陳 強，陳守滿

（安康學(xué)院 科研處，陜西 安康 725000）

基于FPGA的多功能觸摸屏電子琴系統(tǒng)設(shè)計

陳 強，陳守滿

（安康學(xué)院 科研處，陜西 安康 725000）

文章中設(shè)計的基于FPGA的多功能觸摸屏電子琴具有觸摸屏控制彈奏的暫停與啟動、彈奏比較評分、隨時儲存?zhèn)€人創(chuàng)作、自動播放音樂等多功能。這是一款體積小、系統(tǒng)可靠性高、開發(fā)周期短和研制成本低的便攜式迷你電子琴。其彌補了物理實體電子琴笨重的不足，實現(xiàn)了大多數(shù)音樂愛好者隨時記錄音樂感受隨時譜曲，方便個人創(chuàng)作以及電子琴技能練習(xí)，也使音樂教學(xué)更直接、更方便。學(xué)生可自主學(xué)習(xí)電子琴，大大增加了學(xué)生對電子琴學(xué)習(xí)興趣，給教學(xué)帶來了極大的便利。

FPGA；電子琴；觸摸屏

隨著電子產(chǎn)品深層潛入人們的生活，不僅大大方便了人們的生活，同時也實現(xiàn)了人們對于美好生活的期許。作為大眾電子音樂器件—電子琴，因其操作簡單且能模擬各種傳統(tǒng)樂器的音色而深受廣大消費者喜愛。目前市場上有很多種音樂器件，可以直接產(chǎn)生各種樂曲，多數(shù)為使用單片機、555定時器、邏輯組合電路、LDQ852集成塊等傳統(tǒng)方法設(shè)計的電子琴［1-4］。這些采用傳統(tǒng)方法設(shè)計的電子琴，通常需要使用單片機、存儲器和數(shù)字邏輯電路來進行PCB（印刷電路板）板級的系統(tǒng)集成。盡管這些方案有單片機軟件的支持較為靈活，但是由于受硬件資源的限制，未來在對設(shè)計的變更和升級時不可避免要付出較多的研發(fā)經(jīng)費和較長的投放市場周期的代價。隨著電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)的發(fā)展，基于可編程ASIC器件的數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計的完整方案越來越受到人們的重視［5-8］，并且以EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)為核心的能在可編程ASIC器件上進行系統(tǒng)芯片集成的新設(shè)計方法，也正在快速地取代傳統(tǒng)數(shù)字電路設(shè)計方式。本設(shè)計項目主要采用DE0 Nano FPGA 開發(fā)板和TRDB_LTM觸摸屏實現(xiàn)多功能電子琴的設(shè)計。

1　多功能觸摸電子琴的系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA），利用Verilog HDL硬件描述語言編程實現(xiàn)各個模塊的功能，最后通過各個模塊的協(xié)調(diào)工作來實現(xiàn)LCD 觸摸屏電子琴觸摸彈奏、自動播放樂曲、彈奏練習(xí)評分比較、隨時隨地保存?zhèn)€人創(chuàng)作的功能。本設(shè)計的思路是：通過對LCD觸摸屏上不同的按鍵進行選擇，將采集到的信號轉(zhuǎn)換成含有音符信號的代碼以及產(chǎn)生分頻預(yù)置值，采用數(shù)控分頻的方法獲得不同音符對應(yīng)的頻率，如果是彈奏練習(xí)模式在和ROM中所存儲的頻率做一個比較輸出本次彈奏的得分；如果是自動播放的模式，可以通過揚聲器輸出不同音符對應(yīng)的音調(diào)以及ROM中所存儲的用于自動播放的樂曲；個人創(chuàng)作的樂曲會自動存儲在存儲器中。多功能觸摸電子琴的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　多功能觸摸電子琴的結(jié)構(gòu)

