1、實 驗 報 告 實驗名稱： 電子陶笛的設(shè)計與實現(xiàn) 題目編號： 題目6 學(xué) 院： 電子工程學(xué)院 姓 名： 班內(nèi)序號： 學(xué) 號： 班 級： 2014211212 實 驗 報 告- 1 -一 設(shè)計課題的任務(wù)要求- 1 -基本要求- 1 -提高要求- 1 -二 系統(tǒng)設(shè)計- 1 -設(shè)計思路- 1 -總體框圖- 2 -Ø 邏輯流程圖- 2 -Ø 邏輯劃分方框圖- 2 -Ø 總體框圖- 3 -分塊設(shè)計- 4 -（一） 鍵盤模塊- 4 -（二） 數(shù)碼管模塊- 4 -（三） 點陣模塊- 4 -（四） 音樂模塊- 4 -三 仿真波形及波形分析- 4 -1. 鍵盤模塊- 4 -2. 數(shù)

2、碼管模塊- 6 -3. 點陣模塊- 7 -4. 音樂模塊- 8 -四 源程序- 9 -1. 鍵盤模塊源程序- 9 -（一） 鍵盤分頻器- 9 -（二） 鍵盤掃描- 9 -（三） 鍵盤編碼- 10 -（四） 鍵盤防抖- 12 -（五） 鍵盤頂層- 13 -2. 數(shù)碼管模塊源程序- 14 -3. 點陣模塊源程序- 15 -（一） 點陣分頻器- 15 -（二） 點陣譯碼- 16 -4. 音樂播放模塊源程序- 30 -（一） 產(chǎn)生音符模塊- 30 -（二） 預(yù)置分頻系數(shù)- 36 -（三） 數(shù)控分頻發(fā)聲- 37 -（四） 音樂播放模塊頂層- 38 -5. 頂層設(shè)計- 40 -五 功能說明及資源利用情況-

3、 42 -六 故障及問題分析- 43 -七 總結(jié)和結(jié)論- 44 -1 設(shè)計課題的任務(wù)要求 基本要求 1.用4×4鍵盤的第一行和第二行各兩個按鍵模擬四孔陶笛的指孔,當(dāng)按鍵按下代表“按孔”，按鍵彈開代表“放孔”，本題目的電子陶笛要求能夠演奏中音1至中音7共7個音符； 2.根據(jù)四孔陶笛的演奏指法，每演奏一個音符，數(shù)碼管顯示相應(yīng)的音符，同時蜂鳴器演奏相應(yīng)的聲音； 3.用8×8雙色點陣顯示電子陶笛四個指控的演奏界面，紅色表示“按孔”，綠色表示“放孔”，音符“2”對應(yīng)下圖所示。 4.設(shè)置開關(guān)鍵。開機時有不小于5s的開機音樂，并在點陣上顯示開機界面。關(guān)機狀態(tài)為點陣全滅，關(guān)閉蜂鳴器。 提高

4、要求 1.可通過一個撥碼開關(guān)進行手動/自動演奏的切換，并與點陣顯示配合增加自動演奏樂曲的功能。 2.增加手動演奏音符的存儲、播放功能。 3.自擬其他功能。2 系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計思路根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，電子陶笛設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法。整體的功能通過不同的底層模塊配合來完成電子陶笛的功能。設(shè)計主要分為四個主要的模塊：鍵盤模塊、數(shù)碼管模塊、點陣模塊以及音樂播放模塊。其中鍵盤模塊包含鍵盤掃描與鍵盤編碼，鍵盤掃描頻率為1kHz左右較為合適，鍵盤編碼是通過給鍵盤列掃描信號，讀取鍵盤行值來判斷是哪個鍵按下，進而編碼輸出控制其他模塊的音符信號；數(shù)碼管模塊是通過讀取音符信號靜態(tài)顯示7個對應(yīng)的音符；點陣模塊是通過讀

