基于小脚丫FPGA设计电子琴

内容介绍

1.电子琴工作原理与框图

电子琴上有两个发声装置，一个为蜂鸣器，一个为扬声器，其中蜂鸣器发声靠的是引脚产生一个方波信号驱动，改变方波的频率，就能实现蜂鸣器发对应频率的音符。而扬声器的驱动是由DDS产生的模拟信号，经PWM调制，再经过rc滤波，最后通过运放电路输出到扬声器上。同理改变DDS产生的模拟信号频率，来实现不同的音符播放。可以通过FPGA上按键来实现电子琴的演奏和音乐播放模式。音乐播放模式工作原理，通过对乐曲简谱进行转化，存储相应的代码，输出乐曲对应的音符，音符输入到例化好的模块。同时可以通过上下音程按键进行上下曲切换。在演奏模式，可以通过电子琴地板上的两个上下音程调节按键实现对音程的调节，其中在数码管上会显示对应的音程挡位，其中“0”为不发声，“1”档对应的频率范围为130.81~261.63即C3到C4这13个音符，“2”档对应C4到C5这13个音符，“4”档对应C5到C6这13个音符。目前就添加了扬声器演奏模式下，这3档音程。同时通过板子上的拨钮开关可以在任何时刻改变声音的输出方式（扬声器与蜂鸣器）。

FvoQETHleN0UEqggV5CROq_zt30x

test为顶层文件，输入小脚丫开发板的系统时钟C1(12MHz)，系统复位引脚定义为L14，加电子琴的13个按键，以及切换拨钮N4，加上两个“上下”按键以及演奏模式与音乐播放模式切换按键。

输出有电子琴蜂鸣器buzzer:P8，电子琴扬声器speaker：N8，以及小脚丫fpga板上8个led与两个rgbLED,两个数码管

以下是部分子模块：

FtncDJUZ_7Svlkw4wPzNobPhOewz

Buzzer为蜂鸣器发声文件，输入小脚丫开发板的系统时钟C1，系统复位引脚定义为L14，通过电子琴的按键产生对应的pwm波驱动蜂鸣器发声。

输出有电子琴蜂鸣器buzzer:P8，以及通过按键状态输出buzzer。

FnirrY_d9Qroayl5RenY38kYd-Ys

dds为扬声器发声文件，输入小脚丫开发板的系统时钟C1，系统复位引脚定义为L14，以及输入对应音符的参数，则通过电子琴的按键产生对应的正弦波驱动扬声器发声。

输出有电子琴蜂鸣器speaker:N8，输出是通过pwm调制输出，

FpL0U2yKZvyX3p6C4PtnRxd1XSvt

从图可以看出，改变占空比就可以改变电压值，一个占空比对应为一个模拟电压值，用PWM的方式实现数字到模拟变换的功能。

这个为DDS的仿真图，频率在130HZ，根据输出的PWM占空比不同，如两个图，

FtWReV8SjL-D9nhdGkwCWL6jelqh

Fk848LNzObaytjUgrovnR8h7D61o

播放音乐模式存放了如下歌曲，通过对应的简谱，然后编码存放在rom中。

FhnT-gRk2-g0Ku7BS-fTWQVMIxie

输出有电子琴蜂鸣器buzzer:P8，电子琴扬声器speaker：N8，以及小脚丫fpga板上8个led与两个rgbLED,两个数码管

以下是部分子模块：

Buzzer为蜂鸣器发声文件，输入小脚丫开发板的系统时钟C1，系统复位引脚定义为L14，通过电子琴的按键产生对应的pwm波驱动蜂鸣器发声。

输出有电子琴蜂鸣器buzzer:P8，以及通过按键状态输出buzzer。

输出有电子琴蜂鸣器speaker:N8，输出是通过pwm调制输出，

从图可以看出，改变占空比就可以改变电压值，一个占空比对应为一个模拟电压值，用PWM的方式实现数字到模拟变换的功能。

这个为DDS的仿真图，频率在130HZ，根据输出的PWM占空比不同，如下图，

播放音乐模式存放了如下歌曲，通过对应的简谱，然后编码存放在rom中。

2.蜂鸣器和模拟喇叭的差别

模拟喇叭又称为扬声器，是电声转换器件，它可以把模拟的电信号转换为声音信号，它属于宽频率发声器件。蜂鸣器是一体化的电子讯响器，可以在不同驱动波形下发出单调的声音，属于窄频率发声器件。所以只要有合适的模拟信号，喇叭就可以播放对应的音乐。

用蜂鸣器和模拟喇叭的实现方法差别以及音效差别分析

本项目蜂鸣器发声靠的方波提供外部震荡激励，当震荡频率不同时发出不同的音调，对于FPGA来说，方波信号产生方便可靠，成为外部震荡激励的首选，方波信号输入谐振装置转换为声音信号输出。而模拟喇叭靠的是DDS产生的模拟信号，将模拟信号经PWM调制，在经RC滤波，最后接专门的音频放大器最后输出给喇叭。两个发声实现的方法都用到PWM，蜂鸣器是用PWM作为方波信号输入，而模拟喇叭则是把PWM做dac，将数字量转模拟量，最后通过放大器输出给喇叭。在音效方面，蜂鸣器听起来有点滴答滴的音效，而喇叭听起来或许和网上一样，嘈杂而又喧闹的喇叭声。我自己是真的听不出来是什么效果，喇叭的声音是非常强大的，可以播放许多音效。