2　音樂節(jié)拍發(fā)生器模塊

音樂節(jié)拍發(fā)生器模塊將利用FPGA芯片的內(nèi)部ROM存儲器存放樂曲簡譜表，由一個計數(shù)器來為樂曲數(shù)據(jù)存儲器ROM產(chǎn)生地址。此計數(shù)器的計數(shù)頻率為4Hz，即每一計數(shù)值的停留時間為0.25s，隨著音樂節(jié)拍發(fā)生器中的計數(shù)器以時鐘頻率4Hz做加法計數(shù)時，地址值遞增時，樂曲數(shù)據(jù)ROM存儲器中的音符數(shù)據(jù)依次從ROM中的輸出口輸向音符譯碼電路，所存儲的樂曲就開始連續(xù)自然地演奏起來。計數(shù)器的位數(shù)根據(jù)所存放樂曲簡譜基本節(jié)拍數(shù)來決定。

3　音符譯碼電路模塊

音符譯碼電路相當(dāng)于音調(diào)發(fā)生器，它是一個音符頻率查表電路，音符譯碼電路模塊放置了21種音樂簡譜相對應(yīng)的頻率值，根據(jù)這些頻率值為數(shù)控分頻模塊提供所發(fā)音符頻率的初始值，音符譯碼電路模塊的作用就是產(chǎn)生獲得音階的分頻預(yù)置值，程序中設(shè)置了21個音符所對應(yīng)的音符頻率的初始值。程序中的音符分頻系數(shù)通過索引值來進行選取，索引值即由LCD觸摸屏掃描電路傳遞來的當(dāng)前音符的索引值。當(dāng)發(fā)聲控制輸入index中的某一位為高電平時，則對應(yīng)某一音階的數(shù)值將在端口輸出，該數(shù)值即為該音階的分頻預(yù)置值，分頻預(yù)置值控制數(shù)控分頻器對50MHz的系統(tǒng)時鐘進行分頻，由此可得到每個音符對應(yīng)的發(fā)音頻率。

音符譯碼電路模塊將 LCD觸摸屏的輸入信號進行分析處理，并發(fā)出相關(guān)控制信號，驅(qū)動下級電路（數(shù)控分頻電路模塊）的工作，為驅(qū)動揚聲器正確發(fā)音提供了有效的依據(jù)，由圖1可見，利用軟件不但大大地簡化了電路，而且達到了預(yù)期的目的，Verilog HDL硬件描述語言的優(yōu)勢再次體現(xiàn)出來，為設(shè)計提供了極大的方便。

4　音符發(fā)聲器模塊

由于音符譯碼電路的輸出是音符發(fā)聲器的輸入，所以如何設(shè)計一個電路，將傳遞過來的不同音符的分頻預(yù)置值進行處理，然后再產(chǎn)生不同音符對應(yīng)的音符頻率，就成為音符發(fā)聲器設(shè)計的關(guān)鍵。

音符發(fā)聲器的上一級電路（音符譯碼電路）里，已經(jīng)將各個音符的分頻預(yù)置值轉(zhuǎn)化為20位的二進制，于是選擇數(shù)控分頻器，數(shù)控分頻器對FPGA的基準頻率進行分頻，在數(shù)控分頻器的輸入端給定CLK和不同的分頻預(yù)置值時，數(shù)控分頻器的輸出端便可得到對應(yīng)的音符頻率。

