基于FPGA的電子琴動(dòng)態(tài)錄音與回放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 引 言
    樂曲都是由一連串的音符組成，因此按照樂曲的樂譜依次輸出這些音符所對應(yīng)的頻率，就可以在揚(yáng)聲器上連續(xù)地發(fā)出各個(gè)音符的音調(diào)。大多數(shù)的電子琴設(shè)計(jì)都有彈奏和播放功能，但能自動(dòng)對彈奏的樂曲進(jìn)行錄音并可改變回放快慢可調(diào)的設(shè)計(jì)卻很少。要實(shí)現(xiàn)錄音和回放功能，就必須將彈奏的音符值在相應(yīng)的寫控制信號控制下存儲(chǔ)到FPGA芯片內(nèi)部的隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)中，而在相應(yīng)的讀控制信號控制下，將RAM中存儲(chǔ)的音符值讀出來，送給相應(yīng)的發(fā)聲控制等模塊。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，EDA技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法正逐步退出歷史舞臺(tái)，而基于EDA技術(shù)的可編程邏輯芯片設(shè)計(jì)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。本設(shè)計(jì)基于QuartusⅡ6．0開發(fā)平臺(tái)，采用VHDL語言在FPGA芯片上成功地實(shí)現(xiàn)了電子琴動(dòng)態(tài)錄音與回放功能。

l 電子琴動(dòng)態(tài)錄音與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    已經(jīng)設(shè)計(jì)成功的多功能電子琴樂曲硬件演奏設(shè)計(jì)電路主要包括：鍵盤演奏、人工選曲并播放樂曲、錄音／回放、可控制播放歌曲的節(jié)奏快慢、液晶顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)等功能。其中在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)的電路設(shè)計(jì)有4個(gè)模塊，分別為鍵盤掃描和按鍵功能設(shè)置模塊、RoM／RAM控制器模塊、發(fā)聲控制模塊、LCD驅(qū)動(dòng)控制模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

工作原理如下：首先通過鍵盤掃描和按鍵功能設(shè)置模塊將一個(gè)4*4的鍵盤上各按鍵進(jìn)行功能設(shè)置，然后根據(jù)相應(yīng)的操作要求進(jìn)行發(fā)聲和液晶顯示。如果選中當(dāng)前狀態(tài)是彈奏模式，則發(fā)聲控制模塊直接把琴鍵送來的音符對應(yīng)的分頻系數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率送到揚(yáng)聲器發(fā)聲，字幕信息通過液晶顯示驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)液晶顯示；如果選中當(dāng)前工作模式為播放模式，則ROM／RAM控制器模塊把事先存儲(chǔ)在ROM中的音樂數(shù)據(jù)提出來送至發(fā)聲模塊，完成自動(dòng)播放功能；如果選中當(dāng)前工作狀態(tài)是錄音回放模式，則啟動(dòng)ROM／RAM控制器模塊中RAM狀態(tài)機(jī)控制器進(jìn)行讀寫操作。
    這里重點(diǎn)介紹由ROM／RAM控制模塊通過狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)生錄音／回放功能的實(shí)現(xiàn)。

2 ROM／RAM控制模塊的設(shè)計(jì)
    ROM／RAM控制模塊的作用是通過對系統(tǒng)當(dāng)前所處的模式進(jìn)行判斷，并根據(jù)輸入的控制信號，對CycloneⅡFPGA內(nèi)嵌的RAM的讀寫信號、讀寫時(shí)鐘及讀寫地址進(jìn)行控制。其中ROM／RAM控制模塊的外部接口符號圖如圖2所示。