5、取音符信號來顯示相應(yīng)的四孔指法，掃描時鐘為10kHz左右；音樂播放模塊包含預(yù)置頻率值、產(chǎn)生音符信號、數(shù)控分頻發(fā)聲三個主要部分，預(yù)置頻率是給每個音符分配對應(yīng)的頻率，產(chǎn)生音符信號是通過一個手動自動開關(guān)信號來控制輸出的音符，數(shù)控分頻發(fā)聲是通過讀取音符信號的預(yù)置頻率作為分頻系數(shù)來分頻輸出給蜂鳴器的，該模塊是在系統(tǒng)總時鐘50MHz下工作的。最后通過頂層設(shè)計將各模塊整合連接起來。 總體框圖Ø 邏輯流程圖 Ø 邏輯劃分方框圖 Ø 總體框圖 分塊設(shè)計（1） 鍵盤模塊 本次陶笛實驗所要求使用的是4×4鍵盤，并且每個指法對應(yīng)的鍵數(shù)不一，有一鍵，兩鍵，三鍵，四鍵，這比一次只判

6、別一個鍵的情況要略微復(fù)雜一點，我使用的是四行錯開的四個鍵key2，key5，key12，key15，并設(shè)置了四個信號count1-count4，當(dāng)代表陶笛左列第一孔的key2被按下時，此時keydrv&keyin為11010111，然后將count2編碼為1，當(dāng)key5被按下時count1為1，其它鍵同理，最后輸出count2&count1&count4&count3，能表示四個鍵排列組合的所有情況，取我們需要的7種代表音符指法信號，輸出給其它模塊。（2） 數(shù)碼管模塊 數(shù)碼管模塊為靜態(tài)顯示，不需要掃描時鐘，開機信號為1時令cat為00000000，八個數(shù)碼管同時

7、靜態(tài)顯示音符，開機信號為0時令cat為11111111，所有數(shù)碼管熄滅；輸入的音符指孔信號譯碼為1-7的數(shù)字顯示，代表七個音符。（3） 點陣模塊 點陣模塊需要顯示開機動畫以及陶笛按孔放孔的情況，將50MHz時鐘分頻為10kHz作為點陣模塊的行掃描時鐘，然后將10kHz分頻為2Hz的時鐘，作為開機動畫的時鐘，及OCARINA幾個字母每隔0.5s顯示一次，每次顯示是快速行掃描每列亮不同的led利用視覺暫留效應(yīng)來顯示完整的圖案的；輸入的note作為音符指法信號譯碼為需要顯示的指孔圖案，紅點代表按孔，綠點代表放孔，最后通過快速的行掃描顯示出來。（4） 音樂模塊 音樂模塊包括三個主要部分:手動自動整合產(chǎn)

8、生總音符信號、預(yù)置分頻系數(shù)、分頻驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。其中產(chǎn)生音符信號模塊是通過auto信號來控制是否為自動播放，如果是則按照已儲存的音樂信息輸出音符信號，如果否則輸出鍵盤鍵入的音符信號，該模塊還包括通過pswich來控制開機音樂的音符信號輸出；預(yù)置分頻系數(shù)是將音符指控信號譯碼為每個音符對應(yīng)的頻率值（題目中的表格已給出），分頻驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲是通過讀取輸入的特定音符的頻率值tune計算出分頻系數(shù)，然后將總時鐘clk_in分頻為該音符頻率的時鐘clk_out，然后輸出給蜂鳴器驅(qū)動其發(fā)聲的。3 仿真波形及波形分析1. 鍵盤模塊仿真波形：（此圖接上圖尾）clk：時鐘輸入；keyin：鍵盤行信號；keydrv

