0.目录

1. 项目要求

2. 实现功能

3. 项目分析

4. 硬件结构

5. 蜂鸣器

6. 扬声器

7. 和弦

8. 音乐盒

9. 资源占用

10. 实物演示

11. 心得体会

12. 附件

1.项目要求

自己组装，并通过编程驱动模拟扬声器实现电子琴的功能。

2.实现功能

1. 基于套件和工具，自己组装电子琴。

2. 编程基于FPGA实现：

   1. 存储一段音乐，并可以进行音乐播放。

   2. 可以自己通过板上的按键进行弹奏，支持两个按键同时按下（和弦）并且声音不能失真，板上的按键只有13个，可以通过有上方的“上“、”下”两个按键对音程进行扩展。

   3. 使用扬声器进行播放时，输出的音调信号除了对应于该音调的单频正弦波外，还必须包含至少一个谐波分量。

   4. 音乐的播放支持两种方式，这两种方式可以通过开关进行切换：

      1. 当开关切换到蜂鸣器端，可以通过蜂鸣器来进行音乐播放。

      2. 当开关切换到扬声器端，可以通过模拟扬声器来进行音乐播放，每个音符都必须包含基频 + 至少一个谐波分量。

3.项目分析

该项目需要使用小脚丫FPGA与电子琴扩展板，电子琴拓展板与所有小脚丫核心板兼容，本次使用基于Lattice XO2-4000HC的小脚丫FPGA核心模块，通过Diamond进行开发（lattice_diamond_安装配置）。

本项目共需要有两种声音输出方式——蜂鸣器与扬声器。蜂鸣器通过PWM进行驱动，产生的声音效果较差。扬声器则通过PWM和一位DAC后加运放进行驱动，以达到更好的声音效果。

• 2个RGB灯指示扬声器输出或蜂鸣器输出。

• LED显示当前音程。

• 数码管显示按下琴键。

• Key1为系统复位按键。

• SW1为切换音乐盒模式。

4.硬件结构

• 核心器件：Lattice LCMXO2-4000HC-4MG132

  • 132脚BGA封装，引脚间距0.5mm，芯片尺寸8mm x 8mm；

  • 上电瞬时启动，启动时间<1ms；

  • 4320个LUT资源， 96Kbit 用户闪存，92Kbit RAM；

  • 2+2路PLL+DLL；

  • 嵌入式功能块（硬核）：一路SPI、一路定时器、2路I2C

  • 支持DDR/DDR2/LPDDR存储器；

  • 104个可热插拔I/O；

  • 内核电压2.5-3.3V；

• 板载资源：

  • 两位7段数码管；

  • 两个RGB三色LED；

  • 8路用户LED；

  • 4路拨码开关；

  • 4路按键；

• 36个用户可扩展I/O（其中包括一路SPI硬核接口和一路I2C硬核接口）

• 支持Lattice的开发工具Diamond

• 支持MICO32/8软核处理器

• 板上集成FPGA编程器

• 一路Micro USB接口

• 板卡尺寸52mm x 18mm

5.蜂鸣器

蜂鸣器可以直接参考例程，按下不同按键时调整PWM的频率即可。按键按下时输出，抬起后声音停止。

//当蜂鸣器使能时，计数器按照计数终值（分频系数）计数
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
   if (!rst_n_in) begin
       time_cnt <= 1'b0;
       end else if (!tone_en) begin
       time_cnt <= 1'b0;
       end else if (time_cnt>= time_end) begin
       time_cnt <= 1'b0;
       end else begin
       time_cnt <= time_cnt + 1'b1;
   end
end
​
//根据计数器的周期，翻转蜂鸣器控制信号
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
   if (!rst_n_in) begin
       piano_out <= 1'b0;
       end else if (time_cnt == time_end) begin
       piano_out <= ~piano_out; //蜂鸣器控制输出翻转，两次翻转1Hz
       end else begin
       piano_out <= piano_out;
   end
end

6.扬声器

扬声器为达到更好的效果，先使用PLL倍频，输入晶振为12MHz，通过PLL倍频至120MHz。

通过调整PWM波的占空比，以实现不同电压，可以参考简易电子琴设计。

PWM的代码如下：

module PWM(input clk,
           input rst_n,
           input [9:0]duty,
           input pwm_en,
           output pwm_output);
    
    reg [10:0] pwm_acc;
    
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n)begin
            pwm_acc <= 0;
        end
        else begin
            pwm_acc <= pwm_acc[9:0]+duty;
        end
    end
    
    assign pwm_output = pwm_acc[10]&pwm_en;
    
endmodule

正弦波表预先存储在ROM中，采用EXCEL制作，加入谐波分量（最高至五次谐波），各次比例如下：

按该比例加和后进行归一化处理，再进行整形与十六进制转换，最终的得到256位10bit的正弦波形。

将该数据以mem格式存储后生成ROM，配置如下：

对于不同的音节正弦信号频率不同，修改ROM的时钟频率即可以不同速度输出正弦波，以达到输出不同频率正弦波的作用。

   ReadSinData ReadSinData1(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .tone_en(tone_en),
    .tone(tone1),
    .sin_out(sin_out1)
    );
    
    PWM PWM(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .duty(pwm_duty),
    .pwm_en(tone_en),
    .pwm_output(piano_out)
    );

7.和弦

和弦时例化3个读取ROM的模块，输入不同音节频率，将输出结果合成即可。

   ReadSinData ReadSinData1(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .tone_en(tone_en),
    .tone(tone1),
    .sin_out(sin_out1)
    );
    
    ReadSinData ReadSinData2(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .tone_en(chord_en),
    .tone(tone2),
    .sin_out(sin_out2)
    );
    
    ReadSinData ReadSinData3(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .tone_en(chord_en),
    .tone(tone3),
    .sin_out(sin_out3)
    );
​
assign chord_out  = (sin_out1 + sin_out2 + sin_out3)/3;

8.音乐盒

预先存储一段乐谱在ROM中，控制音符以0.5s的速度播放，演示中播放的是小星星。

9.资源占用

10.实物演示

演示视频见b站链接。

11.心得体会

• Diamond与Quartus使用上界面相似，但IP核的使用体验比Quartus差。

• 和弦的种类较多，只设置了1 3 5的和弦，其他和弦种类未进行设置。

12.附件

链接：https://pan.baidu.com/s/1kk9RoY3Ls0tt1VMOvek-hA?pwd=64ir 提取码：64ir