn)生、手/自動(dòng)彈奏音名產(chǎn)生、手/自動(dòng)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(jì)。

關(guān)鍵詞：FPGA；電子琴；手動(dòng)彈奏；自動(dòng)演奏；音名顯示

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）28-6777-04

1 概述

眾所周知，物體振動(dòng)能夠發(fā)出聲音。振動(dòng)的頻率不同，聲音的音調(diào)就不同。樂(lè)譜中的每個(gè)音名都對(duì)應(yīng)有特定的發(fā)聲頻率。同樣，電子琴演奏出的每個(gè)音名，也是由一個(gè)個(gè)不同頻率的電信號(hào)，通過(guò)揚(yáng)聲器的音圈，使揚(yáng)聲器的振膜以與原電信號(hào)同頻率振動(dòng)來(lái)控制揚(yáng)聲器發(fā)出不同的音調(diào)的。

本簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)可以通過(guò)按鍵選擇手動(dòng)彈奏和自動(dòng)演奏兩種模式。手動(dòng)彈奏模式時(shí)，可通過(guò)按壓14個(gè)不同的按鍵，使揚(yáng)聲器能對(duì)應(yīng)彈奏從中音1到低音1之間的全部音名。自動(dòng)演奏模式時(shí)，揚(yáng)聲器會(huì)自動(dòng)播放預(yù)先設(shè)定的某段音樂(lè)。在兩種工作模式下，揚(yáng)聲器發(fā)出的音名，可以通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。

簡(jiǎn)易電子琴系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1的框圖，通過(guò)手/自動(dòng)模式切換電路可選擇電子琴的手動(dòng)彈奏/自動(dòng)演奏模式。手動(dòng)模式時(shí)，通過(guò)彈奏電路的音節(jié)鍵盤，可以手動(dòng)彈奏n個(gè)音節(jié)對(duì)應(yīng)的n個(gè)彈奏按鍵；自動(dòng)模式時(shí)，F(xiàn)PGA將基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高頻標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)處理產(chǎn)生自動(dòng)演奏所需的節(jié)拍自動(dòng)控制信號(hào)。通過(guò)FPGA編程實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)，能夠播放出手動(dòng)彈奏/自動(dòng)演奏的樂(lè)曲，并在1位數(shù)碼管上顯示手動(dòng)彈奏/自動(dòng)演奏的音節(jié)名稱。

2 簡(jiǎn)易電子琴的FPGA控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)FPGA的外圍接口電路原理簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，便于實(shí)現(xiàn)。

簡(jiǎn)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(jì)功能。

2.1 自動(dòng)節(jié)拍產(chǎn)生模塊

自動(dòng)節(jié)拍產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì)是基于分頻器的設(shè)計(jì)，用于將高頻的基準(zhǔn)頻率信號(hào)分頻產(chǎn)生自動(dòng)演奏模式下8Hz的節(jié)拍自動(dòng)控制信號(hào)。

用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)描述本電路模塊，得到的設(shè)計(jì)電路模塊如圖3所示。

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

2.2 手動(dòng)彈奏音名產(chǎn)生模塊

當(dāng)手/自動(dòng)模式為手動(dòng)模式時(shí)，手動(dòng)彈奏音名產(chǎn)生模塊檢測(cè)n個(gè)彈奏按鍵的動(dòng)作狀態(tài)，生成按鍵對(duì)應(yīng)音名的BCD編碼。

本模塊設(shè)計(jì)使用1位數(shù)碼管，為了使數(shù)碼管顯示的音名易于識(shí)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(diǎn)是否點(diǎn)亮來(lái)標(biāo)識(shí)：如小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮為低音，小數(shù)點(diǎn)未點(diǎn)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(gè)彈奏按鍵的標(biāo)號(hào)與14個(gè)音名的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

用VHDL設(shè)計(jì)描述本設(shè)計(jì)模塊，得到手動(dòng)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(dòng)/自動(dòng)模式開(kāi)關(guān)的狀態(tài)輸入端，高電平1時(shí)為手動(dòng)彈奏模式；PLAYKEY[13..0]為14個(gè)彈奏按鍵的狀態(tài)輸入端，每一時(shí)刻只有一個(gè)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(dòng)彈奏音名的低音/中音標(biāo)志信號(hào)輸出端，用于識(shí)別低音和中音，PLAYLOW為1時(shí)表示低音，PLAYLOW為0時(shí)表示中音；PLAYNAME[3..0]為手動(dòng)彈奏的低音1～7和中音1～7的BCD編碼輸出端。

2.3 自動(dòng)演奏音名產(chǎn)生模塊

當(dāng)為自動(dòng)模式時(shí)，自動(dòng)演奏音名產(chǎn)生模塊以自動(dòng)節(jié)拍分頻模塊產(chǎn)生的8Hz頻率信號(hào)為節(jié)拍，將按照預(yù)先設(shè)定的某段音樂(lè)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(biāo)志。