此模塊定義了10個(gè)輸入端口，分別為：mode_key(鍵盤演奏模式)、mode_auto(播放歌曲模式)、mode_tape(錄音回放模式)、time_up(節(jié)奏上升)、time_down(節(jié)奏下降)、song_select(曲目選擇)、tape(錄音)、playback(放音)、reset(系統(tǒng)復(fù)位)、clk(時(shí)鐘)。定義了15個(gè)輸出端口：rom_add(ROM地址)、rom_clk(ROM時(shí)鐘)、rom_en(ROM時(shí)鐘使能)、ram_wradd(RAM寫地址)、ram_wren(RAM寫使能)、ram_wrclk(RAM寫時(shí)鐘)、ram_rdadd(RAM讀地址)、ram_rden(RAM讀地址)、ram_rdclk(RAM讀地址)、full(錄音滿信號)、over(回放完畢信號)以及5個(gè)提供LCD驅(qū)動(dòng)顯示用的信號。
    RAM／ROM控制模塊中的RAM控制部分分成兩個(gè)小部分，采用有限狀態(tài)機(jī)(FSM)分別對RAM讀狀態(tài)和RAM寫狀態(tài)進(jìn)行操作控制。當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前模式為“錄音／回放模式”時(shí)，如果“錄音”按鍵按下，則RAM進(jìn)行寫操作，從首地址開始進(jìn)行存儲(chǔ)。如果存儲(chǔ)滿1 024個(gè)地址空間，則提示“錄音滿”，寫操作終止，等待用戶命令，以進(jìn)行下一步操作。當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前模式為“錄音／回放模式”時(shí)，如果“回放”按鍵按下，則RAM進(jìn)行讀操作，從首地址開始將RAM單元中的數(shù)據(jù)送給發(fā)聲控制模塊進(jìn)行播放。如果讀完1 024個(gè)地址空間，則提示“回放完畢”，讀操作終止，等待用戶命令，以進(jìn)行下一步操作。
    寫操作的FSM狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程以及轉(zhuǎn)移條件如圖3所示；讀操作的FSM狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程以及轉(zhuǎn)移條件如圖4所示。

用狀態(tài)機(jī)對RAM進(jìn)行讀寫控制的部分源程序如下：

其仿真波形圖如圖5所示。從仿真圖上可以看出，RAM／ROM控制模塊電路既產(chǎn)生了控制RAM存儲(chǔ)器的時(shí)鐘ram_wrclk信號，也產(chǎn)生了相應(yīng)的控制RAM的使用使能信號ram_wren和寫入地址ram_wradd。

3 RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)一個(gè)雙端口的存儲(chǔ)深度為1 024、存儲(chǔ)寬度為6位的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，用來存儲(chǔ)彈奏的樂曲，并可播放出來。生成的RAM單元如圖6所示。data[5．．O]端口為彈奏電子琴時(shí)由發(fā)聲控制模塊產(chǎn)生的音符數(shù)據(jù)。

當(dāng)系統(tǒng)處于“錄音／回放模式”的“錄音”狀態(tài)時(shí)，將當(dāng)前所彈奏的音符進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出作為RAM的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)“DATA”。wraddress[9．．O]代表十位寬度的寫地址端口，rdaddress[9．．0]代表十位寬度的讀地址端口。wrclock為RAM寫入時(shí)鐘，rdclock為RAM讀出時(shí)鐘。Q[5．．0]為從RAM中讀出所存放數(shù)據(jù)，即data。從圖6可以看出，此雙口RAM具有獨(dú)立的讀寫時(shí)鐘和讀寫使能。選擇這樣的RAM的目的是為了以一個(gè)固定頻率wrclock(本設(shè)計(jì)取4 Hz)的時(shí)鐘對RAM進(jìn)行寫操作，即以一個(gè)固定的采樣頻率對所彈奏的樂曲進(jìn)行采樣存儲(chǔ)；另一方面以節(jié)奏控制部分輸出的時(shí)鐘rdclock作為RAM的讀時(shí)鐘信號，使得回放過程可以以不同的節(jié)奏將儲(chǔ)存的樂曲播放出來。這是其新穎之處，使電子琴在回放過程中更加靈活多變，功能更多。
    其仿真波形圖如圖7所示。從仿真圖上可以看出，RAM存儲(chǔ)器在寫使能信號和讀使能信號控制作用下依次寫入數(shù)據(jù)信號，并按寫入地址先后次序再準(zhǔn)確地讀出來，實(shí)現(xiàn)了錄音和回放的功能要求。

本設(shè)計(jì)采用杭州康芯電子有限公司開發(fā)的電子設(shè)計(jì)應(yīng)用板(型號：KX—DVP3F)進(jìn)行對系統(tǒng)的調(diào)試與功能驗(yàn)證。利用QuartusⅡ6．O軟件生成．sol或者．pof編程文件，通過USB下載器將編程文件配置到CycloneⅡEP2C8Q208芯片中，經(jīng)過數(shù)次的調(diào)試，多功能電子琴的全部技術(shù)指標(biāo)和功能很好地符合設(shè)計(jì)要求，發(fā)聲準(zhǔn)確，易操作，可視性強(qiáng)。
    有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)用數(shù)字系統(tǒng)中的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)高效率高可靠邏輯控制的重要途徑。它具有類似CPU的高速運(yùn)算和控制能力，程序?qū)哟畏置?，結(jié)構(gòu)清晰，易讀易懂；在排錯(cuò)、修改和模塊移植方面也有獨(dú)到之處。