FPGA课程设计(最终版)要点

武汉理工大学FPGA应用课程设计I课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：信息工程学院题目:电子琴的设计课程设计目的：《FPGA原理与应用》课程设计的目的是为了让学生熟悉基于VHDL语言进行FPGA开发的全流程，并且利用FPGA设计进行专业课程理论知识的再现，让学生体会EDA技术的强大功能，为今后使用FPGA进行电子设计奠定基础。课程设计内容和要求设计内容：（1）设计一个八音电子琴。（2）由键盘输入控制音响，同时可自动演奏乐曲。（3）用户可以将自己编制的乐曲存入电子琴，演奏时可选择键盘输入乐曲或者已存入的乐曲。要求每个学生单独完成课程设计内容，并写出课程设计说明书、说明书应该包括所涉及到的理论部分和充足的实验结果，给出程序清单，最后通过课程设计答辩。时间安排：序号阶段内容所需时间1方案设计1天2软件设计2天3系统调试1天4答辩1天合计5天指导教师签名：年月日武汉理工大学FPGA应用课程设计II系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学FPGA应用课程设计III目录摘要...........................................................1Abstract........................................................21设计意义和要求................................................31.1设计意义................................................31.2功能要求................................................32方案论证及原理分析............................................42.1实现方案比较............................................42.2乐曲实现原理............................................42.3系统组成及工作原理......................................63系统模块设计..................................................83.1顶层模块的设计..........................................83.2乐曲自动演奏模块的设计..................................83.3音阶发生器模块的设计....................................93.4数控分频器模块的设计....................................94程序设计.....................................................114.1VHDL设计语言和ISE环境简介.............................114.2顶层模块的程序设计.....................................124.3乐曲自动演奏模块的程序设计.............................134.4音阶发生器模块的程序设计...............................134.5数控分频模块的程序设计.................................145设计的仿真与实现.............................................155.1乐曲自动演奏模块仿真...................................155.2音调发生模块仿真.......................................185.3数控分频模块仿真.......................................195.4电子琴系统的仿真.......................................205.5设计的实现.............................................225.6查看RTL视图...........................................235.7查看综合报告...........................................256心得体会.....................................................317参考文献.....................................................328附录.........................................................33武汉理工大学FPGA应用课程设计1摘要随着基于FPGA的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，EDA技术在电子信息、通信、自动控制用计算机等领域的重要性日益突出。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。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。此次设计主要是基于VHDL文本输入法设计乐曲演奏电路，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。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，通过按键输入来控制音响或者自动演奏已存入的歌曲。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。选择手动弹奏模式按键时，按下音符键后就会选通相应的频率输出；选择自动演奏模式按键时，储存器会将编写好的音符信息依次取出，去选通各个对应的频率输出，实现自动演奏。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、电路功能验证，奏出美妙的乐曲（当然由于条件限制，暂不进行功能验证，只进行编程和时序仿真）。关键词：EDA，VHDL，电子琴，自动演奏武汉理工大学FPGA应用课程设计2AbstractWiththeexpansionandfurtherFPGA-basedEDAtechnologydevelopmentandapplications,theimportanceofEDAtechnologyinthefieldofelectronicinformation,communication,computerandotherautomaticcontrolhavebecomeincreasinglyprominent.EDAtechnologyistothecomputerasatooldesignerintheEDAsoftwareplatform,hardwaredescriptionlanguageHDLcompletethedesignfileandthenautomaticallydonebycomputerlogiccompilation,simplification,segmentation,integration,optimization,placement,routingandsimulation,untilforspecifictargetchipadaptercompilation,mappingandlogicprogrammingdownloadwork.UseofEDAtools,electronicdesignersfromconcept,algorithms,protocols,andsobeganthedesignofelectronicsystems,alotofworkcanbedonebycomputerandelectronicproductscanbefromthecircuitdesign,performanceanalysistotheentireprocessofIClayoutdesignorlayoutofthePCBautomaticprocessingiscompletedonthecomputer.ThedesignismainlybasedonVHDLtextinputmusicperformancecircuitdesign,eachmoduleusingVHDLlanguageofsimpleflowerdesign,andtheuseofEDAtoolsforsimulationofeachmodule.Thesystemisbasedontheprincipleofthecomputerclockdivider,usingtop-downdesignapproachtoachieve,throughthekeyinputtocontrolthesoundorsongtoautomaticallyplayhasbeendeposited.Systemfromautomaticallyplayingmusicmodule,tonegeneratormoduleandNCdividermodulethreeparts.Whenyouselectthemanualmodeaftertheplaybutton,itwillnoteispressedthecorrespondingfrequencystrobeoutput;SelectAutoPlaymodebutton,thereservoirwillberemovedinordertowritegoodmusicinformation,eachcorrespondingtothefrequencyofthestrobeoutput,automaticplaying.SystemimplementationishardwaredescriptionlanguageVHDLbyamodularapproachtodesign,andthenprogramming,timingsimulation,circuitfunctionalverification,playwonderfulmusic(ofcourse,duetoconstraints,theywillnotperformfunctionalverification,andtimingsimulationprogramonly).Keywords:EDA,VHDL,electronicorgan,automaticplay武汉理工大学FPGA应用课程设计31设计意义和要求1.1设计意义电子琴作为音乐与科技的产物，在电子化和信息化的时代，为音乐的大众化做出了很大的贡献，歌曲的制作大多数都要由电子琴来完成，然后通过媒介流传开来，电视剧和电影的插曲、电视节目音效、甚至手机铃声，都很可能包含电子琴的身影。电子琴是数字电路中的一个典型应用。然而在实际的硬件设计中用到的器件非常多，连线比较复杂，同时会产生比较大的延时，从而造成测量误差较大，可靠性不好。以EDA工具作为开发手段，运用VHDL硬件描述语言可以使使整个系统大大简化，提高了电子琴整体的性能和可靠性。1.2功能要求1）设计一个八音电子琴；2）由键盘输入控制音响，同时可自动演奏乐曲；3）用户可以将自己编制的乐曲存入电子琴，演奏时可选择键盘输入乐曲或者已存入的乐曲。武汉理工大学FPGA应用课程设计42方案论证及原理分析2.1实