基于Basys2开发板的简易电子琴和音乐播放器设计
背景：华中科技大学 电测综合实验
主要功能：Basys2开发板外接一个扬声器（或无源蜂鸣器也可）实现电子琴和音乐播放器的功能。其中由于开发板上只有4个按键，所以电子琴功能只做了4个音调，分别对应于4个轻触开关。音乐播放器功能需要根据挑选出来的乐谱，人工翻译为代码中对应的音调代码，然后输入到代码的状态机之中。两个功能分别采用两个不同的声道输出，因此两个功能互不干扰，可以同时进行。实现了一个符合综合实验要求的简单项目。因为没有队友，是一个人不到2天的时间赶出来的成果，所以比较简易，给需要的人做一个参考。
ISE工程文件（github链接）（包含实验报告）：https://github.com/W-yt/yutian_sundry_zip/blob/master/piano%26palyer.zip
以下直接粘贴课设报告的主要内容。
如有问题欢迎指正交流。
一、实验目的
1.熟练掌握Basys2的开发流程；
2.提高FPGA综合调试的能力；
二、实验选题及设计目标
实验选题：音乐播放器+电子琴（双声道）
项目目标：本项目要设计实现一个基于BASYS2的多功能电子琴，音乐播放和电子琴各占用一个声道的双声道电子琴。计划采用两个扬声器作为双声道的输出设备，利用拨码开关实现音乐播放器的控制，利用轻触开关实现电子琴的琴键（这里由于BASYS2开发板上只有4个轻触开关，因此电子琴部分仅选用了四个音，仅用来演示电子琴的实现原理，也可以外接按键，或者矩阵键盘拓展）。另外在程序中写定一个音乐的乐谱，实现音乐播放器的演示功能，如果时间允许，会在程序中存储多段音乐，使用拨码开关选择播放曲目。
三、硬件部分
- 实验整体电路
2.扬声器简易驱动电路：
四、软件部分
1.系统主频
获取系统主频由开发板主频经过10分频得到：50MHz分频为5MHz
代码（digital_piano.v）:
/* 10分频：50MHz到5Mhz分频 */always@(posedge inclk) begin if(cnt<3'd5)cnt <= cnt + 3'b1;elsebegincnt <= 3'b0;clk_5MHz <= ~clk_5MHz;endend2.电子琴子模块
读取输入的轻触按键的状态，决定声音频率，再通过计数器实现定频率方波的输出，作为扬声器的驱动信号。其中origin的值为根据各个音调对应的声音频率换算确定的。
代码（piano.v）:
/* piano子模块 */module piano(inclk, clk_5MHz, key_in, beep);input inclk; //开发板主频input clk_5MHz; //系统时钟input [3:0] key_in; //轻触按键输入output beep; //扬声器输出wire carry;reg beep_r; assign beep = beep_r; //输出音乐/* 按键转换音调输出 */always @ (posedge clk_5MHz)begincase (key_in[3:0])/* 消除不按时的噪声 */4'b0000: origin<=0000;4'b0001: origin<=6826; // Hdo4'b0010: origin<=7871; // Hre4'b0100: origin<=8798; // Hmi4'b1000: origin<=9224; // Hfadefault: origin<=0000;endcaseendassign carry=(count == 16383);/* 获取驱动信号 */always @(posedge clk_5MHz)begin if(key_in[3:0] == 4'b0000)beginendelseif(carry)count = origin;elsecount = count + 1;end/* 扬声器驱动 */always @(posedge carry)beginbeep_r<=~beep_r;endendmodule3.音乐播放器子模块
音乐播放器子模块首先通过分频实现了一个低频时钟(这里采用5Hz),作为音乐的节拍器。然后调用按照程序翻译出来的曲谱函数(这里由于时间原因仅翻译了天空之城一首音乐的一部分)。
代码（song.v）：
module song(clk_5MHz, select, beep);input clk_5MHz;input select; //音乐播放暂停选项 output beep; //蜂鸣器输出reg [25:0] cnt2; //计数器reg clk_5Hz;wire beep_r;wire out3; //曲谱的输出wire clk;assign beep = beep_r;/* 调用曲谱模块——模拟有限状态机实现 *//* 《天空之城》 */song3 m3(.clk_5MHz(clk_5MHz),.clk_4Hz(clk),.select(select),.beep(out3));assign beep_r = out3;assign clk = clk_5Hz;/* 5hz分频 */always@(posedge clk_5MHz) begin // if(select)// beginif(cnt2<25'd400000)cnt2 <= cnt2+25'b1;elsebegincnt2<=25'b0;clk_5Hz <= ~clk_5Hz;end// endendendmodule4.曲谱子模块
这里对天空之城曲谱的一部分进行了翻译,由于钢琴谱比较复杂,且一般为双手谱,这里选择了一个较为简单的吉他谱,按照吉他谱中的简谱进行逐拍翻译。
曲谱如下：
代码（song3.v）:
/* 《天空之城》 */module song3(clk_5MHz,clk_4Hz,select,beep);input clk_5MHz,clk_4Hz,select; //系统时钟，节拍时钟，播放暂停选项output beep; //扬声器输出 reg [3:0] high,med,low;reg [15:0] origin;reg beep_r; reg [7:0] state; reg [15:0] count; assign beep = beep_r; /* 扬声器基本驱动 */always @(posedge clk_5MHz)begin/* 计数器 */count <= count + 1'b1; If(count == origin)begin/* 计数器清零 */count <= 16'h0; /* 输出取反 */beep_r <= !beep_r; endend/* 音调输出转换 */always@(posedge clk_4Hz)beginif(select)begincase({high,med,low})/* 24音转换为方波频率 */'b000000000001:origin=22900; //低1'b000000000010:origin=20408; //低2'b000000000011:origin=18181; //低3'b000000000100:origin=17142; //低4'b000000000101:origin=15267; //低5'b000000000110:origin=13605; //低6'b000000000111:origin=12121; //低7'b000000010000:origin=11472; //中1'b000000100000:origin=10216; //中2'b000000110000:origin=9101; //中3'b000000111000:origin=8571; //中4'b000001010000:origin=7653; //中5'b000001100000:origin=6818; //中6'b000010000000:origin=6060; //中7'b000100000000:origin=5733; //高1'b001000000000:origin=5108; //高2'b001100000000:origin=4551; //高3'b001010000000:origin=4294; //高4'b010000000000:origin=3826; //高5'b011000000000:origin=3409; //高6'b010100000000:origin=3050; //高7endcaseendelse/* 消除杂音 */origin=0000;end/* 《天空之城》乐谱翻译 */always @(posedge clk_4Hz) beginif(select)begin/* 全曲总节拍数 */if(state ==193)/* 自动重放 */state = 0;else/* 节拍计数 */state = state + 1'b1;case(state)/* 按小节间隔 *//* 1 */0: {high,med,low}='b000001100000;//中61: {high,med,low}='b000010000000;//中7 /* 2 */2,3,4: {high,med,low}='b000100000000;//高15: {high,med,low}='b000010000000;//中76,7: {high,med,low}='b000100000000;//高18,9: {high,med,low}='b001100000000;//高3 /* 3 */10,11,12,13,14,15: {high,med,low}='b000010000000;//中716,17: high,med,low}='b000000110000;//中3/* 4 */ 18,19,20: {high,med,low}='b000001100000;//中621: {high,med,low}='b000001010000;//中522,23: {high,med,low}='b000001100000;//中624,25: {high,med,low}='b000100000000;//高1………………………………../* 25 */186,187,188,189,190,191,192,193: {high,med,low}='b001100000000;//高3 endcaseendendendmodule5.管脚定义
代码（digital_piano_ucf.ucf）:
NET "inclk" LOC = "B8"; //开发板主频NET "select" LOC = "N3"; //拨码开关作为播放器暂停选项/* 双声道输出:电子琴&音乐播放器,互不干扰NET "out_r" LOC = "D12"; //右声道输出NET "out_l" LOC = "C9"; //左声道输出/* 电子琴演示琴键:轻触开关 */NET "key_in[3]" LOC = "G12"; NET "key_in[2]" LOC = "C11";NET "key_in[1]" LOC = "M4";NET "key_in[0]" LOC = "A7";NET "select" CLOCK_DEDICATED_ROUTE = FALSE;如有问题欢迎指正交流。
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——2020/1/18
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