9、：鍵盤列信號；keyvalue：編碼輸出指法信號波形分析： 圖中的clk為時鐘信號，keydrv為輸出的列掃描信號，實際掃描速度為1kHz；keyin為鍵盤的行信號，不按鍵時為1，按下鍵之后為0，根據(jù)鍵盤的列掃描信號以及讀取對應(yīng)的行信號來判斷是哪個鍵被按下；圖中的keyvalue為編碼輸出的陶笛指孔信號；為便于分析我設(shè)置keyin的值為1011和1111來模擬一次按孔和放孔，當(dāng)快速掃描鍵盤每一列時，只有keydrv&keyin為11101011時是我們有用的編碼信號，即第一列第二行的按鍵key5被按下，代表陶笛四孔左列第二孔被按下，編碼為0100，對應(yīng)的音符為6，而1111代表放孔，編

10、碼為0000。（我所使用的四個按鍵為key2，key5，key12，key15，分別代表陶笛左列一二孔和右列一二孔）2. 數(shù)碼管模塊仿真波形：（此圖接上圖尾）digi_swich：數(shù)碼管開關(guān)；fingnote：輸入指法信號；seg：數(shù)碼管的每一段；cat：數(shù)碼管的控制信號波形分析： 圖中第一個為數(shù)碼管開關(guān)digi_swich，第二個為指孔信號，由圖可知，當(dāng)開關(guān)信號為1時，輸入指孔信號1111,1101,1110時輸出分別為0110000,1101101,1111001，代表數(shù)字1、2、3，即數(shù)碼管顯示指孔信號對應(yīng)的音符；當(dāng)開關(guān)信號為0時，輸出的seg為0110011，cat為11111111，

11、數(shù)碼管全滅。3. 點陣模塊仿真波形：（此圖接上圖尾）Clk_in：時鐘輸入；led_swich：點陣開關(guān)；note:對應(yīng)音符的指孔信號；row：點陣行信號；col_g：點陣列信號綠燈；col_r點陣列信號紅燈波形分析： 上圖所示波形為顯示開機動畫OCARINA中的字母O的波形，由圖可見，當(dāng)時鐘信號到來時，點陣開始逐行掃描，同時點陣的列亮不同的紅燈，通過視覺暫留效應(yīng)顯示一副完整的圖形，即字母O，從而構(gòu)成動畫的第一幀。由于仿真的局限性，此處不列舉出動畫的完整顯示以及音符指控的顯示。4. 音樂模塊仿真波形：（此圖接上圖尾）Clk：時鐘輸入；mswich：音樂播放開關(guān)；mclear：自動播放復(fù)位；ma

12、uto：曲目1自動播放；mauto1：曲目2自動播放；hang：指孔信號輸入；clkout：對應(yīng)音符頻率；yinfu：音符指孔信號輸出波形分析： 為了方便分析，將復(fù)位信號以及自動播放曲目2信號設(shè)為0，而開機信號以及自動播放曲目1設(shè)為1，即該仿真為曲目1播放時的仿真；因為總時鐘為50MHz，分頻后的時鐘頻率均為幾百赫茲，故分頻系數(shù)很大難以顯示完全，我將end time設(shè)置為50ms，所顯示的是分頻后的其中一個周期，該分頻后的時鐘輸出給蜂鳴器驅(qū)動其發(fā)聲。4 源程序1. 鍵盤模塊源程序（1） 鍵盤分頻器 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use iee

13、e.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity div_100 isport(clkin:in std_logic;-輸入總時鐘clkout:out std_logic-輸出分頻后的時鐘);end div_100;architecture a of div_100 issignal tmp:integer range 0 to 50000;signal clktmp:std_logic;beginprocess(clkin)beginif (clkin'event and clkin='1')th

14、en if tmp=49999 then tmp<=0; clktmp<=not clktmp; else tmp<=tmp+1; end if;end if;end process;clkout<=clktmp;end a;（2） 鍵盤掃描library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity keyscan is port(clk_in:in std_logic; -掃描時鐘keydrv:out std_l