數(shù)控分頻電路是由一個初值可變的20位加法計數(shù)器構(gòu)成，音符發(fā)聲器電路在獲取音符譯碼電路的音階索引值對應(yīng)的分頻預(yù)置值后，通過可控計數(shù)器進行分頻。分頻器電路中的分頻預(yù)置值進行加1計數(shù)，該計數(shù)器的模為1048576，當(dāng)計數(shù)器計滿時，計數(shù)器產(chǎn)生一個溢出信號fullspks，此溢出信號就是用作發(fā)音的頻率信號，在計數(shù)器的輸入端給定不同的初值（分頻預(yù)置值即計數(shù)初值），其輸出將產(chǎn)生不同的頻率信號，也即不同音符的發(fā)音頻率信號，該計數(shù)器的工作原理用等式表示為：計數(shù)初值+分頻系數(shù)=1048576+溢出信號fullspks，它計滿時所需要的計數(shù)初值為：計數(shù)初值=1048576-分頻系數(shù)。分析此式可知，低音時計數(shù)初值小，分頻系數(shù)大，進位信號fullspks的周期長，揚聲器發(fā)出的聲音低，反之揚聲器發(fā)出的聲音高；其中計數(shù)初值隨音樂的樂譜而變化，自動控制分頻系數(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)控分頻，這就是利用數(shù)控分頻器自動演奏音樂的原理。對于不同的分頻系數(shù)，加載不同的初始值即可。用加載初始值而不是將分頻輸出譯碼反饋，可以有效地減少本次設(shè)計所占用的可編程邏輯器件的資源。

5　多功能觸摸電子琴的設(shè)計驗證

圖2　系統(tǒng)RTL級網(wǎng)

本次設(shè)計目標芯片選用美國ALTERA公司Cyclone系列FPGA旗艦中的EP4CE22F17C6芯片，通過EDA開發(fā)工具Quartus II 13.0，對各個模塊的Verilog HDL源程序及頂層電路進行引腳分配、邏輯綜合、適配、編譯等各種測試工作，最終將設(shè)計編譯的數(shù)據(jù)下載到芯片中。經(jīng)實際電路測試驗證，達到了設(shè)計的要求。系統(tǒng)RTL級網(wǎng)如圖2所示，下載配置后得到的實際驗證效果如圖3所示。

圖3　多功能觸摸屏電子琴實物

6　結(jié)語

基于FPGA的多功能觸摸電子琴實現(xiàn)了通過LCD觸摸屏彈奏音樂、自動播放樂曲、隨時保存?zhèn)€人創(chuàng)作的功能，彈奏評分比較等功能。實踐證明：運用Verilog HDL層次化和模塊化的設(shè)計方法，更好地優(yōu)化了音樂演奏數(shù)字電路的設(shè)計。采用FPGA所設(shè)計的電子琴系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)時間短、外圍器件少、體積小、抗干擾能力強、可靠性高的特點。系統(tǒng)維護起來也更方便和快捷，尤其是對于設(shè)計者來說，不需要考慮太多的硬件設(shè)計，只需要有自己的設(shè)計思路，編程后下載到FPGA器件中進行測試就可實現(xiàn)所需的功能，有效地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，減少了設(shè)計芯片的數(shù)量，降低了功耗，提高了設(shè)計的靈活性、可靠性和可擴展性。將LCD觸摸屏與電子琴硬件描述語言有效結(jié)合，不僅所花成本低，而且具有較高的使用價值。

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Design of Multi-function Touch Screen Keyboard Based on FPGA

Chen Qiang， Chen Shouman
（ Research Department of Ankang University， Ankang 725000， China）

Multi-function Touch Screen Keyboard Based on FPGA in this article is designed with touch screen control play pause and start playing score， at any time， you can store personal creation， automatically play music.It is small in the volume， system reliability，development cycle short and low cost that makes up the heavy physical keyboard and achieves the goal that most music lovers can record music feeling at any time， it is convenient for personal creation and practice of electronic keyboard skills ， it also makes music teaching more direct and more convenient for students to be autonomous on learning keyboard， greatly increases keyboard learning interest for students and it brings a great convenience to music teaching.

field programmable gate array（FPGA）； keyboard； touch screen

陳強（1983— ），男，湖北黃岡，本科，實習(xí)研究員；研究方向：計算機系統(tǒng)集成。

項目名稱：安康學(xué)院2013年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃；項目編號：201311397005。項目名稱：安康學(xué)院2013年校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目；項目編號：2013aku015。2012年陜西省教育廳科學(xué)研究項目；項目名稱：基于高光譜圖像的蠶繭品質(zhì)無損檢測研究；項目編號：12JK0536。