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FPGA课程设计报告
题 目： 简易电子琴设计及FPGA功能验证
院 系： 电子工程学院 专业班级： 学生姓名：
导师姓名： 黄海生
起止时间： 2012-6-18 至 2012-6-29
2012年 6 月 29 日
目录
1.任务............................................................................................................................. 2 2.目的............................................................................................................................. 2 3.使用环境..................................................................................................................... 2 4.FPGA课程设计详细内容 ......................................................................................... 2
4.1 技术规范.......................................................................................................... 2
4.1.1 总体描述................................................................................................ 2 4.1.2 结构框图.............................................................. 错误！未定义书签。 4.1.3 引脚描述.............................................................. 错误！未定义书签。 4.1.3 应用范围................................................................................................5 4.2 设计方案.......................................................................................................... 5
4.2.1 顶层方案设计........................................................................................ 5 4.2.2 顶层模块程序........................................................................................ 7 4.3 功能验证方案及源程序.................................................................................. 7 4.3.1按键输入控制模块方案设计及源程序.................................................7
4.3.2控制模块方案设计及源程序.................................................................8 4.3.3LCD驱动模块方案设计及源程序.......................................................11
4.4 电路设计及功能仿真报告............................................................................ 30 4.5 综合及布局布线报告和引脚分布报告........................................................ 21 4.6 硬件测试结果报告........................................................................................ 21 5.课程设计的心得体会............................................................................................... 22 6.参考资料................................................................................................................... 22
1． 任务：
a、设计一个简单电子琴。（内置2~4首简单音调曲）
b、用FPGA开发板的按键可选择演奏内置曲调，用数码管显示当前演奏的哪个演奏曲目或停止。
c、要求电子琴具有自主选择，自动播放所选曲目或停止曲目。
2． 目的：
a、在掌握计算机组成原理理论相关的基础上，了解 EDA技术，掌握
Verilog HDL 硬件描述语言的设计方法和思想，通过学习的 Verilog HDL 语言结合电子电路的设计知识理论联系实际，掌握所学的课程知识；
b、深入学习Verilog HDL、FPGA，了解其编程环境； c、学会运用Modelsim和Quartus II等编程仿真软件；
d、将硬件语言编程与硬件实物功能演示相结合，加深理解Verilog HDL、
FPGA的学习；
3． 使用环境 (软件/硬件环境，设备等)
软硬件环境：
软件：Quartus II 7.2, Modelsim6.1； 硬件环境：DEII开发板；
设备：PC一台，USB下载线，FPGA开发板及电源。
在 EDA 软件平台上，根据硬件描述语言Verilog 完成的设计文件，自动的完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真、目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
Verilog HDL语言，用Modelsim进行前仿真，以及代码的生成，验证程序验证，也可进行综合。用Quartus II进行后仿真。
4． FPGA课程设计详细内容
4.1 技术规范 4.1.1 原理
简易电子琴的设计通过软硬件结合实现，硬件系统包括主控制器芯片、LED、蜂鸣器等，软件资源包括编写Verilog HDL程序的应用软件Modelsim和仿真软件Quartus II。电子琴有自动播放功能。
播放功能中有三首曲子。程序共有六个模块，分别为主模块、数码管显示模块、分频模块、计数器模块、存储器模块、音频输出模块。硬件实现是用一个数
码管显示当前播放的曲目，另外四个按键key1、key2用来选择曲目。通过主模块调用各模块实现电子琴的功能。
乐曲演奏的原理：
乐曲演奏的原理：组成乐曲的每个音符的频率值(音调)以及持续时间（音长）是乐曲能持续演奏所需的两个基本数据，因此只要控制输出到扬声器的激励信号的频率的高低和持续的时间，就可以使扬声器发出持续的乐曲声。 ? 音调的控制 频率的高低决定了音调的高低。音乐的十二平均率规定：每两个八度音（如简谱中的中音1与高音1）之间的频率相差一倍。在两个八度音之间，又可分为十二个半音，每半个音的频率比为。另外，音名A(简谱中的低音6)的频率为440HZ，音名B到C之间，E到F之间为半音，其余为全音。由此可以计算出简谱中从低音1至高音1之间的每个音名对应的频率如图所示: 音名 低音1 低音2 低音3 低音4 低音5 低音6 低音7 频率(HZ) 261.6 293.7 329.6 349.2 392 440 音名 中音1 中音2 中音3 中音4 中音5 中音6 频率(HZ) 523.3 587.3 659.3 698.5 784 880 音名 高音1 高音2 高音3 高音4 高音5 高音6 频率(HZ) 1046.5 1174.7 1318.5 1396.9 1568 1760 中音7 高音7 493.9 987.8 1975.5 所有不同频率均从同一基准频率分频得到。将分频数四舍五入进行取整，并尽量减小误差。在本设计中选取5MHZ作为基准频率。从下表中可以看出最大分频系数为11468，采用14位二进制计数器分频可满足要求。此外还应给出预置数，对应不同的预置数，只需加载不同的预置数即可。采用加载预置数实现分频的方法比采用反馈复零法节省资源，实现起来更加容易。 分频比 预置数 音名 6826 7871 8798 9224 分频比 预置数 音名 分频比 预置数 13994 14255 14487 14593 14789 14963 15117 中音1 4777 中音2 4257 中音3 3792 中音4 3579 11606 高音1 2389 12126 高音2 2128 12591 高音3 1896 12804 高音4 1790 13194 高音5 1594 13524 高音6 1420 13852 高音7 1266 音名 低音1 9557 低音2 8512 低音3 7585 低音4 7159 低音5 6378 低音6 5682 低音7 5062 10005 中音5 3189 10701 中音6 2841 11321 中音7 2531