15、ogic_vector(3 downto 0)-輸出掃描信號);end keyscan;architecture a of keyscan issignal count:std_logic_vector(1 downto 0);-計數(shù)器信號signal drtmp:std_logic_vector(3 downto 0);beginp0:process(clk_in) begin if rising_edge(clk_in) then if count="11"then count<="00" else count<=count+1; end

16、 if; end if; end process p0;p1:process(count)begin case count iswhen "00"=>drtmp<="1110" -掃第一列when "01"=>drtmp<="1101" -掃第二列when "10"=>drtmp<="1011" -掃第三列when "11"=>drtmp<="0111" -掃第四列when others

17、=>drtmp<="0000"end case;end process p1; keydrv<=drtmp;end a;（3） 鍵盤編碼 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity key_code isPort( clkin: in std_logic; -時鐘輸入 keyin : in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0); -鍵盤行信號 keydrv : i

18、n STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);-列掃描信號 finger:out std_logic_vector(3 downto 0) -編碼輸出對應(yīng)陶笛的指法 ); end key_code;architecture rtl of key_code issignal count1,count2,count3,count4:std_logic;-輸出指法向量的低位到高位signal fingering:std_logic_vector(3 downto 0):="0000"-彈奏指法，按孔為1，放孔為0signal s1,s2,s3,s4,s5,s6,

19、s7,s8:std_logic_vector(3 downto 0);-存儲指法編碼signal tmp:std_logic_vector(3 downto 0);-最終得到的指法編碼begin-temp<=keydrv&keyin;process(keydrv,keyin) begin s1<="1111" s2<="1101" s3<="1110" s4<="1100" s5<="0101" s6<="0100" s7&l

20、t;="0010" s8<="0000"if keydrv="1110" then case keyin is when"1011"=>count1<='1' when others=>count1<='0' end case;elsif keydrv="1101"then case keyin is when"0111"=>count2<='1' when others=>cou

21、nt2<='0' end case; elsif keydrv="1011"then case keyin is when"1110"=>count3<='1' when others=>count3<='0' end case; elsif keydrv="0111"then case keyin is when"1101"=>count4<='1' when others=>count4<=&#

22、39;0' end case; end if; tmp<=count2&count1&count4&count3; case tmp iswhen"0000"=>fingering<=s8;when"1111"=>fingering<=s1;when"1101"=>fingering<=s2;when"1110"=>fingering<=s3;when"1100"=>fingering<=s4;wh

23、en"0101"=>fingering<=s5;when"0100"=>fingering<=s6;when"0010"=>fingering<=s7;when others=>fingering<=s8; end case;end process; finger<=fingering;end rtl; （4） 鍵盤防抖 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.st

24、d_logic_unsigned.all;entity Antiwitter is Port ( clkin : in STD_LOGIC; fingerin : in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0); fingerout : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);end Antiwitter;architecture Behavioral of Antiwitter issignal TempNum:std_logic_vector(3 downto 0);signal Counter:std_logic_vector(4 downt

25、o 0);signal Start:std_logic;beginprocess(clkin)beginif rising_edge(clkin) then if Start='0' thenTempNum<="0000"fingerout<="0000"Start<='1'elseif fingerin/=TempNum thenTempNum<=fingerin;Counter<="00000"elseif Counter="11111" thenf

26、ingerout<=fingerin;Counter<="00000"elseCounter<=Counter+1;end if;end if;end if;end if;end process;end Behavioral;（5） 鍵盤頂層library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity keyboard isPort ( clk : in STD_LOGIC;-掃描時鐘，周期10ms k

27、eyint : in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);-鍵盤行信號 keydrvt : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);-輸出掃描信號 keyvalue : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);-編碼輸出音符信號end keyboard;architecture RTL of keyboard iscomponent keyscanPort ( clk_in : in STD_LOGIC;-掃描時鐘 keydrv : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0);-輸出掃描信號end