以自動(dòng)演奏樂(lè)譜拍號(hào)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(gè)四分音符或8個(gè)八分音符。每個(gè)八分音符為1個(gè)8Hz節(jié)拍，則每拍為1個(gè)四分音符（亦即2個(gè)八分音符），即占2個(gè)8Hz的節(jié)拍。因此，樂(lè)譜中，每拍為2個(gè)八分音符的每個(gè)音符占1個(gè)8Hz節(jié)拍，每拍是1個(gè)四分音符的占2個(gè)8Hz節(jié)拍。在程序設(shè)定中每個(gè)8Hz節(jié)拍產(chǎn)生一個(gè)音名，因此1個(gè)八分音符產(chǎn)生一個(gè)音名，1個(gè)四分音符應(yīng)產(chǎn)生兩個(gè)相同的音名，1個(gè)二分音符應(yīng)產(chǎn)生4個(gè)相同的音名，1個(gè)全音符應(yīng)產(chǎn)生8個(gè)相同的音名。

用VHDL設(shè)計(jì)描述本設(shè)計(jì)模塊，得到自動(dòng)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(dòng)/自動(dòng)模式開(kāi)關(guān)的狀態(tài)輸入端，低電平0時(shí)為自動(dòng)彈奏模式；JIEPAI為自動(dòng)節(jié)拍產(chǎn)生模塊生成的8Hz節(jié)拍信號(hào)輸入端， AUTOLOW為自動(dòng)彈奏音名的低音/中音標(biāo)志信號(hào)輸出端，用于識(shí)別低音和中音，AUTOLOW為1時(shí)表示低音，AUTOLOW為0時(shí)表示中音；AUTONAME[3..0]為自動(dòng)彈奏的低音1～7和中音1～7的BCD編碼輸出。

2.4 手動(dòng)/自動(dòng)音名輸出選擇模塊

手動(dòng)彈奏音名產(chǎn)生模塊和自動(dòng)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(biāo)志（PLAYLOW和AUTOLOW），但FPGA的接口電路不可能同時(shí)處理兩組信號(hào)，因此本模塊的作用是根據(jù)手動(dòng)/自動(dòng)模式開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，選擇兩組信號(hào)中的一組輸出給后續(xù)電路進(jìn)行處理。

手動(dòng)/自動(dòng)音名輸出選擇模塊相當(dāng)于是一個(gè)二選一的數(shù)據(jù)選擇器。當(dāng)MODE為高電平，即手動(dòng)彈奏模式時(shí)，選擇輸出手動(dòng)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(dòng)演奏模式時(shí)，選擇輸出自動(dòng)演奏音名產(chǎn)生模塊輸出的AUTONAME和AUTOLOW。

用VHDL設(shè)計(jì)描述本設(shè)計(jì)模塊，得到手動(dòng)/自動(dòng)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(dòng)/自動(dòng)模式開(kāi)關(guān)的狀態(tài)輸入端；PLAYLOW和PLAYNAME為手動(dòng)彈奏模式下的低音/中音標(biāo)志和音名的BCD碼；AUTOLOW和AUTONAME為自動(dòng)演奏模式下的低音/中音標(biāo)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(biāo)志，根據(jù)MODE的狀態(tài)，選擇手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式下的一組音名BCD碼和低音/中音標(biāo)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(jì)思路

樂(lè)譜中的每個(gè)音節(jié)都對(duì)應(yīng)有特定的發(fā)聲頻率。不同音節(jié)的發(fā)聲頻率需對(duì)基準(zhǔn)頻率進(jìn)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(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)。

簡(jiǎn)譜中音名與頻率的對(duì)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(duì)基準(zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)行不同分頻系數(shù)分頻而得到各音名對(duì)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(duì)應(yīng)音名的發(fā)音頻率。

本模塊相當(dāng)于一個(gè)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(hào)需送蜂鳴器發(fā)聲，為了提高聲音信號(hào)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(lái)。低音1～7及中音1～7的音名BCD碼對(duì)應(yīng)相同，低音和中音可用小數(shù)點(diǎn)是否點(diǎn)亮來(lái)標(biāo)識(shí)：小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮為低音，小數(shù)點(diǎn)未點(diǎn)亮為中音。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)簡(jiǎn)易電子琴的原理框圖，將用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)要求的設(shè)計(jì)功能。再連接上外圍的輸入、輸出接口電路，該FPGA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易電子琴電路的設(shè)計(jì)功能。

本設(shè)計(jì)采用高集成度的FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，用VHDL描述設(shè)計(jì)，精確的數(shù)字分頻系數(shù)使電子琴的發(fā)音準(zhǔn)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(jì)修改困難、電路系統(tǒng)可靠性等問(wèn)題，設(shè)計(jì)修改方便，功能擴(kuò)展易于實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)開(kāi)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(jià)比大大提升。具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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