基于Basys3设计的FPGA多功能电子琴

基于Basys3设计的多功能电子琴

——复旦大学《数字逻辑基础(H)》2022年秋设计报告

一，项目简介

1.1项目描述

本项目基于DIGILENT公司的Basys3开发板，在Xilinx公司的Vivado2019.1上使用Verilog语言设计了一个FPGA电子琴。

该电子琴可以弹奏21个音阶（三个八度），并且有三种模式供选择：

• 钢琴模式
• 八音盒模式
• 音乐游戏模式

1.2项目背景

​本项目是复旦大学2022年秋季学期《数字逻辑基础(H)》课程的学期任务，任务要求如下：

以下任务二选1：可以任选1个有现成代码的数字系统进行实现以及改进，也可以自己完全重新设计一下数字系统。例如可从“数电实验指导书-东大”中以下实验中任选一个（交通灯，秒表，VGA等）作为参考。

要求：下板实现，并进行验收；要提交实验报告【实验报告内容：实验内容（实验的设计、代码、仿真结果等）；实验结果分析；实验心得等】，同时提交打包压缩的工程文件【注：代码上写上注释，以增加可读性】，最好有个视频，这样助教可以看到下板结果。

验收时间：第9周和第11周的周三都可验收，看板上代码运行情况，并提问。

提交时间：第10周周三晚12点前上传到elearning

1.3独立设计声明

本项目的八音盒模块（Auto_play.v）、VGA显示的底层代码（VGA_640x480.v），使用Matlab解析图片并输出到VGA的相关代码（IMG2COE.m、silence的ip核）为笔者参考CSDN和相关教材并适当改进而成。除此之外，其他的功能和代码均为自主设计，历时四个星期完成。

二，硬件设计思路

2.1 Basys3开发板

2.1.1 琴键分配——参考古筝

​ Basys3开发板上只有5个按钮，连一个八度都弹不完整，所以笔者参考了古筝的音阶分配进行设计。

古筝采用的是笔者国古代的五声调式，一个八度以内只有五根琴弦，即宫（do）、商（re）、角（mi）、徵（so）、羽（la），变徵（fa）和变宫（xi）分别通过升mi和升la来实现。笔者参考这种模式，设计的Basys3琴键分配如下：

五个按钮分别对应do、re、mi、so、la，当升音开关置1时，对应的mi键变为fa，la键变为xi。

低音域开关置1时，弹奏的是低八度；高音域开关置1时，弹奏的是高八度；两个开关都置0时，弹奏的是中八度。

2.1.2 模式选择开关

2.1.3 总体分配图

2.2 VGA

VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准，广泛应用于图像输出中。

VGA图像传输原理和实现方法可参考这篇文章：FPGA学习——VGA显示和教材《基于Xilinx Vivado的数字逻辑实验教程》（廉玉欣 侯博雅 王猛 侯云鹏 编著）

在本项目中，VGA用于输出琴键图像、展示琴键信号、展示下落式乐谱等。

本项目所用的显示器是笔者在闲鱼平台上购置的二手车载显示器，用于接收VGA信号，输出图像。

​

2.3 蜂鸣器

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

本项目音频输出采用三个蜂鸣器串联，电路图如下

注：一般蜂鸣器的电路都利用了三极管对电流进行放大，但由于笔者依然选择了这种简单的电路结构，理由如下：

1. 模电没学好
2. 市面上三极管型号繁多，笔者时间有限，难以仔细研究挑选
3. 偶然发现这种电路居然也可以工作

实物连接图如下：

三， 代码编写思路

3.1 综述

3.1.1 系统功能清单及模块划分

功能名称	具体功能	关键模块和代码
音频输出	将频率信号输入蜂鸣器振荡电路中，发出对应的音调	Generate_melody.v
图像显示	显示琴键图像、按键标识和下落式乐谱	VGA_640x480.v、VGA_picture.v、Press_signal.v、Bar.v、silence.xci
音高显示	将所按下琴键对应的音调显示在数码管上	Display_melody.v
钢琴模式	把开发板上的按钮和拨码开关当作琴键，蜂鸣器作为音箱，像钢琴一样演奏乐曲	Free_play.v、Generate_melody.v、Press_signal.v
八音盒模式	根据笔者事先转译并写入的频率乐谱，像八音盒一样自动播放乐曲	Auto_play.v、Generate_melody.v、Press_siganl.v
音乐游戏模式	在钢琴模式的基础上，根据笔者事先转译并写入的下落式乐谱，像音乐游戏一样指引玩家按下对应琴键	Free_play.v、Generate_melody.v、VGA_picture.v、Bar.v

3.1.2 各模块和代码功能简介

模块或代码名称	功能简介
Piano_top.v	顶层模块，根据接收拨码开关的选