28、 component;component key_codePort ( clkin: in std_logic; -時鐘輸入 keyin : in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0); -鍵盤行信號 keydrv : in STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);-列掃描信號 finger:out std_logic_vector(3 downto 0) -編碼輸出對應(yīng)陶笛的指法 );end component;component Antiwitter Port ( clkin : in STD_LOGIC; -時鐘輸入 fingerin : in

29、STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);-音符指法信號輸入 fingerout : out STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);-音符指法信號輸出end component;signal keydrv1:STD_LOGIC_VECTOR (3 downto 0);-列掃描信號signal key:std_logic_vector(3 downto 0);-音符信號beginU1:keyscanport map(clk_in=>clk,keydrv=>keydrv1);U2:key_codeport map(clkin=>clk,ke

30、yin=>keyint,keydrv=>keydrv1,finger=>key);U3:Antiwitterport map(clkin=>clk,fingerin=>key,fingerout=>keyvalue);keydrvt<=keydrv1;end RTL;2. 數(shù)碼管模塊源程序 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity digital_tube isport( dig

31、i_swich:in std_logic; -數(shù)碼管開關(guān) fingnote : in std_logic_vector(3 downto 0); -輸入指法表示音符 seg : out std_logic_vector(6 downto 0); -數(shù)碼管段 cat : out std_logic_vector(7 downto 0) -數(shù)碼管掃描信號 );end;architecture b of digital_tube isbeginp0: process(fingnote) variable segt : std_logic_vector(6 downto 0); begin if di

32、gi_swich='1'thencase fingnote iswhen "1111" => segt:="0110000"-顯示“1”when "1101" => segt:="1101101"-顯示“2”when "1110" => segt:="1111001"-顯示“3”when "1100" => segt:="0110011"-顯示“4”when "0101" =&

33、gt; segt:="1011011"-顯示“5”when "0100" => segt:="1011111"-顯示“6”when "0010" => segt:="1110000"-顯示“7”when others=> segt:="1111110"-顯示“0”end case; cat<="00000000" else cat<="11111111"end if;seg<=segt; end pr

34、ocess p0; end b;3. 點陣模塊源程序（1） 點陣分頻器 library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity div_led isport(clk_in : in std_logic; -輸入時鐘50MHzclk_out : out std_logic); -輸出時鐘10kHzend div_led;architecture b of div_led is signal clktmp : std_logic;begi

35、np0:process(clk_in) variable cnt : integer range 0 to 2499;beginif (clk_in'event and clk_in='1') thenif cnt=2499 then -分頻系數(shù)為2499cnt:=0;clktmp<= not clktmp;elsecnt:=cnt+1; -每個輸入時鐘上升沿到來時cnt加1end if;end if;end process p0;clk_out<=clktmp;end b;（2） 點陣譯碼 library ieee;use ieee.std_logic_1

36、164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity led_array isport( clk_in : in std_logic; -時鐘輸入 note: in std_logic_vector(3 downto 0); -輸入音符 led_swich:in std_logic; -開關(guān) row : out std_logic_vector(7 downto 0); -點陣行向量 col_r :out std_logic_vector(7 downto 0); -點陣列向量，放孔顯示紅色 co

37、l_g :out std_logic_vector(7 downto 0) -點陣列向量，按孔顯示綠色 );end led_array;architecture a of led_array issignal cnt:integer range 0 to 7; -慢計數(shù)器，控制開機動畫的每一幀signal tmp:integer range 0 to 2500;-分頻系數(shù)signal clk_tmp:std_logic; -動畫分頻時鐘 signal count: integer range 0 to 7;-快計數(shù)器，控制點陣行掃描signal rowt: std_logic_vector(7

38、 downto 0);-點陣行向量signal colt_r: std_logic_vector(7 downto 0);-點陣列向量，放孔顯示紅色signal colt_g: std_logic_vector(7 downto 0); -點陣列向量，按孔顯示綠色beginp1:process(clk_in)begin if (clk_in'event and clk_in='1') thenif count=7 then count<=0;elsecount<=count+1;-用count來記數(shù)end if;end if;end process p1;p

