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

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，就可以在揚聲器上連續(xù)地發(fā)出各個音符的音調(diào)。大多數(shù)的電子琴設(shè)計都有彈奏和播放功能，但能自動對彈奏的樂曲進行錄音并可改變回放快慢可調(diào)的設(shè)計卻很少。要實現(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到FPGA芯片內(nèi)部的隨機存儲器(RAM)中，而在相應(yīng)的讀控制信號控制下，將RAM中存儲的音符值讀出來，送給相應(yīng)的發(fā)聲控制等模塊。進入20世紀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)計方法發(fā)生了很大的變化，傳統(tǒng)的設(shè)計方法正逐步退出歷史舞臺，而基于EDA技術(shù)的可編程邏輯芯片設(shè)計成為電子系統(tǒng)設(shè)計的主流。本設(shè)計基于QuartusⅡ6．0開發(fā)平臺，采用VHDL語言在FPGA芯片上成功地實現(xiàn)了電子琴動態(tài)錄音與回放功能。

l 電子琴動態(tài)錄音與回放系統(tǒng)設(shè)計
    已經(jīng)設(shè)計成功的多功能電子琴樂曲硬件演奏設(shè)計電路主要包括：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、液晶顯示當前系統(tǒng)狀態(tài)等功能。其中在FPGA芯片中實現(xiàn)的電路設(shè)計有4個模塊，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)動控制模塊。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖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4*4的鍵盤上各按鍵進行功能設(shè)置，然后根據(jù)相應(yīng)的操作要求進行發(fā)聲和液晶顯示。如果選中當前狀態(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)頻率送到揚聲器發(fā)聲，字幕信息通過液晶顯示驅(qū)動模塊驅(qū)動液晶顯示；如果選中當前工作模式為播放模式，則ROM／RAM控制器模塊把事先存儲在ROM中的音樂數(shù)據(jù)提出來送至發(fā)聲模塊，完成自動播放功能；如果選中當前工作狀態(tài)是錄音回放模式，則啟動ROM／RAM控制器模塊中RAM狀態(tài)機控制器進行讀寫操作。
    這里重點介紹由ROM／RAM控制模塊通過狀態(tài)機設(shè)計產(chǎn)生錄音／回放功能的實現(xiàn)。

2 ROM／RAM控制模塊的設(shè)計
    ROM／RAM控制模塊的作用是通過對系統(tǒng)當前所處的模式進行判斷，并根據(jù)輸入的控制信號，對CycloneⅡFPGA內(nèi)嵌的RAM的讀寫信號、讀寫時鐘及讀寫地址進行控制。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(時鐘)。定義了15個輸出端口：rom_add(ROM地址)、rom_clk(ROM時鐘)、rom_en(ROM時鐘使能)、ram_wradd(RAM寫地址)、ram_wren(RAM寫使能)、ram_wrclk(RAM寫時鐘)、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個提供LCD驅(qū)動顯示用的信號。
    RAM／ROM控制模塊中的RAM控制部分分成兩個小部分，采用有限狀態(tài)機(FSM)分別對RAM讀狀態(tài)和RAM寫狀態(tài)進行操作控制。當系統(tǒng)當前模式為“錄音／回放模式”時，如果“錄音”按鍵按下，則RAM進行寫操作，從首地址開始進行存儲。如果存儲滿1 024個地址空間，則提示“錄音滿”，寫操作終止，等待用戶命令，以進行下一步操作。當系統(tǒng)當前模式為“錄音／回放模式”時，如果“回放”按鍵按下，則RAM進行讀操作，從首地址開始將RAM單元中的數(shù)據(jù)送給發(fā)聲控制模塊進行播放。如果讀完1 024個地址空間，則提示“回放完畢”，讀操作終止，等待用戶命令，以進行下一步操作。
    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)機對RAM進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存儲器的時鐘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隨機存儲器的設(shè)計
    設(shè)計一個雙端口的存儲深度為1 024、存儲寬度為6位的隨機存儲器RAM，用來存儲彈奏的樂曲，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由發(fā)聲控制模塊產(chǎn)生的音符數(shù)據(jù)。

當系統(tǒng)處于“錄音／回放模式”的“錄音”狀態(tài)時，將當前所彈奏的音符進行轉(zhuǎn)換，輸出作為RAM的存儲數(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寫入時鐘，rdclock為RAM讀出時鐘。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具有獨立的讀寫時鐘和讀寫使能。選擇這樣的RAM的目的是為了以一個固定頻率wrclock(本設(shè)計取4 Hz)的時鐘對RAM進行寫操作，即以一個固定的采樣頻率對所彈奏的樂曲進行采樣存儲；另一方面以節(jié)奏控制部分輸出的時鐘rdclock作為RAM的讀時鐘信號，使得回放過程可以以不同的節(jié)奏將儲存的樂曲播放出來。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確地讀出來，實現(xiàn)了錄音和回放的功能要求。

本設(shè)計采用杭州康芯電子有限公司開發(fā)的電子設(shè)計應(yīng)用板(型號：KX—DVP3F)進行對系統(tǒng)的調(diào)試與功能驗證。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)指標和功能很好地符合設(shè)計要求，發(fā)聲準確，易操作，可視性強。
    有限狀態(tài)機設(shè)計技術(shù)是實用數(shù)字系統(tǒng)中的重要組成部分，也是實現(xiàn)高效率高可靠邏輯控制的重要途徑。它具有類似CPU的高速運算和控制能力，程序?qū)哟畏置鳎Y(jié)構(gòu)清晰，易讀易懂；在排錯、修改和模塊移植方面也有獨到之處。