关于电路仿真部分，由于自己对电路方面有待提高，以及对RC滤波电路和放大器工作原理的理解，暂时还没有做出来。

3.主要代码片段及说明

reg pwm_out;
reg [31:0] cnt;
always @(posedge clk or negedge rst )
	begin
	if(!rst) cnt<=0;
	else if (cnt>=T/2) cnt<=0;
	else cnt<=cnt+1; 
	end

always @(posedge clk or negedge rst)begin

	if (rst==0) pwm_out<=0;
	else if (cnt==T/2) pwm_out<=~pwm_out;
	else pwm_out<=pwm_out;
end

以上代码为根据一个传入的参数T，再利用计数器来产生一个对应的频率的方波，其对应的公式为f=12000000/T,如440hz时，对应的T为27272。

wire [31:0] T;
reg [23:0] 	phase_acc;
always @(posedge clk_in) phase_acc <= phase_acc + T;  //主时钟为12MHz，寻找波表产生模拟信号
sin_table u_sin_table(.address(phase_acc[23:16]),.sin(date_out));

利用计数器phase_acc 和T来作为地址寻址，继而产生对应的模拟信号，使用24位phase_acc 计数器和12MHz时钟，输出的频率分辨率可以达到0.7Hz，然后根据想要的频率，即可计算出对应的T,如果是从phase_acc[23:16]开始寻址，则当T=2^16=65536时，正好输出phase_acc[7:0]+1时对应的频率46.875KHz，故我们需要的频率与T的关系为f=46875*T/65536,如输出440Hz时，对应的T为615。

还有一些代码则在工程中说明。

4.遇到的主要难题及解决方法

在刚开始，和往常一样通过电子琴的按键去点灯，可是遇到引脚映射的时候，发现点灯失败，后面去分析了小脚丫的原理图，以及电子琴的原理图，还有电子森林提供的小脚丫引脚图，综合分析下，最终确定了电子琴每个按键对应的引脚。这对后续的引脚映射节省的许多时间。

第二个难点是对DDS存的波表数据处理，因为例程给的是正弦波的波表数据，而项目要求需要基波和至少一次谐波，当时群友和网上都提到了许多工具有matlab，mif工具等等，最后为了处理简单，我选择了一次谐波，然后通过比较简单的excel工具去生成波表数据。

第三个难点是对DDS代码的理解，本次项目DDS代码是在电子森林例程上改动的，因为例程上只存了四分之一个波表数据，其他的都是基于对称性实现，而为了代码好理解，而本次项目则是存储了整个波表的数据。在存为波表数据后，下载程序，发现电子琴没有声音。然后就是各种找资料，问群友，最后的解决方法就是做仿真，最后通过仿真观察，发现波形不对，最后仔细查看了代码和仿真，发现问题出现在位数上面，以及寻地址的参数，通过合适的位数，防止溢出，以及寻完地址和频率范围调节参数设置好后，仿真的波形终于对了。

第四个难点，对音乐播放的设计，起初我对这一块是毫无头绪的，最后在网上查找资料，花了两三天去理解和设计自己的音乐播放，一开始音乐播放是正常的，后面发现有的音符播放和节奏不对，在问群友和请教别人，发现空拍子和四分音符持续时间，如最短的音符为四分音符，如果将全音符的持续时间设为1s，则需要提供一个4Hz的时钟频率信号即可产生四分音符的时长。最后用状态机实现两首音乐的播放和切换。

当然项目还存在许多需要改进的地方，由于自己调试的时间太短，只能按要求的去实现比较简单的功能。

5.FPGA使用资源情况

通过lattice Diamond编译出Design Summary结果如下，

FoRoTX-msX3mEmO2uY6J0O5yNqOz

共使用了1031个寄存器，其中Lattice的底层逻辑单元叫PFU（Programmable Function Unin，可编程功能单元），它是由8个LUT和8~9个寄存器构成。片（slices）资源使用率，其中作为逻辑和存储的片使用率为79%。当中最关注的LUT4s利用率为79%，作为逻辑的4输入查找表使用1564个。可以在工程文件夹下在impl1文件夹下，打开arearep文件，可以查看每个子模块用的寄存器资源。

6.改进建议

虽然项目基本完成了，但是还是有许多不足之处，因为自己对音乐这东西一窍不通，听不出来好的音效，所以在喇叭做发声装置的时候，只是简单的加了一个谐波，没有去考虑其他的参数，如幅度与相位组合。模拟喇叭的声音听起来怪怪的，第二个问题就是蜂鸣器没有做到音程调节，而扬声器可以做到音程调节，第三个问题就是没有做到好的和弦，两个按键按下，声音是噪的。由于学校有实习，调试的时间比较少，可能还有其他的bug,暂时可能没有发现，后续则会对以上问题进行优化，争取能做的完美，同时能够实现好的音效。最后感谢硬禾学堂和电子森林平台能够给我这一次学习机会，在这一次的学习中，收获了许多！