39、2:process(clk_in)beginif (clk_in'event and clk_in='1') thenif tmp=2499 then -動畫分頻器tmp<=0;clk_tmp<=not clk_tmp;elsetmp<=tmp+1;end if;end if; end process p2;p3:process(clk_tmp,led_swich) begin if led_swich='0'then -動畫計數(shù)器 cnt<=0; elsif (clk_tmp'event and clk_tmp='

40、;1') then if cnt=7 thencnt<=cnt; -控制開機動畫只顯示一次else cnt<=cnt+1;end if;end if; end process p3;p4: process(cnt,count,note,led_swich) begin if led_swich='1'then case cnt is -顯示開機動畫 when 0=> -顯示“O” case count is when 0=> rowt<="11111110" colt_g<="00000000"

41、 colt_r<="00000000" when 1=> rowt<="11111101" colt_g<="00000000" colt_r<="00111100" when 2=> rowt<="11111011" colt_g<="00000000" colt_r<="01000010" when 3=> rowt<="11110111" colt_g<=&q

42、uot;00000000" colt_r<="01000010" when 4=> rowt<="11101111" colt_g<="00000000" colt_r<="01000010" when 5=> rowt<="11011111" colt_g<="00000000" colt_r<="01000010" when 6=> rowt<="10111111&q

43、uot; colt_g<="00000000" colt_r<="01000010" when 7=> rowt<="01111111" colt_g<="00000000" colt_r<="00111100" when others=> rowt<="11111111" colt_r<="00000000" colt_g<="00000000"end case; when

44、1=> -顯示“C” case count is when 0=> rowt<="11111110" colt_g<="00000000" colt_r<="00000000" when 1=> rowt<="11111101" colt_g<="00000000" colt_r<="00111100" when 2=> rowt<="11111011" colt_g<="0

45、0000000" colt_r<="01000010" when 3=> rowt<="11110111" colt_g<="00000000" colt_r<="00000010" when 4=> rowt<="11101111" colt_g<="00000000" colt_r<="00000010" when 5=> rowt<="11011111"

46、colt_g<="00000000" colt_r<="00000010" when 6=> rowt<="10111111" colt_g<="00000000" colt_r<="01000010" when 7=> rowt<="01111111" colt_g<="00000000" colt_r<="00111100" when others=> rowt<

47、;="11111111" colt_r<="00000000" colt_g<="00000000"end case; when 2=> -顯示“A” case count is when 0=> rowt<="11111110" colt_g<="00000000" colt_r<="00000000" when 1=> rowt<="11111101" colt_g<="000000

48、00" colt_r<="01000010" when 2=> rowt<="11111011" colt_g<="00000000" colt_r<="01000010" when 3=> rowt<="11110111" colt_g<="00000000" colt_r<="01000010" when 4=> rowt<="11101111" colt_

49、g<="00000000" colt_r<="01111110" when 5=> rowt<="11011111" colt_g<="00000000" colt_r<="01000010" when 6=> rowt<="10111111" colt_g<="00000000" colt_r<="00100100" when 7=> rowt<="01

50、111111" colt_g<="00000000" colt_r<="00011000" when others=> rowt<="11111111" colt_r<="00000000" colt_g<="00000000"end case; when 3=> -顯示“R” case count is when 0=> rowt<="11111110" colt_g<="00000000&qu

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53、1" colt_g<="00000000" colt_r<="00100010" when 7=> rowt<="01111111" colt_g<="00000000" colt_r<="00011100" when others=> rowt<="11111111" colt_r<="00000000" colt_g<="00000000"end case; when 4=> -顯示“I” case count is when 0=> rowt<="11111110" colt_g<="00000000" colt_r<="00000000" when 1=> rowt<="11111101&