基于VHDL语言电子琴的设计.doc

基于VHDL语言电子琴的设计 简易电子琴的设计 摘 要 本系统是采用EDA技术设计的一个简易的八音符电子琴，该系统基于计算机中时钟分频器的原理，采用自顶向下的设计方法来实现，它可以通过按键输入来控制音响。系统由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块三个部分组成。系统实现是用硬件描述语言VHDL按模块化方式进行设计，然后进行编程、时序仿真、整合。本系统功能比较齐全，有一定的使用价值。 关键字 电子琴；EDA；VHDL；音调发生； 1 引 言 我们生活在一个信息时代，各种电子产品层出不穷，作为一个计算机专业的学生，了解这些电子产品的基本组成和设计原理是十分必要的，我们学习的是计算机组成的理论知识，而课程设计正是对我们学习的理论的实践与巩固。本设计主要介绍的是一个用超高速硬件描述语言VHDL设计的一个具有若干功能的简易电子琴，其理论基础来源于计算机组成原理的时钟分频器。 1.1 设计的目的 本次设计的目的就是在掌握计算机组成原理理论的基础上，了解EDA技术，掌握VHDL硬件描述语言的设计方法和思想，通过学习的VHDL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，例如本课程设计就是基于所学的计算机原理中的时钟分频器和定时器的基础之上的，通过本课程设计，达到巩固和综合运用计算机原理中的知识，理论联系实际，巩固所学理论知识，并且提高自己通过所学理论分析、解决计算机实际问题的能力。 1.2 设计的基本内容 基于MAX+PLUS平台，运用VHDL语言对简易电子琴的各个模块进行设计，并使用EDA 工具对各模块进行仿真验证。本设计包含如下三个模块：乐曲自动演奏模块，音调发生模块，数控分频模块，最后把各个模块整合后，通过电路的输入输出对应关系连接起来。 2 EDA、VHDL简介 2.1 EDA技术 EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。 利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。 2.2 硬件描述语言——VHDL 2.2.1 VHDL的简介 VHDL是一种用来描述数字逻辑系统的“编程语言”它的全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language。它源于美国政府于1980年开始启动的超高速集成电路计划,VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可是部分,及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的。VHDL的应用必将成为当前以及未来EDA解决方案的核心，更是整个电子逻辑系统设计的核心。 2.2.2 VHDL语言的特点 （1）VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 （2）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效，高速的完成必须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。 【电子琴设计基础】 电子琴的设计是一个融合了电子技术、计算机科学和音乐理论的综合性项目。本设计基于VHDL语言，使用EDA（Electronic Design Automation）技术，旨在创建一个简单的八音符电子琴。该系统利用时钟分频器原理，通过自顶向下的设计方法实现，允许用户通过按键输入来操控声音。 **1. EDA技术** EDA技术是电子设计自动化的核心，它在计算机辅助设计（CAD）的基础上进一步发展，利用计算机进行电子产品的自动化设计。在EDA的帮助下，设计师可以完成从概念设计到最终电路板或集成电路设计的全过程，包括性能分析、电路设计和版图生成。EDA不仅广泛应用于电子、通信等领域，而且在飞机制造、生物医学等多个领域都有应用。 **2. VHDL语言** VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）是一种硬件描述语言，起源于80年代的美国超高速集成电路计划。VHDL用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，具有高级编程语言的特性。其设计实体分为可见（外部接口，即端口）和不可见（内部实现）两部分，便于模块化设计和复用。VHDL的特点包括强大的行为描述能力，支持大规模设计的分解和再利用，非常适合系统级设计。 **3. 简易电子琴的设计** 简易电子琴由乐曲自动演奏模块、音调发生模块和数控分频模块组成。乐曲自动演奏模块负责按照预设的乐谱播放音乐；音调发生模块生成不同音高的音调，这是通过控制音频信号的频率来实现的；数控分频模块则根据输入的键位信号，产生对应频率的时钟信号，驱动音调发生模块。 **4. 设计流程** 设计流程通常包括以下步骤： 1. 定义电子琴的功能需求，确定所需音符数量和附加功能。 2. 使用VHDL编写各模块代码，如音调发生器、分频器和按键处理单元。 3. 进行时序仿真，验证模块功能是否符合预期。 4. 将模块整合，形成完整的电子琴系统设计。 5. 通过EDA工具进行综合和布局布线，生成物理电路设计。 6. 测试与调试，确保电子琴在实际硬件上运行正常。 **5. VHDL的应用** VHDL的强大在于其灵活性和可扩展性，使得复杂系统的设计变得更为直观和高效。在本电子琴项目中，每个模块都可以独立设计，然后集成到整体系统中，提高了设计的可维护性和复用性。通过VHDL，工程师可以更专注于系统的功能实现，而不是底层硬件细节。 总结，基于VHDL的简易电子琴设计展示了如何将计算机科学理论（如时钟分频器）与硬件描述语言相结合，实现电子乐器的数字化设计。这一过程不仅加深了对EDA技术和VHDL语言的理解，还锻炼了将理论知识应用于实践的能力。随着技术的进步，VHDL在电子设计领域的核心地位只会进一步加强。